礦用圍巖應(yīng)力計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

孫世嶺

摘 要：為了有效監(jiān)測(cè)煤體內(nèi)應(yīng)力變化情況，解決現(xiàn)有機(jī)械式圍巖應(yīng)力計(jì)無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上傳、電阻應(yīng)變式圍巖應(yīng)力計(jì)因自身被動(dòng)受力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)長(zhǎng)期不能真實(shí)反映圍巖應(yīng)力的變化情況的安全隱患問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種采用主動(dòng)承壓式結(jié)構(gòu)和壓電電阻檢測(cè)原理的圍巖應(yīng)力計(jì)。詳細(xì)介紹了降壓轉(zhuǎn)換電路、遙控接收電路、油囊組件及元件信號(hào)處理電路、數(shù)碼管顯示電路、報(bào)警電路、RS485通訊接口電路六部分硬件電路方案，各部分電路關(guān)鍵元器件選型，以及應(yīng)力計(jì)的軟件流程。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)力計(jì)具有功耗低、檢測(cè)精度高的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：礦用; 圍巖應(yīng)力計(jì); 壓電電阻; 主動(dòng)承壓;差分放大; 遙控接收

中圖分類號(hào)：TP326????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design and Test of Stress Meter for Mine Surrounding Rock

SUN Shi-ling1，2

（1. China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039， China;

2. State Key Laboratory of The Gas Disaster Detecting， Preventing and Emergency Controlling， Chongqing 400039， China）

Abstract：In order to effectively monitor the change of the stress in the coal body， solve the problem that the existing mechanical stress meter can't real-time monitor the upload and the resistance strain type stress sensor can't truly reflect the change of the stress in the surrounding rock for a long time because of the structure design of its own passive stress， and design a kind of active pressure type structure and piezoelectric resistance detection principle of the stress meter in the surrounding rock. This paper introduces in detail six parts of hardware circuit scheme， including step-down conversion circuit， remote control receiving circuit， oil bag component and component signal processing circuit， nixie tube display circuit， alarm circuit， RS485 communication interface circuit， the selection of key components of each part of the circuit， and the software flow of the stress meter. The experimental results show that the stress meter has the characteristics of low power consumption and high detection accuracy.

Key words：mining; surrounding rock stress meter; piezoelectric resistance; active pressure; differential amplification; remote control receiving

我國(guó)煤礦以井工煤礦為主，開采條件非常復(fù)雜，隨著開采深度的增加，瓦斯、水害、自燃、頂板、沖擊地壓等災(zāi)害越來(lái)越嚴(yán)重，其中頂板事故是傷亡人數(shù)最多的災(zāi)害之一。巷道掘進(jìn)和工作面回采等煤礦開采活動(dòng)，破壞了巷道圍巖原始應(yīng)力的平衡狀態(tài)[1-2]，引起巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，進(jìn)而誘發(fā)沖擊地壓、頂板失衡、煤與瓦斯突出等煤巖動(dòng)力災(zāi)害[3-4]。山東、安徽等地很多煤礦采深超過(guò)了1000 m，加強(qiáng)煤礦沖擊地壓防治工作，有效防范沖擊地壓事故，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義[5]。圍巖應(yīng)力計(jì)是一種用于煤礦圍巖內(nèi)部的應(yīng)力監(jiān)測(cè)的儀表。早期普遍采用單點(diǎn)安裝的機(jī)械式應(yīng)力儀表用于圍巖內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)[6-7]，然而機(jī)械式儀表無(wú)法實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，逐步被有線傳輸?shù)膰鷰r應(yīng)力計(jì)取代。但是目前圍巖應(yīng)力計(jì)普遍采用被動(dòng)式的基于電阻應(yīng)變檢測(cè)原理的測(cè)力體，而安裝時(shí)的鉆孔大于應(yīng)力計(jì)測(cè)力體直徑[8]，導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)測(cè)量的圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)長(zhǎng)期為零，無(wú)法真實(shí)、可靠地反映煤巖內(nèi)部變化情況，頂板安全存在隱患[9]。為解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種具有主動(dòng)承壓式測(cè)力體結(jié)構(gòu)的礦用圍巖應(yīng)力計(jì)[10]，應(yīng)力計(jì)采用RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)力體內(nèi)設(shè)計(jì)有高精度壓電電阻敏感元件，應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)真實(shí)可靠、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)[11]，實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖內(nèi)部的應(yīng)力高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和超限報(bào)警，對(duì)于預(yù)防沖擊地壓、科學(xué)評(píng)價(jià)煤柱支護(hù)質(zhì)量具有重要意義。

