礦用應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型應(yīng)力傳感器，采用MSP430單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力傳感器中加入了電子羅盤，可求出傳感器安裝時(shí)的方位角。利用地應(yīng)力計(jì)算公式，可確定煤層中或巖石中應(yīng)力值狀態(tài)。多個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力傳感器可以通過RS-485進(jìn)行連接，組成分布式應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)礦井中的次生應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明應(yīng)力傳感器安裝方便，測(cè)量精度高，完全滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求。
關(guān)鍵詞：傳感器；地應(yīng)力；串口通信

1 引言
    礦井中的高應(yīng)力環(huán)境會(huì)導(dǎo)致許多工程地質(zhì)災(zāi)害。在開采過程中，若能及時(shí)了解煤層頂?shù)装鍛?yīng)力的變化情況，并采取相應(yīng)措施，即可預(yù)防很多災(zāi)害的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。對(duì)于煤層頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)量，在我國還沒有成熟的傳感器，更沒有類似于煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。研制適合礦井頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的傳感器是建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳感器的原理、可靠性、精度、實(shí)用性是研究的主要內(nèi)容。

2 應(yīng)力測(cè)量原理
    在傳統(tǒng)應(yīng)力測(cè)量中，均通過求出平面上3個(gè)不同方向的應(yīng)變分量εA，εB和εC，它們與x軸的夾角為θA，θB和θC，利用巖石彈性模量，在x和y方向上的應(yīng)變分量εx，εy和γxy可由公式求出。
    根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可求出平面上的應(yīng)力狀態(tài)。該測(cè)量方法精度較差，且應(yīng)力傳感器安裝不方便，方位角誤差較大。為計(jì)算方便，使A，B，C3個(gè)測(cè)力點(diǎn)相隔120°。在計(jì)算過程中，設(shè)A，B，C3點(diǎn)的應(yīng)力值分別為σA，σB和σC，σA與x軸的夾角為零。由式(1)可求出x和y方向上的應(yīng)力分量σx，σy和γxy，然后通過式(2)求出最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及各自在平面上的方位角。
   
    應(yīng)力傳感器必須能確定A，B，C的方位角，對(duì)于煤層頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)量，采用打觀測(cè)鉆孔，A，B，C 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的方向?qū)⑹且粋€(gè)隨機(jī)數(shù)，即每次安裝的方位角都不同，要想確定測(cè)點(diǎn)的方位角，就要采用定向傳感器，采用一個(gè)單軸和一個(gè)雙軸磁阻傳感器共同搭建一個(gè)三軸的磁阻傳感器，分別測(cè)量z軸，x軸和y軸的磁場(chǎng)分量，通過計(jì)算可得A，B，C 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的方位角。
    通過加速度計(jì)感知重力加速度在x，y軸上的分量而測(cè)得俯仰角φ和翻滾角θ，并結(jié)合z軸磁阻傳感器所測(cè)量到的磁場(chǎng)分量。根據(jù)矢量三角形，可得折算到地球坐標(biāo)系下磁場(chǎng)強(qiáng)度為：
   
    求出分量后，可得到傳感器方位角，β∈[0，180°]，但傳感器方位角用0～360°的范圍表示，由式(3)和β計(jì)算式及對(duì)羅盤坐標(biāo)系和水平坐標(biāo)系變換的分析，各坐標(biāo)軸和不同象限內(nèi)β的值分別為：

    根據(jù)以上公式可確定傳感器方位角。

3 應(yīng)力傳感器硬件及軟件設(shè)計(jì)
    應(yīng)力傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)外圍電路包括支持系統(tǒng)時(shí)鐘的晶體振蕩器和支持在線編程、調(diào)試的JTAG接口電路。

