新型矿用便携式静态电阻应变仪的研制*

郭凤仪，张凤龙，姜丽丽，张继华

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)

0 引言

煤矿顶板压力是衡量煤矿安全的重要参数，及时监测其数值的变化对保证矿山的人身和生产安全均具有重要意义。目前井下使用的矿用应变仪通常为固定式，但这种应变仪安装复杂，需要专门配备本安电源给传感器和应变仪供电，同时还需要铺设信号电缆等来进行数据传输，这对于开采速度较快或分叉巷道多的矿井来说，这就大大降低了巷道开采的效率，增加了开采的成本［1～3］。

本文研制的新型矿用便携式静态电阻应变仪集信号的采集、放大、处理分析、显示及上位机LabVIEW处理于一体。该应变仪以ATmega16L单片机为基础，配有液晶显示与SD卡存储，可方便地与PC机相连对测量数据作进一步分析处理。该仪表采用本安电源供电，在复杂的矿井环境下，工作更安全稳定，测量更准确。

1 应变测量的原理

当导体或半导体材料受到外界作用力(拉伸或压缩)时，该材料会发生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”。依据这种效应制成的应变计粘贴于被测材料上，则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变计上，从而使应变计的阻值发生变化;通过测量阻值的变化量，就可以反映出外界作用力的大小［2，4］。

应变测量时，将一定阻值的电阻应变计粘贴在待测试件处，当试件受到外力作用产生变形，应变计阻值将发生变化，在一定范围内，应变计电阻的相对变化量ΔR/R与试件相对变化量(即应变ε)呈线性关系，即有

应变测量的基本原理就是利用上述的应变效应，通过惠斯登电桥完成应变/电测的转换，然后利用信号调理电路对电信号进行采集测量和放大，最后显示出应变值。

2 系统硬件设计

2.1 整体硬件设计

应变仪硬件系统主要包括本安电源、传感器信号采集电路、通道切换及信号调理电路、A/D转换电路、SD存储、时钟电路、LCD显示电路等，具体硬件系统结构如图1。

图1 系统硬件框图Fig 1 Hardware block diagram of the systerm

传感器与信号采集电路用来检测锚杆锚索受力大小，通过传感器内惠斯登电桥将应变信号转变为微电压信号，通过键盘电路选择该12路模拟电压信号的哪路经过调理电路处理(放大、滤波、模数)再传入单片机，完成数据存储、LCD汉显、数字通信等功能。同时采用时钟芯片DS1302记录每次检测的时间。SD卡用于存储这些数据和信息，以便技术人员及时准确地分析各处顶板的受压和变化情况，以减少井下巷道塌方，保证井下人员的安全。

2.2 本安电源设计

为了达到本质安全电源设计的要求，本文选用SONY公司的锂电池(3.6 V，2 300 mAh)两节与金属电阻器(2Ω，50 W)串联构成独立本安电源组件，并用环氧树脂把它们胶封在专门设计的铁质外壳内，铁质外壳内部绝缘。

该应变仪硬件系统中运算放大器、ADC7315的工作电压为 ±5 V，单片机，SD，LCD的工作电压为+3.3 V，传感器的基准供电电压为±1.2 V，所以，要提供不同电压等级的直流工作电源。电源变换原理框图如图2。

WRA0505ZP—6W电源模块产生±5 V，可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，具有输入电压范围宽、电压稳定、体积小、变压器隔离、效率高等诸多优点，其内部控制方式为脉宽调制，使用这种模块电源需要注意的是，模块需要有一个最小的输出负载限制，如果实际负载小于规定的最小负载，变换器的输出纹波可能急剧增大，效率会大大降低。因此，在输出级并联一只负载电阻作为最小负载。±1.2，+3.3V 分别采用LM385—1.2 和LM1117—3.3 降压稳压后取得。

图2 系统电源变换框图Fig 2 Power conversion block diagram of the systerm

2.3 信号放大电路设计

由于锚杆(锚索)传感器输出的信号数量级为μV，因此要求放大器能通过该微弱信号进行可靠放大同时零点漂移要小于μV级。但目前通用的A/D转换芯片一般要求输入信号在100μV(0.1 mV)以上才可正常工作，综合考虑上述几种因素，放大倍数设置为100，将采集到的μV级信号放大至100μV，即每个微应变με对应0.1mV。由此可计算出放大增益为

