礦用應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型應(yīng)力傳感器，采用MSP430單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，在應(yīng)力傳感器中加入了電子羅盤(pán)，可求出傳感器安裝時(shí)的方位角。利用地應(yīng)力計(jì)算公式，可確定煤層中或巖石中應(yīng)力值狀態(tài)。多個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力傳感器可以通過(guò)RS-485進(jìn)行連接，組成分布式應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)礦井中的次生應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明應(yīng)力傳感器安裝方便，測(cè)量精度高，完全滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求。
關(guān)鍵詞：傳感器；地應(yīng)力；串口通信

1 引言
礦井中的高應(yīng)力環(huán)境會(huì)導(dǎo)致許多工程地質(zhì)災(zāi)害。在開(kāi)采過(guò)程中，若能及時(shí)了解煤層頂?shù)装鍛?yīng)力的變化情況，并采取相應(yīng)措施，即可預(yù)防很多災(zāi)害的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。對(duì)于煤層頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)量，在我國(guó)還沒(méi)有成熟的傳感器，更沒(méi)有類似于煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。研制適合礦井頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的傳感器是建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳感器的原理、可靠性、精度、實(shí)用性是研究的主要內(nèi)容。

2 應(yīng)力測(cè)量原理
在傳統(tǒng)應(yīng)力測(cè)量中，均通過(guò)求出平面上3個(gè)不同方向的應(yīng)變分量εA，εB和εC，它們與x軸的夾角為θA，θB和θC，利用巖石彈性模量，在x和y方向上的應(yīng)變分量εx，εy和γxy可由公式求出。
根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可求出平面上的應(yīng)力狀態(tài)。該測(cè)量方法精度較差，且應(yīng)力傳感器安裝不方便，方位角誤差較大。為計(jì)算方便，使A，B，C3個(gè)測(cè)力點(diǎn)相隔120°。在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)A，B，C3點(diǎn)的應(yīng)力值分別為σA，σB和σC，σA與x軸的夾角為零。由式(1)可求出x和y方向上的應(yīng)力分量σx，σy和γxy，然后通過(guò)式(2)求出最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及各自在平面上的方位角。

應(yīng)力傳感器必須能確定A，B，C的方位角，對(duì)于煤層頂?shù)装鍎?dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)量，采用打觀測(cè)鉆孔，A，B，C 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的方向?qū)⑹且粋€(gè)隨機(jī)數(shù)，即每次安裝的方位角都不同，要想確定測(cè)點(diǎn)的方位角，就要采用定向傳感器，采用一個(gè)單軸和一個(gè)雙軸磁阻傳感器共同搭建一個(gè)三軸的磁阻傳感器，分別測(cè)量z軸，x軸和y軸的磁場(chǎng)分量，通過(guò)計(jì)算可得A，B，C 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的方位角。
通過(guò)加速度計(jì)感知重力加速度在x，y軸上的分量而測(cè)得俯仰角φ和翻滾角θ，并結(jié)合z軸磁阻傳感器所測(cè)量到的磁場(chǎng)分量。根據(jù)矢量三角形，可得折算到地球坐標(biāo)系下磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

求出分量后，可得到傳感器方位角，β∈[0，180°]，但傳感器方位角用0～360°的范圍表示，由式(3)和β計(jì)算式及對(duì)羅盤(pán)坐標(biāo)系和水平坐標(biāo)系變換的分析，各坐標(biāo)軸和不同象限內(nèi)β的值分別為：

根據(jù)以上公式可確定傳感器方位角。