    系統(tǒng)中用到的電源有+5 V，+3．3 V，+2．5 V和-2．5 V，MSP430單片機(jī)的工作電壓為+3．3 V，放大電路工作電壓為+2．5 V和-2．5 V。通過同步電壓轉(zhuǎn)換器芯片MP2104和BL8503可將+5 V電壓轉(zhuǎn)換成+3．3 V和+2．5 V電壓。通過MAX660可從輸入+2．5 V電壓產(chǎn)生-2．5 V的電壓。
    由于測(cè)應(yīng)力傳感器轉(zhuǎn)換得到電信號(hào)幅度往往較小，因此A／D轉(zhuǎn)換時(shí)需放大傳感器信號(hào)。信號(hào)變化范圍為0～60 mV，當(dāng)壓力值增加1 MPa時(shí)，其輸出量增加幾毫伏，隨著壓力值變化，電橋輸出信號(hào)很小，即有用信號(hào)幅度絕對(duì)值很小。
    單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)，需將3路應(yīng)力和3路磁場(chǎng)值進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。此處選用ADS1110芯片。
    異步通信接口電路采用新型電平轉(zhuǎn)換器件MAX485E。為減少系統(tǒng)干擾，抑制回路產(chǎn)生的噪音，此處采用光電耦合器PC410，實(shí)現(xiàn)輸入地與輸出地的隔離。采用的單片機(jī)MSP430F149包含兩個(gè)USART模塊，可很方便地與MAX485E連接。
    電子羅盤工作環(huán)境惡劣。外部磁場(chǎng)強(qiáng)度超過20 Gs時(shí)，傳感器輸出特性將發(fā)生較大改變，此處采用兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，由微控制器觸發(fā)，產(chǎn)生約2 A的大電流脈沖對(duì)兩個(gè)磁阻傳感器進(jìn)行置位／復(fù)位。
    軟件方面，首先對(duì)MSP430F149定時(shí)器、芯片及通訊模塊等進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入循環(huán)，根據(jù)任務(wù)控制器的不同，分別執(zhí)行初始化采集通道、采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、A／D采集數(shù)據(jù)、應(yīng)力值計(jì)算、計(jì)算磁場(chǎng)值等不同任務(wù)。中斷程序用于響應(yīng)事件，并對(duì)相應(yīng)標(biāo)志置位，然后將參數(shù)返回給主程序處理。

4 試驗(yàn)及應(yīng)用
    采用CW-600T活塞式壓力計(jì)對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，其量程為0～60MPa，精度為0．02級(jí)，符合要求。表1中實(shí)值為利用活塞式壓力計(jì)所加壓力值，另3項(xiàng)為應(yīng)力傳感器所測(cè)對(duì)應(yīng)值。將表1測(cè)量數(shù)據(jù)代入e=max(P實(shí)際值-P測(cè)量值)／15，可求出測(cè)量誤差。

    通過計(jì)算，3路應(yīng)力測(cè)量誤差分別為0．27％，0．2％和0．27％，達(dá)到設(shè)計(jì)誤差小于1％的要求。同時(shí)對(duì)傳感器電子羅盤進(jìn)行測(cè)試，將傳感器固定在勻速轉(zhuǎn)臺(tái)上，將勻速轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一周，此時(shí)僅考慮傳感器在水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，只考慮x，y的輸出。經(jīng)測(cè)試，傳感器方位角最大誤差為3．8°，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求小于5°的指標(biāo)，相比人工測(cè)量方法，誤差明顯降低，滿足實(shí)際需要。應(yīng)力傳感器開發(fā)完成后，在4個(gè)礦井進(jìn)行了長達(dá)1年的工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況在理論上完全吻合。

5 結(jié)論
    多項(xiàng)室內(nèi)整體標(biāo)定試驗(yàn)表明，該應(yīng)力傳感器在測(cè)量時(shí)穩(wěn)定、可靠，分辨率達(dá)0．01 MPa，最大量程15 MPa，實(shí)測(cè)誤差小于1％。經(jīng)過在煤礦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，傳感器可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)力傳感器具有測(cè)量穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作簡單、價(jià)格低廉、安裝方便等特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景。