王海潮，王國偉，賈曉娣

（1．煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013;2．煤炭科學(xué)研究總院煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100013;3．北京華宇工程有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著煤炭生產(chǎn)機(jī)械化程度的不斷提高，大型采掘設(shè)備在井下的應(yīng)用越來越普遍，迫使巷道斷面逐漸增大，采面推進(jìn)速度不斷加快，巷道廣泛采用錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)。但為確保安全，要對巷道頂板受力進(jìn)行監(jiān)測，以預(yù)防和減少冒頂事故的發(fā)生。本文介紹了一種以單片機(jī)為主控模塊具有數(shù)據(jù)采集、存儲和查詢等功能的錨索（桿）靜態(tài)數(shù)字電阻應(yīng)變儀［1］，并著重對其信號調(diào)理電路進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 應(yīng)變信號檢測原理

應(yīng)變儀依據(jù)應(yīng)變電阻受力作用下的變化規(guī)律式中K為電阻應(yīng)變計靈敏系數(shù)，一般為2．0左右，ΔL/L即ε是應(yīng)變計相對變化量［2］。

通過平衡電橋?qū)?yīng)變計電阻值因受力變化而變化的結(jié)果轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行分析處理，以反映被測對象受力情況［3］。

本文研究的靜態(tài)數(shù)字電阻應(yīng)變儀硬件原理如圖1所示。

圖1 應(yīng)變儀硬件原理圖Fig 1 Hardware principle diagram of the strain gauge

數(shù)字電阻應(yīng)變儀以井巷用電阻應(yīng)變式錨索測力計GYS—300作一次儀表為例進(jìn)行闡述，該測力計內(nèi)部有2只測力應(yīng)變計，如圖2所示。平衡電橋采用惠斯登電橋，如圖3。

圖2 GYS—300型錨索測力計與結(jié)構(gòu)簡圖Fig 2 Anchor cable dynamometer of GYS—300 and its structure chart

圖3 惠斯登電橋電路Fig 3 Wheatstone bridge circuit

圖3中溫度補(bǔ)償電阻R2與應(yīng)變電阻R1為相同材質(zhì)、相同阻值（120 Ω），其作用是抵消R1受溫度變化的影響，為計算分析方便，R3，R4阻值也取120Ω，為精度0．1%的普通金屬膜電阻器。由于測試橋臂有多只應(yīng)變計，故以虛線表明工作時要進(jìn)行切換［4］。

2 應(yīng)變儀信號調(diào)理電路

2．1 電橋基準(zhǔn)電壓源

±9 V本安電源經(jīng)低功耗穩(wěn)壓二極管LM385—1．2處理后構(gòu)成 +1．2 V和 －1．2 V電壓源為應(yīng)變儀電橋供電。LM385—1．2 穩(wěn)壓 1．2 V，原始精度達(dá) 1%，工作電流 15μA～20 mA，其工作原理如圖4所示。

圖4 電壓源電路原理圖Fig 4 Circuit principle diagram of voltage source

2．2 電橋多路測試與信號放大電路

為獲取測力錨索（桿）各段受力情況，本文采用場效應(yīng)開關(guān)管來切換各段應(yīng)變計與電橋的通斷［5］，從而獲取整個錨索（桿）的受力載荷，其原理見圖5。圖中R3，R4橋臂串接的開關(guān)管Q1是為了平衡應(yīng)變電阻測試橋臂選通開關(guān)管的導(dǎo)通阻值的影響，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時當(dāng)應(yīng)變儀沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，各開關(guān)管都處于截止?fàn)顟B(tài)，較其他形式電橋采集電路而言，該結(jié)構(gòu)降低了橋臂電阻對電源的功耗。電橋輸出信號經(jīng)高精度運(yùn)放TLE2022差分（減法）放大后進(jìn)行濾波處理。

