郭鳳儀，張鳳龍，姜麗麗，張繼華

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

0 引言

煤礦頂板壓力是衡量煤礦安全的重要參數(shù)，及時(shí)監(jiān)測(cè)其數(shù)值的變化對(duì)保證礦山的人身和生產(chǎn)安全均具有重要意義。目前井下使用的礦用應(yīng)變儀通常為固定式，但這種應(yīng)變儀安裝復(fù)雜，需要專門配備本安電源給傳感器和應(yīng)變儀供電，同時(shí)還需要鋪設(shè)信號(hào)電纜等來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這對(duì)于開(kāi)采速度較快或分叉巷道多的礦井來(lái)說(shuō)，這就大大降低了巷道開(kāi)采的效率，增加了開(kāi)采的成本［1～3］。

本文研制的新型礦用便攜式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀集信號(hào)的采集、放大、處理分析、顯示及上位機(jī)LabVIEW處理于一體。該應(yīng)變儀以ATmega16L單片機(jī)為基礎(chǔ)，配有液晶顯示與SD卡存儲(chǔ)，可方便地與PC機(jī)相連對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析處理。該儀表采用本安電源供電，在復(fù)雜的礦井環(huán)境下，工作更安全穩(wěn)定，測(cè)量更準(zhǔn)確。

1 應(yīng)變測(cè)量的原理

當(dāng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料受到外界作用力(拉伸或壓縮)時(shí)，該材料會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，其阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。依據(jù)這種效應(yīng)制成的應(yīng)變計(jì)粘貼于被測(cè)材料上，則被測(cè)材料受外界作用所產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)傳送到應(yīng)變計(jì)上，從而使應(yīng)變計(jì)的阻值發(fā)生變化;通過(guò)測(cè)量阻值的變化量，就可以反映出外界作用力的大?。?，4］。

應(yīng)變測(cè)量時(shí)，將一定阻值的電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在待測(cè)試件處，當(dāng)試件受到外力作用產(chǎn)生變形，應(yīng)變計(jì)阻值將發(fā)生變化，在一定范圍內(nèi)，應(yīng)變計(jì)電阻的相對(duì)變化量ΔR/R與試件相對(duì)變化量(即應(yīng)變?chǔ)?呈線性關(guān)系，即有

應(yīng)變測(cè)量的基本原理就是利用上述的應(yīng)變效應(yīng)，通過(guò)惠斯登電橋完成應(yīng)變/電測(cè)的轉(zhuǎn)換，然后利用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采集測(cè)量和放大，最后顯示出應(yīng)變值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)變儀硬件系統(tǒng)主要包括本安電源、傳感器信號(hào)采集電路、通道切換及信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、SD存儲(chǔ)、時(shí)鐘電路、LCD顯示電路等，具體硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig 1 Hardware block diagram of the systerm

傳感器與信號(hào)采集電路用來(lái)檢測(cè)錨桿錨索受力大小，通過(guò)傳感器內(nèi)惠斯登電橋?qū)?yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槲㈦妷盒盘?hào)，通過(guò)鍵盤電路選擇該12路模擬電壓信號(hào)的哪路經(jīng)過(guò)調(diào)理電路處理(放大、濾波、模數(shù))再傳入單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LCD漢顯、數(shù)字通信等功能。同時(shí)采用時(shí)鐘芯片DS1302記錄每次檢測(cè)的時(shí)間。SD卡用于存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)和信息，以便技術(shù)人員及時(shí)準(zhǔn)確地分析各處頂板的受壓和變化情況，以減少井下巷道塌方，保證井下人員的安全。

2.2 本安電源設(shè)計(jì)

為了達(dá)到本質(zhì)安全電源設(shè)計(jì)的要求，本文選用SONY公司的鋰電池(3.6 V，2 300 mAh)兩節(jié)與金屬電阻器(2Ω，50 W)串聯(lián)構(gòu)成獨(dú)立本安電源組件，并用環(huán)氧樹(shù)脂把它們膠封在專門設(shè)計(jì)的鐵質(zhì)外殼內(nèi)，鐵質(zhì)外殼內(nèi)部絕緣。

該應(yīng)變儀硬件系統(tǒng)中運(yùn)算放大器、ADC7315的工作電壓為 ±5 V，單片機(jī)，SD，LCD的工作電壓為+3.3 V，傳感器的基準(zhǔn)供電電壓為±1.2 V，所以，要提供不同電壓等級(jí)的直流工作電源。電源變換原理框圖如圖2。

WRA0505ZP—6W電源模塊產(chǎn)生±5 V，可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，具有輸入電壓范圍寬、電壓穩(wěn)定、體積小、變壓器隔離、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)部控制方式為脈寬調(diào)制，使用這種模塊電源需要注意的是，模塊需要有一個(gè)最小的輸出負(fù)載限制，如果實(shí)際負(fù)載小于規(guī)定的最小負(fù)載，變換器的輸出紋波可能急劇增大，效率會(huì)大大降低。因此，在輸出級(jí)并聯(lián)一只負(fù)載電阻作為最小負(fù)載。±1.2，+3.3V 分別采用LM385—1.2 和LM1117—3.3 降壓穩(wěn)壓后取得。

