新型礦用便攜式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的研制*

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)，及時監(jiān)測其數(shù)值的變化對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，同時還需要鋪設(shè)信號電纜等來進行數(shù)據(jù)傳輸，這對于開采速度較快或分叉巷道多的礦井來說，這就大大降低了巷道開采的效率，增加了開采的成本［1～3］。

本文研制的新型礦用便攜式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀集信號的采集、放大、處理分析、顯示及上位機LabVIEW處理于一體。該應(yīng)變儀以ATmega16L單片機為基礎(chǔ)，配有液晶顯示與SD卡存儲，可方便地與PC機相連對測量數(shù)據(jù)作進一步分析處理。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，測量更準(zhǔn)確。

1 應(yīng)變測量的原理

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，該材料會發(fā)生機械變形，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)變計粘貼于被測材料上，則被測材料受外界作用所產(chǎn)生的應(yīng)變就會傳送到應(yīng)變計上，從而使應(yīng)變計的阻值發(fā)生變化;通過測量阻值的變化量，就可以反映出外界作用力的大小［2，4］。

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

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 整體硬件設(shè)計

應(yīng)變儀硬件系統(tǒng)主要包括本安電源、傳感器信號采集電路、通道切換及信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、SD存儲、時鐘電路、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

傳感器與信號采集電路用來檢測錨桿錨索受力大小，通過傳感器內(nèi)惠斯登電橋?qū)?yīng)變信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲㈦妷盒盘枺ㄟ^鍵盤電路選擇該12路模擬電壓信號的哪路經(jīng)過調(diào)理電路處理(放大、濾波、模數(shù))再傳入單片機，完成數(shù)據(jù)存儲、LCD漢顯、數(shù)字通信等功能。同時采用時鐘芯片DS1302記錄每次檢測的時間。SD卡用于存儲這些數(shù)據(jù)和信息，以便技術(shù)人員及時準(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

為了達到本質(zhì)安全電源設(shè)計的要求，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)成獨立本安電源組件，并用環(huán)氧樹脂把它們膠封在專門設(shè)計的鐵質(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)中運算放大器、ADC7315的工作電壓為 ±5 V，單片機，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，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，模塊需要有一個最小的輸出負載限制，如果實際負載小于規(guī)定的最小負載，變換器的輸出紋波可能急劇增大，效率會大大降低。因此，在輸出級并聯(lián)一只負載電阻作為最小負載。±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 信號放大電路設(shè)計

由于錨桿(錨索)傳感器輸出的信號數(shù)量級為μV，因此要求放大器能通過該微弱信號進行可靠放大同時零點漂移要小于μV級。但目前通用的A/D轉(zhuǎn)換芯片一般要求輸入信號在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級信號放大至100μV，即每個微應(yīng)變με對應(yīng)0.1mV。由此可計算出放大增益為

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。信號放大電路如圖3。

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

2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

靜態(tài)應(yīng)變儀測量的是緩慢變化的應(yīng)變(壓力)信號，對精度要求很高而對轉(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，自動判斷信號極性，保證零讀數(shù)附近極性準(zhǔn)確，是一種性價比較高的高精度A/D芯片。

使用A/D轉(zhuǎn)換器時，通過改變ICL7315的Vref可以改變輸入的測量范圍(0～Vref)。在實際應(yīng)用時，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)，此時基準(zhǔn)電壓源應(yīng)選擇1/2滿量程電壓，即+1 V，對于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端接到單片機的PD6上，加上極性端POL以及時鐘信號，ICL7135只占用3個單片機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

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

由此可得

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機軟件設(shè)計

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

本系統(tǒng)軟件使用模塊化設(shè)計，軟件程序采用C語言編寫。程序主要包括程序初始化模塊、通道切換模塊、信號采集模塊、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 上位機軟件設(shè)計

上位機數(shù)據(jù)分析界面主要是對應(yīng)變儀在井下所采集信號的收集和分析，界面要導(dǎo)入每一次測量中不同位置錨桿所采樣的信號，同時保留以往歷史數(shù)據(jù)進行應(yīng)力變化趨勢的分析。主要是對采樣時間和采樣時錨桿各段的應(yīng)力情況進行顯示與記錄。

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

4 模擬實驗與實驗結(jié)果

本文采用HL-HB小型稱重傳感器與砝碼模擬測力錨桿在礦井巷道支護中的受力情況，實驗室擬現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗室模擬現(xiàn)場實驗數(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)確測量巷道巖層的受力情況，達到了判斷支護體是否需要加固和頂板是否穩(wěn)定的功能，靈活運用了ATmega16L與ICL7135的三線制接法，采用輸入捕捉功能讀取數(shù)值，節(jié)省了單片機的I/O資源，減小了儀表的體積和成本;獨立的本安電源設(shè)計和SD卡的使用使該儀表特別適合在開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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