一種新型礦壓監(jiān)測采集儀器的設(shè)計

李盼盼,　李云波,　肖勇，　張曉宇

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 水文物探研究分院, 重慶　400039)

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一種新型礦壓監(jiān)測采集儀器的設(shè)計

李盼盼,李云波,肖勇，張曉宇

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 水文物探研究分院, 重慶400039)

根據(jù)礦井鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器的工作特點，設(shè)計了一種新型礦壓監(jiān)測采集儀器。該儀器利用自適應(yīng)反饋式掃頻激振技術(shù)，以STM32單片機(jī)為主控芯片，通過單片機(jī)輸出掃頻激振信號，激發(fā)鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器內(nèi)部鋼弦達(dá)到共振狀態(tài)，根據(jù)共振頻率可計算得到相應(yīng)的被測壓力。實驗結(jié)果表明，該儀器采集微小信號的頻率誤差不超過0.5%，能夠滿足礦井生產(chǎn)的實際要求。

礦壓監(jiān)測； 采集儀； 鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器； 自適應(yīng)反饋式掃頻激振； 共振頻率

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1011.002.html

0　引言

礦壓監(jiān)測關(guān)乎礦井生產(chǎn)的安全，巷道支柱、液壓支柱等都需要時刻監(jiān)測自身所承載的壓力。鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器由于其輸出為頻率信號，適于長距離傳輸,再加上其內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有活動器件,具有很高的可靠性和穩(wěn)定性,從而成為礦井現(xiàn)場應(yīng)用最為廣泛的壓力監(jiān)測傳感器之一[1]。但鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器需要額外的采集儀器對其內(nèi)部鋼弦進(jìn)行激振，然后采集傳感器受激振所輸出的微弱信號來達(dá)到監(jiān)測壓力的目的。為此，筆者設(shè)計了一種新型的采用自適應(yīng)反饋掃頻激振技術(shù)的礦壓監(jiān)測采集儀器，通過單片機(jī)輸出掃頻激振信號，激發(fā)鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器內(nèi)部鋼弦達(dá)到共振狀態(tài)。設(shè)計了儀器的三重信號調(diào)理電路，對傳感器的反饋信號進(jìn)行濾波、放大、整形并送至單片機(jī)計數(shù)。研制了顯示模塊和通信模塊，實現(xiàn)井下壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場顯示的同時，通過分站能夠與井上計算機(jī)實時雙向通信，達(dá)到井上、井下同時監(jiān)測的目的，大大提高了儀器的實用性和整體礦壓監(jiān)測的可靠性。實驗證明該儀器能夠滿足礦井生產(chǎn)的實際要求。

1　鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器工作原理

鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器是通過外部采集儀器對傳感器內(nèi)部鋼弦激振而使其產(chǎn)生共振，共振的弦線在磁場中作切割運動，從而在線圈中感應(yīng)出電勢，即微弱的正弦信號，感應(yīng)電勢的頻率就是鋼弦的共振頻率。由于共振頻率與弦線受到的壓力呈線性關(guān)系，所以，通過測量感應(yīng)電勢頻率就可得到相應(yīng)的被測壓力[2-3]。

2　采集儀器設(shè)計

2.1儀器基本組成

根據(jù)鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器的工作特點，設(shè)計了一種基于自適應(yīng)反饋式掃頻激振技術(shù)的礦壓監(jiān)測采集儀器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該儀器采用STM32為主控芯片，通過掃頻激振電路激發(fā)傳感器內(nèi)部鋼弦，傳感器反饋頻率信號經(jīng)過信號調(diào)理電路接入STM32，同時STM32采集現(xiàn)場溫度；STM32對接入信號進(jìn)行處理，處理得到的數(shù)據(jù)一方面直接用于現(xiàn)場顯示，一方面存儲在單片機(jī)內(nèi)，并通過RS485總線與地面計算機(jī)實現(xiàn)實時雙向通信。

圖1　礦壓監(jiān)測采集儀器基本結(jié)構(gòu)

2.2掃頻激振電路

傳感器的正常工作首先需要依靠外部采集儀器對傳感器內(nèi)部鋼弦進(jìn)行激振[4]。掃頻激振電路以連續(xù)變化的頻率信號輸出至傳感器以激勵其內(nèi)部鋼弦，當(dāng)掃頻信號的可靠輸出頻率和傳感器內(nèi)部鋼弦的固有頻率接近時，鋼弦就能夠迅速達(dá)到可靠共振狀態(tài)。現(xiàn)有此類鋼弦式壓力監(jiān)測傳感器的固有頻率范圍都在400～5 000 Hz，所以，礦壓監(jiān)測采集儀器通過軟件使單片機(jī)輸出頻率為400～5 000 Hz的方波激勵信號，經(jīng)過掃頻激振電路后激發(fā)傳感器內(nèi)部鋼弦起振，再對傳感器反饋的信號頻率脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，以判斷鋼弦是否可靠起振，一般認(rèn)為反饋脈沖大于12個即為可靠起振。如果沒有可靠起振則自動調(diào)節(jié)輸出頻率進(jìn)行重復(fù)激振，如果已可靠起振，則進(jìn)行下一步測量計算。掃頻激振電路如圖2所示。

