2.1.1 电磁辐射实验系统
随着电子技术的飞速发展，新的信号采集手段和方法的出现，为实现对煤岩变形破裂电磁辐射信号的高速采集和记录提供了可能，能更加精确地分析电磁辐射信号的变化规律及产生机理。
在煤岩变形破裂电磁辐射实验研究方面许多学者进行了众多开拓性的工作，在地电效应研究的基础上研究了各种岩石、煤岩、含瓦斯煤岩在单轴、三轴压缩时变形破裂过程产生的电磁辐射和声发射的存在性和变化规律，建立了较为先进的声发射和电磁辐射信号采集实验系统和数据处理分析系统。
实验系统框图如图2.1所示。由图可见，本实验系统由电液伺服机加载系统、声电动态监测及数据采集系统、DiSP-24型声发射监测系统、载荷-位移记录系统组成。
图2.1 电磁辐射实验系统示意图
（1）加载系统
为防止电动伺服机产生较强电磁干扰，首先在手动油压实验机上进行实验，基本上匀速加载，加载速率为1～2 t/s，一方面调试仪器，一方面考察煤岩单轴压缩时电磁辐射和声发射的变化规律。为准确监测煤岩变形过程中应力应变的变化以及相应的电磁辐射信号的变化规律，决定采用美国MTS公司生产的MTS815.02电液伺服控制实验系统（servo-controlled testing system）进行实际的加载实验。实验机的最大轴向载荷为1700 kN，加载时采用位移加载控制方式。实验机的自动数据采集系统每2秒采集一次数据，同步采集的数据有时间、轴向载荷、轴向应力、试件的轴向变形和横向变形。
（2）传感器接收系统
电磁辐射信号和声发射信号的接收系统包括接收天线和声发射探头。
电磁辐射信号的接收天线采用两种类型：①磁棒天线，属点频天线，本实验中采用的接收频率为50 kHz、150 kHz、800 kHz三种；②圆弧天线，属宽频带天线。表2.1示出了天线的特征参数。实验时，根据需要来布置天线位置和方式，并且接收天线的频率根据煤岩样品可以选择，并不是每次实验都要设置所有天线。天线布置在距离煤样为3～10 cm的周围。声发射探头采用谐振频率为50 kHz的声发射传感器来接收声发射信号。两种信号分别由同轴电缆送至声电动态采集系统。
表2.1 实验用天线特征参数
（3）数据采集系统——A-ER声电动态数据采集系统
本系统采用的声电高速动态数据采集系统为美国PAC公司的DiSP-24型声发射监测系统。DiSP-24声发射系统的工作原理是：由电磁天线和声发射传感器接收的信号通过前置放大器放大后，通过同轴屏蔽电缆送入滤波电路。滤波后的信号进入16位的A／D转换模块，转换后的数字信号随后进入参数形成电路，形成AE参数，存储在缓冲器内，然后通过PCI 总线传输至计算机作进一步的处理、显示。当选择波形采集时，经A/D转换后的数字信号一路进入参数形成电路，另一路进入波形处理模块进行波形的处理和分析。
该系统主要由前置放大器、滤波电路、A/D转换模块、波形处理模块和计算机等部分组成。其主要功能有：设置取样参数、信号采集、信号A/D转换、数据存储和图形显示等，能同时采集24个通道的声发射和电磁辐射信号，其中12个通道能进行波形采集和实时或事后频谱分析。
PCI数字主板卡、信号处理模块和供选择的波形模块都集结在PCI-DSP板卡上。PCI-DSP板卡的主要特征：①有四个完全独立的通道。②与微机之间的数据传输速率可达132 MHz／s。③16位、10 MHz的A/D转换器的动态范围大于82dB，无需增益设置。
每个通道都有4高通、4低通滤波可供选择（完全由软件控制）。PCI-DSP板规格如下：
· 电规格
AE输入：4通道；输入阻抗：50Ω；频率向应：10 kHz～2.1 MHz（在3dB点）
· 信号处理模块（连至PCI-DSP主板）
滤波器：4高通；4低通；噪音：最小门限18dBAE，ASL6dBAE；最大信号幅值：100dBAE，ASL99dB；动态范围：＞82dB
· 采样速率：10 MHz
