當(dāng)前位置:首頁 > 工業(yè)控制 > 工業(yè)控制
[導(dǎo)讀]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

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。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱"軟通動(dòng)力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