礦用應(yīng)力傳感器設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：在此設(shè)計并實現(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的方位角。利用地應(yīng)力計算公式，可確定煤層中或巖石中應(yīng)力值狀態(tài)。多個測點應(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)測系統(tǒng)，可對礦井中的次生應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)過測試和現(xiàn)場應(yīng)用表明應(yīng)力傳感器安裝方便，測量精度高，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)境會導(dǎo)致許多工程地質(zhì)災(zāi)害。在開采過程中，若能及時了解煤層頂?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，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。對于煤層頂?shù)装鍎討B(tài)應(yīng)力的測量，在我國還沒有成熟的傳感器，更沒有類似于煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的頂?shù)装鍎討B(tài)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)。研制適合礦井頂?shù)装鍎討B(tài)應(yīng)力監(jiān)測的傳感器是建立監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳感器的原理、可靠性、精度、實用性是研究的主要內(nèi)容。

2 應(yīng)力測量原理
    在傳統(tǒng)應(yīng)力測量中，均通過求出平面上3個不同方向的應(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。為計算方便，使A，B，C3個測力點相隔120°。在計算過程中，設(shè)A，B，C3點的應(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，對于煤層頂?shù)装鍎討B(tài)應(yīng)力的測量，采用打觀測鉆孔，A，B，C 3個測點的方向?qū)⑹且粋€隨機(jī)數(shù)，即每次安裝的方位角都不同，要想確定測點的方位角，就要采用定向傳感器，采用一個單軸和一個雙軸磁阻傳感器共同搭建一個三軸的磁阻傳感器，分別測量z軸，x軸和y軸的磁場分量，通過計算可得A，B，C 3個測點的方位角。
    通過加速度計感知重力加速度在x，y軸上的分量而測得俯仰角φ和翻滾角θ，并結(jié)合z軸磁阻傳感器所測量到的磁場分量。根據(jù)矢量三角形，可得折算到地球坐標(biāo)系下磁場強(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計算式及對羅盤坐標(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
    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。
    由于測應(yīng)力傳感器轉(zhuǎn)換得到電信號幅度往往較小，因此A／D轉(zhuǎn)換時需放大傳感器信號。信號變化范圍為0～60 mV，當(dāng)壓力值增加1 MPa時，其輸出量增加幾毫伏，隨著壓力值變化，電橋輸出信號很小，即有用信號幅度絕對值很小。
    單片機(jī)對數(shù)據(jù)采集時，需將3路應(yīng)力和3路磁場值進(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，實現(xiàn)輸入地與輸出地的隔離。采用的單片機(jī)MSP430F149包含兩個USART模塊，可很方便地與MAX485E連接。
    電子羅盤工作環(huán)境惡劣。外部磁場強(qiáng)度超過20 Gs時，傳感器輸出特性將發(fā)生較大改變，此處采用兩個場效應(yīng)管，由微控制器觸發(fā)，產(chǎn)生約2 A的大電流脈沖對兩個磁阻傳感器進(jìn)行置位／復(fù)位。
    軟件方面，首先對MSP430F149定時器、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、采集存儲數(shù)據(jù)、A／D采集數(shù)據(jù)、應(yīng)力值計算、計算磁場值等不同任務(wù)。中斷程序用于響應(yīng)事件，并對相應(yīng)標(biāo)志置位，然后將參數(shù)返回給主程序處理。

4 試驗及應(yīng)用
    采用CW-600T活塞式壓力計對傳感器進(jìn)行測試，其量程為0～60MPa，精度為0．02級，符合要求。表1中實值為利用活塞式壓力計所加壓力值，另3項為應(yīng)力傳感器所測對應(yīng)值。將表1測量數(shù)據(jù)代入e=max(P實際值-P測量值)／15，可求出測量誤差。

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

5 結(jié)論
    多項室內(nèi)整體標(biāo)定試驗表明，該應(yīng)力傳感器在測量時穩(wěn)定、可靠，分辨率達(dá)0．01 MPa，最大量程15 MPa，實測誤差小于1％。經(jīng)過在煤礦現(xiàn)場測試，傳感器可長時間穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)力傳感器具有測量穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作簡單、價格低廉、安裝方便等特點，具有較高的實用價值及廣闊的應(yīng)用前景。