可得

精密仪表放大器AD8221可以采用单电源或双电源供电，通过单一电阻器可在1～1000范围内设置增益，本系统采用±5 V电压给AD8221供电。信号放大电路如图3。

图3 信号放大电路(带RFI滤波)Fig 3 Signal amplification circuit with RFI filtering

2.4 A/D转换电路设计

静态应变仪测量的是缓慢变化的应变(压力)信号，对精度要求很高而对转换速度要求不高。本文采用ICL713514位双积分A/D转换芯片，其具有自校零功能和精确的差分输入电路，自动判断信号极性，保证零读数附近极性准确，是一种性价比较高的高精度A/D芯片。

使用A/D转换器时，通过改变ICL7315的Vref可以改变输入的测量范围(0～Vref)。在实际应用时，常把输入电压接为最大，为+2～－2 V(±2 000字范围内转换精度为±1字)，此时基准电压源应选择1/2满量程电压，即+1 V，对于2 V的满量程，采用14位A/D转换器可算得分辨率为

本仪表选择基准电压为+1 V。将ICL7135的BUSY端接到单片机的PD6上，加上极性端POL以及时钟信号，ICL7135只占用3个单片机I/O口，大大节省了仪表功耗，ICL7135与ATmega16L接法如图4所示。

图4 ICL7135与ATmega16L接法Fig 4 Connection method between ICL7135 and ATmega16L

ICL7135的INT端和BUSY端的时序图如图5所示。

图5 INT端和BUSY端的输出波形图Fig 5 Output waveform of INT and BUSY

检测出BUSY为高电平的时间(或计数值)，再减去模拟输入积分阶段(10001T)，即得到基准电压反积分的时间或计数值。模拟输入积分与基准电压反积分的时间之和设为N，则

由此可得

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

ATMEL系列单片机采用军工产品生产规范，可在极其苛刻的环境下使用，带负载能力强，抗干扰性好。

本系统软件使用模块化设计，软件程序采用C语言编写。程序主要包括程序初始化模块、通道切换模块、信号采集模块、数据处理模块、LCD显示模块等，其中数据采集模块流程图如图6所示。

3.2 上位机软件设计

上位机数据分析界面主要是对应变仪在井下所采集信号的收集和分析，界面要导入每一次测量中不同位置锚杆所采样的信号，同时保留以往历史数据进行应力变化趋势的分析。主要是对采样时间和采样时锚杆各段的应力情况进行显示与记录。

图6 数据采集流程图Fig 6 Flow chart of data acquisition process

4 模拟实验与实验结果

本文采用HL-HB小型称重传感器与砝码模拟测力锚杆在矿井巷道支护中的受力情况，实验室拟现场实验数据如表1所示。

表1 实验室模拟现场实验数据Tab 1 Experimental data of lab simulation field

5 结论

本文研制的新型矿用便携式锚杆静态电阻应变仪能够准确测量巷道岩层的受力情况，达到了判断支护体是否需要加固和顶板是否稳定的功能，灵活运用了ATmega16L与ICL7135的三线制接法，采用输入捕捉功能读取数值，节省了单片机的I/O资源，减小了仪表的体积和成本;独立的本安电源设计和SD卡的使用使该仪表特别适合在开采速度快或较快废弃的分支巷道中使用，很大程度上提高煤矿的生产效率。

［1］吴志刚.电阻应变式测力锚杆(锚杆)载荷下降的原因分析［J］.煤炭技术，2009(1):100－102.

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［3］王书平，宋雅静，王 惠.矿用智能锚杆测量仪设计［J］.煤矿机械，2007(5):28－30.

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［5］远坂俊昭.测量电子电路设计:模拟篇.从OP放大器实践电路到微弱信号的处理［M］.彭军，译.北京:科学出版社，2006.

［6］张彦兵，刘永前.一种新型便携式静态应变仪的研制［J］.仪表技术，2005(4):60－67.