1 應(yīng)力計(jì)總體設(shè)計(jì)

圍巖應(yīng)力計(jì)原理圖如圖1所示，原理圖由多個(gè)功能電路單元組成，主要包括降壓轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼管顯示電路、遙控接收電路、信號(hào)處理電路、聲光報(bào)警電路、RS485通訊電路以及油囊及應(yīng)力元件組件七部分組成，應(yīng)力計(jì)原理圖如圖1所示。

應(yīng)力計(jì)采用美國(guó)Microchip研發(fā)的低成本8 位高級(jí)模擬閃存微控制器，型號(hào)為PIC16LF1788，該控制器采用XLP的超低功耗管理內(nèi)核，在1.8 V工作電壓下，內(nèi)核工作電流低至32 μA/MHz，微控制器采用內(nèi)置8MHz晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘，此時(shí)外設(shè)模塊正常運(yùn)行狀態(tài)下工作電流僅為1.54 mA，滿足應(yīng)力計(jì)低功耗應(yīng)用要求。微控制器具有12-bit完全差分模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，高達(dá)75 ksps轉(zhuǎn)換速率，且有11路單端模擬輸入通道，完全滿足圍巖應(yīng)力信號(hào)模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換的需要。微控制器具有25個(gè)I/O引腳，完全滿足應(yīng)力計(jì)控制、顯示等硬件設(shè)計(jì)需要。微控制器數(shù)據(jù)EEPROM大小為256 bytes ，程序存儲(chǔ)FLASH為16 kW，用于保存用戶設(shè)置的零點(diǎn)、靈敏度系數(shù)、報(bào)警點(diǎn)、通訊地址等信息。微控制器具有1路EUSART通信模塊，通過(guò)TTL電平與主板RS485芯片交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與上級(jí)分站的參數(shù)設(shè)置與圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 降壓轉(zhuǎn)換電路

應(yīng)力計(jì)采用礦用本安電源供電，輸出電壓為24.5 V，經(jīng)過(guò)一定距離線纜傳輸后應(yīng)力計(jì)獲得的電壓為9～24.5 V，因此主板采用DC-DC同步降壓開關(guān)電路將9～24.5 V直流電壓轉(zhuǎn)換為適合芯片及應(yīng)力元件工作的適配電壓。

開關(guān)電源采用TI公司的TPS560430XFDBVR，該芯片輸入電壓范圍為4.0～36 V，最大輸出電流600 mA。芯片內(nèi)部集成33 ms軟啟動(dòng)電路及同步整流電路，當(dāng)輸出電流為20 mA時(shí)，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)75%以上。芯片采用SOT-23-6小型封裝，非常適合低功耗、體積緊湊的設(shè)計(jì)應(yīng)用，降壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

TPS560430XFDBVR芯片第3引腳FB處的反饋電壓為1.00 V，精度為±1.5%，通過(guò)反饋電阻R2和R5構(gòu)成輸出電壓反饋電路，設(shè)計(jì)輸出電壓為3.3 V，為數(shù)碼管、遙控接收器件等供電。芯片靜態(tài)電流80 μA，滿足電路輕載高效設(shè)計(jì)要求。

微控制器工作電壓為3.0 V，應(yīng)力檢測(cè)元件的工作電壓也為3.0 V，因此采用低壓差LDO芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換供電，LDO電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