圖2 系統(tǒng)電源變換框圖Fig 2 Power conversion block diagram of the systerm

2.3 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

由于錨桿(錨索)傳感器輸出的信號(hào)數(shù)量級(jí)為μV，因此要求放大器能通過(guò)該微弱信號(hào)進(jìn)行可靠放大同時(shí)零點(diǎn)漂移要小于μV級(jí)。但目前通用的A/D轉(zhuǎn)換芯片一般要求輸入信號(hào)在100μV(0.1 mV)以上才可正常工作，綜合考慮上述幾種因素，放大倍數(shù)設(shè)置為100，將采集到的μV級(jí)信號(hào)放大至100μV，即每個(gè)微應(yīng)變?chǔ)苔艑?duì)應(yīng)0.1mV。由此可計(jì)算出放大增益為

可得

精密儀表放大器AD8221可以采用單電源或雙電源供電，通過(guò)單一電阻器可在1～1000范圍內(nèi)設(shè)置增益，本系統(tǒng)采用±5 V電壓給AD8221供電。信號(hào)放大電路如圖3。

圖3 信號(hào)放大電路(帶RFI濾波)Fig 3 Signal amplification circuit with RFI filtering

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量的是緩慢變化的應(yīng)變(壓力)信號(hào)，對(duì)精度要求很高而對(duì)轉(zhuǎn)換速度要求不高。本文采用ICL713514位雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片，其具有自校零功能和精確的差分輸入電路，自動(dòng)判斷信號(hào)極性，保證零讀數(shù)附近極性準(zhǔn)確，是一種性價(jià)比較高的高精度A/D芯片。

使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，通過(guò)改變ICL7315的Vref可以改變輸入的測(cè)量范圍(0～Vref)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常把輸入電壓接為最大，為+2～－2 V(±2 000字范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換精度為±1字)，此時(shí)基準(zhǔn)電壓源應(yīng)選擇1/2滿量程電壓，即+1 V，對(duì)于2 V的滿量程，采用14位A/D轉(zhuǎn)換器可算得分辨率為

本儀表選擇基準(zhǔn)電壓為+1 V。將ICL7135的BUSY端接到單片機(jī)的PD6上，加上極性端POL以及時(shí)鐘信號(hào)，ICL7135只占用3個(gè)單片機(jī)I/O口，大大節(jié)省了儀表功耗，ICL7135與ATmega16L接法如圖4所示。

圖4 ICL7135與ATmega16L接法Fig 4 Connection method between ICL7135 and ATmega16L

ICL7135的INT端和BUSY端的時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 INT端和BUSY端的輸出波形圖Fig 5 Output waveform of INT and BUSY

檢測(cè)出BUSY為高電平的時(shí)間(或計(jì)數(shù)值)，再減去模擬輸入積分階段(10001T)，即得到基準(zhǔn)電壓反積分的時(shí)間或計(jì)數(shù)值。模擬輸入積分與基準(zhǔn)電壓反積分的時(shí)間之和設(shè)為N，則

由此可得

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

ATMEL系列單片機(jī)采用軍工產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)范，可在極其苛刻的環(huán)境下使用，帶負(fù)載能力強(qiáng)，抗干擾性好。

本系統(tǒng)軟件使用模塊化設(shè)計(jì)，軟件程序采用C語(yǔ)言編寫。程序主要包括程序初始化模塊、通道切換模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、LCD顯示模塊等，其中數(shù)據(jù)采集模塊流程圖如圖6所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)數(shù)據(jù)分析界面主要是對(duì)應(yīng)變儀在井下所采集信號(hào)的收集和分析，界面要導(dǎo)入每一次測(cè)量中不同位置錨桿所采樣的信號(hào)，同時(shí)保留以往歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力變化趨勢(shì)的分析。主要是對(duì)采樣時(shí)間和采樣時(shí)錨桿各段的應(yīng)力情況進(jìn)行顯示與記錄。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig 6 Flow chart of data acquisition process

4 模擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用HL-HB小型稱重傳感器與砝碼模擬測(cè)力錨桿在礦井巷道支護(hù)中的受力情況，實(shí)驗(yàn)室擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental data of lab simulation field

5 結(jié)論

本文研制的新型礦用便攜式錨桿靜態(tài)電阻應(yīng)變儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量巷道巖層的受力情況，達(dá)到了判斷支護(hù)體是否需要加固和頂板是否穩(wěn)定的功能，靈活運(yùn)用了ATmega16L與ICL7135的三線制接法，采用輸入捕捉功能讀取數(shù)值，節(jié)省了單片機(jī)的I/O資源，減小了儀表的體積和成本;獨(dú)立的本安電源設(shè)計(jì)和SD卡的使用使該儀表特別適合在開(kāi)采速度快或較快廢棄的分支巷道中使用，很大程度上提高煤礦的生產(chǎn)效率。

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