精度：幅值（dB）相对误差（%）绝对误差（dB）
77～100
±1.0
±0.1
75～77
±2.0
±0.2
74～40
±1.0
±0.3
30～40
±11
±1.0
26～30
±15
±1.5
20～26
±34
±2.5
系统各主要部分的技术参数和功能如下：
· 前置放大器（Pre-Amp）：前置放大倍数分为20、40和60dB三种，对应的带宽分别为10 kHz～2.5 MHz，10 kHz～2.0 MHz和10～900 kHz。
· 滤波电路：低频段（Filter low）的范围为1～200 kHz，高频段（Filter high）的范围为100～2100 kHz。
· A/D转换模块：为16位、10 MHz的A/D转换器，其动态范围大于82dB。
· 波形处理模块：每个波形的采样长度可在1～15 kHz之间选择，可进行实时或事后频谱分析。
· 计算机：系统各项硬件参数的设置与选择、读取AE参数、形成与显示各种参数曲线图、数据表、事后显示、打印各种图形和数据等。
· 采样速率（Sample Rate）：采样速率分为100 kHz、200 kHz、500 kHz、1 MHz、2 MHz、5 MHz和10 MHz。采样速率直接关系到信号的截止频率和每个采样事件中信号的时间长度。由于一个周期至少需要两个信号点来描述，因此，接收到的信号的最大频率为采样频率的1／2。所以采样速率越高，每个采样时间中包含的时间长度越短，采样速率越低，每个采样事件中包含的时间长度越长。
（4）屏蔽系统
研究表明，由于煤岩体在变形破裂过程中产生的电磁辐射信号强度很弱，大部分属于频段信号，因此，在实验过程中为了减少电动机械、无线广播、工业用电等外界电磁干扰，采取了屏蔽措施。以网格尺寸小于0.5 mm×0.5 mm的铜网作为屏蔽系统，铜网直接接地。
实验时，将电磁辐射信号接收天线、声发射探头、位移计、载荷传感器以及压机压头等一起放入屏蔽系统内。系统各部分的声发射信号与电磁辐射信号传输采用同轴屏蔽电缆，并且电缆的屏蔽层也直接接地。
2.1.2 实验样品与实验方案
实验样品主要为在徐州权台矿、兖州东滩矿、淮南潘三矿，邢台、淮北等不同矿区的现场进行采集得到。实验所需煤岩样品分为两种：一种是原煤，主要是将井下采集的大块煤岩体通过加工而成；另一种是型煤，主要是由原煤磨成细小煤岩颗粒然后用特制模具加工而成。
在采煤工作面和掘进巷道提取煤岩样品，在中国矿业大学岩层控制中心实验室加工成50 mm×100 mm的原煤和型煤两种标准试件进行实验。利用高精度能控制加载速度及调节油压的伺服机和声发射、电磁辐射测定系统对不同矿区煤样在不同加载速率下的应力应变本构关系及变形破裂过程中产生的电磁辐射、声发射进行准确测定，一方面考察煤岩变形过程中电磁辐射的变化特征；一方面与第6章要建立的电磁辐射力电耦合模型计算结果进行比较从而验证该模型的正确性。
（1）实验内容
1）不同类型和强度的煤岩样品单轴压缩变形破裂时的声电信号测定。
2）不同加载速率下的煤岩变形破裂电磁辐射信号和声发射信号的测定。
（2）实验步骤
1）准备待测样品：准备煤岩样品时，用酒精将样品一个侧面污尘擦干净，之后用凡士林粘结声发射探头于煤岩体侧面上，并用胶带粘紧。
2）实验前先调试好仪器：布置好声发射探头和电磁辐射信号接收天线，并罩上屏蔽网。
3）按照图2.1连接好各种仪器，并检查系统中各仪器是否工作正常。
4）先启动A-ER声电动态数据采集系统，选择采样频率、触发模式，然后反复观测背景噪声，以选取合适的增益倍数和触发水平。当观察2～5分钟后没有背景噪声发生时，停止观察，确定各参数。
5）实验时，为了避免压机突然启动时对数据采集系统的触发，依次启动电液伺服机加载系统声电动态采集系统，开始加载，然后采样开始，直到煤岩样品破坏，实验结束后，先停止伺服机工作，再停止信号采集。