矿用应力传感器设计与实现

摘要：在此设计并实现了一种新型应力传感器，采用MSP430单片机硬件结构，在应力传感器中加入了电子罗盘，可求出传感器安装时的方位角。利用地应力计算公式，可确定煤层中或岩石中应力值状态。多个测点应力传感器可以通过RS-485进行连接，组成分布式应力监测系统，可对矿井中的次生应力进行监测。经过测试和现场应用表明应力传感器安装方便，测量精度高，完全满足煤矿安全生产的需求。
关键词：传感器；地应力；串口通信

1 引言
    矿井中的高应力环境会导致许多工程地质灾害。在开采过程中，若能及时了解煤层顶底板应力的变化情况，并采取相应措施，即可预防很多灾害的发生，实现安全生产。对于煤层顶底板动态应力的测量，在我国还没有成熟的传感器，更没有类似于煤矿安全监测系统的顶底板动态应力监测系统。研制适合矿井顶底板动态应力监测的传感器是建立监测系统的关键环节，传感器的原理、可靠性、精度、实用性是研究的主要内容。

2 应力测量原理
    在传统应力测量中，均通过求出平面上3个不同方向的应变分量εA，εB和εC，它们与x轴的夹角为θA，θB和θC，利用岩石弹性模量，在x和y方向上的应变分量εx，εy和γxy可由公式求出。
    根据应力应变关系，可求出平面上的应力状态。该测量方法精度较差，且应力传感器安装不方便，方位角误差较大。为计算方便，使A，B，C3个测力点相隔120°。在计算过程中，设A，B，C3点的应力值分别为σA，σB和σC，σA与x轴的夹角为零。由式(1)可求出x和y方向上的应力分量σx，σy和γxy，然后通过式(2)求出最大主应力、最小主应力及各自在平面上的方位角。
   
    应力传感器必须能确定A，B，C的方位角，对于煤层顶底板动态应力的测量，采用打观测钻孔，A，B，C 3个测点的方向将是一个随机数，即每次安装的方位角都不同，要想确定测点的方位角，就要采用定向传感器，采用一个单轴和一个双轴磁阻传感器共同搭建一个三轴的磁阻传感器，分别测量z轴，x轴和y轴的磁场分量，通过计算可得A，B，C 3个测点的方位角。
    通过加速度计感知重力加速度在x，y轴上的分量而测得俯仰角φ和翻滚角θ，并结合z轴磁阻传感器所测量到的磁场分量。根据矢量三角形，可得折算到地球坐标系下磁场强度为：
   
    求出分量后，可得到传感器方位角，β∈[0，180°]，但传感器方位角用0～360°的范围表示，由式(3)和β计算式及对罗盘坐标系和水平坐标系变换的分析，各坐标轴和不同象限内β的值分别为：

    根据以上公式可确定传感器方位角。

3 应力传感器硬件及软件设计
    应力传感器系统结构如图1所示。单片机外围电路包括支持系统时钟的晶体振荡器和支持在线编程、调试的JTAG接口电路。

    系统中用到的电源有+5 V，+3．3 V，+2．5 V和-2．5 V，MSP430单片机的工作电压为+3．3 V，放大电路工作电压为+2．5 V和-2．5 V。通过同步电压转换器芯片MP2104和BL8503可将+5 V电压转换成+3．3 V和+2．5 V电压。通过MAX660可从输入+2．5 V电压产生-2．5 V的电压。
    由于测应力传感器转换得到电信号幅度往往较小，因此A／D转换时需放大传感器信号。信号变化范围为0～60 mV，当压力值增加1 MPa时，其输出量增加几毫伏，随着压力值变化，电桥输出信号很小，即有用信号幅度绝对值很小。
    单片机对数据采集时，需将3路应力和3路磁场值进行A／D转换。此处选用ADS1110芯片。
    异步通信接口电路采用新型电平转换器件MAX485E。为减少系统干扰，抑制回路产生的噪音，此处采用光电耦合器PC410，实现输入地与输出地的隔离。采用的单片机MSP430F149包含两个USART模块，可很方便地与MAX485E连接。
    电子罗盘工作环境恶劣。外部磁场强度超过20 Gs时，传感器输出特性将发生较大改变，此处采用两个场效应管，由微控制器触发，产生约2 A的大电流脉冲对两个磁阻传感器进行置位／复位。
    软件方面，首先对MSP430F149定时器、芯片及通讯模块等进行初始化，然后进入循环，根据任务控制器的不同，分别执行初始化采集通道、采集存储数据、A／D采集数据、应力值计算、计算磁场值等不同任务。中断程序用于响应事件，并对相应标志置位，然后将参数返回给主程序处理。

4 试验及应用
    采用CW-600T活塞式压力计对传感器进行测试，其量程为0～60MPa，精度为0．02级，符合要求。表1中实值为利用活塞式压力计所加压力值，另3项为应力传感器所测对应值。将表1测量数据代入e=max(P实际值-P测量值)／15，可求出测量误差。

    通过计算，3路应力测量误差分别为0．27％，0．2％和0．27％，达到设计误差小于1％的要求。同时对传感器电子罗盘进行测试，将传感器固定在匀速转台上，将匀速转台旋转一周，此时仅考虑传感器在水平面内运动，只考虑x，y的输出。经测试，传感器方位角最大误差为3．8°，达到了设计要求小于5°的指标，相比人工测量方法，误差明显降低，满足实际需要。应力传感器开发完成后，在4个矿井进行了长达1年的工业性试验，结果表明试验数据与实际情况在理论上完全吻合。

5 结论
    多项室内整体标定试验表明，该应力传感器在测量时稳定、可靠，分辨率达0．01 MPa，最大量程15 MPa，实测误差小于1％。经过在煤矿现场测试，传感器可长时间稳定运行。应力传感器具有测量稳定、数据准确、操作简单、价格低廉、安装方便等特点，具有较高的实用价值及广阔的应用前景。