TLV70730DQNR芯片將開關(guān)電源電壓3.3 V降為3.0 V，電壓輸出精度為±0.5%，漏電流典型值為25 μA，最大輸出電流200 mA，而應(yīng)力計(jì)額定工作電流為20 mA，芯片選型滿足設(shè)計(jì)需要。

2.2 遙控接收電路

遙控接收電路主要用于接收用戶在3 m范圍內(nèi)非接觸式設(shè)置信息。遙控接收器件選用型號(hào)CRM-383的紅外接收頭，正常工作時(shí)平均電流為1.5 mA，具有工作電流小、遙控距離遠(yuǎn)、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、絕緣性好的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)用來(lái)接受用戶對(duì)應(yīng)力計(jì)的非接觸遙控命令，遙控接收電路如圖4所示。

2.3 油囊組件及元件信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

應(yīng)力計(jì)采用主動(dòng)承壓式應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5所示，油囊組件由承壓油囊、金屬油管、止回閥和應(yīng)力元件測(cè)量結(jié)構(gòu)組成。應(yīng)力計(jì)安裝時(shí)，首先在煤柱安裝位置鉆一定深度的圓孔，將承壓油囊放入孔中，將金屬油管緩緩取直，將油囊及油管送入孔的最深處。此時(shí)因油囊與煤柱孔壁間沒有緊密接觸，因此在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量圍巖應(yīng)力。設(shè)計(jì)的應(yīng)力計(jì)在安裝完畢后，利用手動(dòng)油泵通過(guò)止回閥向金屬油管及承壓油囊注入液壓油，隨著注油量的增加，承壓油囊逐漸膨脹，油囊被鉆孔緊密包裹，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)承壓測(cè)量。然后去掉手動(dòng)油泵，止回閥使液壓油不會(huì)回流，實(shí)現(xiàn)保壓作用。應(yīng)力元件一直與油管、承壓油囊均壓聯(lián)通，當(dāng)煤柱巖體應(yīng)力增大時(shí)，承壓油囊壓縮，油囊內(nèi)油壓上升，應(yīng)力元件測(cè)量值增大。

應(yīng)力元件作為測(cè)力敏感檢測(cè)元件，采用壓電電阻檢測(cè)原理，其阻值為2 K，量程為0～25 MPa。采用高精度運(yùn)放芯片設(shè)計(jì)差分信號(hào)放大電路，運(yùn)放采用TI公司具有超低失調(diào)電壓的雙路運(yùn)放芯片OPA2330，將應(yīng)力元件3.0 V工作電壓下滿量程180 mV的輸出電壓信號(hào)，差分放大后輸入到微控制器模擬采樣引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，具體電路如圖6所示。

在圖6中，圍巖應(yīng)力元件等效電路為四片壓電電阻部件構(gòu)成的惠更斯電橋，當(dāng)隨著受力變化就會(huì)在S+和S-間產(chǎn)生mV級(jí)的微弱電壓差。微弱電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)R3、R6、R7、R1和OPA2330芯片構(gòu)成的差分放大電路后放大為0～1.8 V的電壓信號(hào)，經(jīng)微控制器A/D轉(zhuǎn)換后得到0～4096數(shù)字量，然后根據(jù)計(jì)算函數(shù)得出應(yīng)力計(jì)的圍巖應(yīng)力檢測(cè)值。

2.4 數(shù)碼管顯示電路

圍巖應(yīng)力計(jì)具有4位共陽(yáng)極數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)掃描機(jī)制，第一位為功能顯示位，后三位為顯示數(shù)值，每位數(shù)碼管點(diǎn)亮?xí)r工作電流為1.2 mA左右。顯示電路采用四個(gè)三極管控制每位數(shù)碼管的供電，實(shí)現(xiàn)每位的依次點(diǎn)亮顯示，而8位控制字符顯示內(nèi)容的引腳由單片機(jī)串聯(lián)電阻直接控制驅(qū)動(dòng)。