圖5 電橋多路切換測試與信號放大電路Fig 5 Circuit of multiplexed test bridge and signal amplifier

2．3 有源低通濾波電路

應(yīng)變儀的測量值為緩慢變化的應(yīng)力，電橋輸出電壓為微伏級的低頻信號，為防止高頻干擾，設(shè)計了由低噪聲精密運(yùn)算放大器 TLC2262構(gòu)成的有源低通濾波器［6］，如圖6。通過合理選擇電阻與電容值設(shè)置截止頻率為15 Hz。濾波處理后的信號，經(jīng)高精度A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135后送單片機(jī)處理［7］。

圖6 低通濾波器（帶信號放大）Fig 6 Low pass filter with signal amplification

3 軟件設(shè)計

應(yīng)變儀軟件采用C語言編制，以模塊化程序結(jié)構(gòu)、循環(huán)掃描方式進(jìn)行信號采集及數(shù)據(jù)處理，主程序如圖7所示。

4 抗干擾技術(shù)

由于被測信號十分微小，為避免由接地線公共阻抗造成的竄擾，電路采取并聯(lián)一點(diǎn)接地技術(shù)，模擬地與數(shù)字地最終通過零歐電阻一點(diǎn)相連，提高應(yīng)變儀的抗干擾性能。

為避免通過場效應(yīng)管從一個通道切換到另一個通道時，其自身導(dǎo)通—截止與截止—導(dǎo)通過渡時間和由此可能產(chǎn)生的沖擊信號影響，發(fā)出選通脈沖延時約10 ms后才開始采集A/D轉(zhuǎn)換器的電壓值，以確保測量數(shù)據(jù)真實準(zhǔn)確［8］。

本文采用精度為（±0．05% ±0．1）×10－6的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變模擬儀SDY2306對應(yīng)變儀上述指標(biāo)進(jìn)行測試，并通過對軟件修正，解決了實驗中出現(xiàn)的問題［8］。實驗數(shù)據(jù)如表1。實驗表明本應(yīng)變儀穩(wěn)定性、線性度良好，精度達(dá)到0．1%、零位漂移不大于±1×10－6/4 h，滿足設(shè)計要求。

圖7 主程序流程圖Fig 7 Flow chart of main program

表1 應(yīng)變儀測試數(shù)據(jù)Tab 1 Test datas of the strain gauge

5 結(jié)論

本文研究的新型礦用錨索（桿）靜態(tài)電阻應(yīng)變儀作為一種數(shù)據(jù)采集儀表，巧妙運(yùn)用平衡電橋與電子開關(guān)切換技術(shù)，實現(xiàn)了錨索（桿）多通道應(yīng)變計數(shù)據(jù)采集功能，并且降低了電源功耗，提高了測量精度，有助于改善和提高煤礦巷道的安全狀況。

［1］ 王書平，宋雅靜，王 惠．礦用智能錨桿測量儀設(shè)計［J］．煤礦機(jī)械，2007（5）:28－30．

［2］ 鐘 立，王深茂．一種基于單片機(jī)控制的智能型應(yīng)變儀設(shè)計［J］．自動化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25（3）:36 －38．

［3］ 伊福炎．電阻應(yīng)變計技術(shù)六十年（6）:應(yīng)變信號的傳遞、測量和貯存技術(shù)的進(jìn)展［J］．傳感器技術(shù)，1999，18（8）:12 －17．

［4］ 晏 紅．長期應(yīng)變測試中電阻應(yīng)變儀測量電橋的研究［J］．現(xiàn)代儀器，2001（3）:18－20．

［5］ 王曉軍，孫 倩，張鳳龍，等．基于ATMega16L礦用錨桿靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的研究［J］．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，30（2）:288 －291．

［6］ 童詩白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京:高等教育出版社，2001:347 －354．

［7］ 王國偉，郭鳳儀，吳志剛．一種礦用便攜式錨桿靜態(tài)應(yīng)變儀的設(shè)計［J］．工礦自動化，2009（7）:27－29．

［8］ 王國偉．礦用便攜式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的研究與實現(xiàn)［D］．葫蘆島:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2009:52－58．