2.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

應(yīng)力計(jì)采用聲強(qiáng)達(dá)80 db 的有源蜂鳴器作為聲音報(bào)警信號(hào)源，光報(bào)警信號(hào)采用并聯(lián)高亮紅光二極管，經(jīng)測(cè)試黑暗環(huán)境下20 m外可見。當(dāng)鉆孔應(yīng)力數(shù)值超過(guò)預(yù)設(shè)危險(xiǎn)報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警，工作電流約為22 mA，常態(tài)下應(yīng)力計(jì)報(bào)警電路不工作。

2.6 RS485通訊接口電路設(shè)計(jì)

圍巖應(yīng)力計(jì)作為頂板安全系統(tǒng)中測(cè)量圍巖內(nèi)應(yīng)力、預(yù)防沖擊地壓的主要監(jiān)測(cè)設(shè)備之一，一般在一段區(qū)域內(nèi)間隔5米密集布點(diǎn)安裝以獲得煤體內(nèi)應(yīng)力分布數(shù)據(jù)。為降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度，節(jié)約電纜用量，多個(gè)應(yīng)力計(jì)通過(guò)RS485總線與KJ693-F1分站構(gòu)成一主多從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和檢測(cè)值數(shù)據(jù)上傳。應(yīng)力計(jì)采用美國(guó)TI公司的THVD1419芯片作為RS485接口芯片。THVD1419芯片工作電壓低至3.3 V，內(nèi)部集成TVS總線輸出端口保護(hù)設(shè)計(jì)，保護(hù)等級(jí)達(dá)到16 kV。THVD1419芯片與單片機(jī)采用UART接口，通訊速率為2400 bps，理論節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以達(dá)到128個(gè)，滿足圍巖應(yīng)力計(jì)分布式安裝監(jiān)測(cè)。

3 軟件設(shè)計(jì)

圍巖應(yīng)力計(jì)的程序使用MPLAB X IDE v5.20編譯環(huán)境，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，main函數(shù)程序執(zhí)行順序首先是進(jìn)行微控制器內(nèi)部晶振配置字初始化，I/O口初始化及UART、 A/D等功能外設(shè)配置，然后讀取內(nèi)部EEPROM內(nèi)參數(shù)信息，配置應(yīng)力計(jì)零點(diǎn)值、線性精度系數(shù)、報(bào)警點(diǎn)、通訊地址等信息。程序主循環(huán)主要是周期性進(jìn)行應(yīng)力信號(hào)的A/D采樣與計(jì)算、報(bào)警判斷，以及響應(yīng)UART中斷，回復(fù)分站數(shù)據(jù)查詢命令，具體流程圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)分析

按照應(yīng)力計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)方案及軟件程序流程完成了電路及程序設(shè)計(jì)，加工了應(yīng)力計(jì)樣機(jī)，如圖8所示。對(duì)應(yīng)力計(jì)工作電壓、工作電流、測(cè)量誤差等基本性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

本安電源輸出參數(shù)為24.5 V/470 mA，而圍巖應(yīng)力計(jì)整機(jī)功耗約為0.25 W，經(jīng)測(cè)算滿足一臺(tái)本安電源帶載8臺(tái)圍巖應(yīng)力計(jì)的應(yīng)用要求，應(yīng)力計(jì)最大絕對(duì)誤差為0.5 MPa，相對(duì)誤差為2.0%F.S。

5 結(jié) 論

圍巖應(yīng)力計(jì)是頂板安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要設(shè)備之一，是評(píng)價(jià)巷道預(yù)留煤柱寬度科學(xué)性及預(yù)防沖擊地壓的主要傳感設(shè)備，對(duì)指導(dǎo)煤礦開采具有重要意義。根據(jù)以上應(yīng)力計(jì)原理方案制作了應(yīng)力計(jì)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)力計(jì)功耗為0.25 W，基本誤差為2% F.S，滿足設(shè)計(jì)要求。下一步將委托有資質(zhì)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行煤礦安全標(biāo)志及防爆證認(rèn)證測(cè)試，在煤礦推廣應(yīng)用。

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