圖2　掃頻激振電路

主控芯片STM32利用內(nèi)部的定時/計數(shù)器功能，由I/O 口輸出400～5 000 Hz頻率連續(xù)變化的方波激勵信號，然后通過2個MJD127達(dá)林頓晶體管，由24 V電源提供激振電流，末端加保護(hù)二極管，輸出至傳感器。設(shè)輸出掃頻激振信號的頻率上限為fmax，頻率下限為fmin， 相鄰頻率間增量為Δf，掃頻激振程序流程如圖3所示。

圖3　掃頻激振程序流程

上下限頻率和頻率增量都不是固定值，首先以400 Hz為下限，以 5 000 Hz為上限，100 Hz為頻率增量進(jìn)行掃頻，當(dāng)反饋脈沖大于4個時，上限頻率就變?yōu)楫?dāng)前頻率加100 Hz，下限頻率為當(dāng)前頻率減100 Hz，頻率增量變?yōu)?0 Hz，重復(fù)掃頻；當(dāng)反饋脈沖大于8個時，上限頻率就變?yōu)楫?dāng)前頻率加10 Hz，下限頻率為當(dāng)前頻率減10 Hz，頻率增量變?yōu)? Hz，重復(fù)掃頻；當(dāng)反饋脈沖大于12個時，就認(rèn)為是可靠起振。

根據(jù)反饋自適應(yīng)調(diào)節(jié)上下限頻率和頻率增量，單片機(jī)在上下限頻率范圍內(nèi)，根據(jù)頻率增量自動調(diào)節(jié)輸出的掃頻激勵信號頻率以匹配鋼弦的固有頻率，能夠大大縮短激振的時間。在鋼弦可靠起振后，由于傳感器輸出的是微伏級不規(guī)則正弦信號，須設(shè)計信號調(diào)理電路，對輸出的正弦信號進(jìn)行濾波放大、整形，得到單片機(jī)可采集的標(biāo)準(zhǔn)方波信號。

2.3信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路選用LM358運算放大器，LM358內(nèi)部包括2個獨立的雙運算放大器，本儀器中，其工作于±8 V雙電源模式下。信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4　信號調(diào)理電路

LM358運算放大器結(jié)合外圍電路構(gòu)成濾波放大電路。傳感器輸出的微小信號經(jīng)過RC帶通濾波、三級放大器放大(約40萬倍)，以及最后的調(diào)理、整形之后，變?yōu)閱纹瑱C(jī)可采集的0～3.3 V標(biāo)準(zhǔn)方波信號，直接接入單片機(jī)計數(shù)，得到共振頻率。計數(shù)運用比較成熟的等精度計數(shù)測量方法[5]，可減小誤差。

2.4供電電路

為確保儀器在井下的安全使用，供電電路需要符合本質(zhì)安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。儀器采用礦用隔爆兼本質(zhì)安全型直流穩(wěn)壓電源KDW660/12B供電，KDW660/12B輸入為AC127 V或660 V，輸出為DC12 V，額定電流輸出為1 000 mA，過壓保護(hù)值為13 V，過流保護(hù)值為1 150 mA。儀器供電電路如圖5所示。本質(zhì)安全電源輸入DC12 V通過兩級二極管與1個500 mA保險管提供對后級電路的保護(hù)，整個電路電容值小于10 μF，滿足火花實驗要求。

圖5　儀器供電電路

2.5顯示與通信電路

采集儀器采集的數(shù)據(jù)一部分用于本地數(shù)碼管顯示，一部分通過RS485與地面計算機(jī)進(jìn)行雙向?qū)崟r通信，定時向計算機(jī)傳輸當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)，隨時接收計算機(jī)的命令，提高了儀器的實用性和整體監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。RS485通信電路如圖6所示，采用隔離通信模塊，以確保本質(zhì)安全及抗干擾性能。顯示電路如圖7所示。

圖6　RS485通信電路

圖7　顯示電路

3　實驗驗證

為測試該儀器采集微小正弦信號頻率的準(zhǔn)確性，特進(jìn)行實驗驗證。

利用信號發(fā)生器模擬500～1 000 μV的微小正弦信號，在3個頻率點(P1點(1 000 Hz)、P2點(2 000 Hz)、P3點(3 000 Hz))分別進(jìn)行測試，每個點測量3次并取平均值，測量頻率見表1。從表1可以看出，測得的頻率誤差不到0.5%，驗證了該儀器的準(zhǔn)確性與可靠性。

表1　測量頻率

4　結(jié)語

基于自適應(yīng)反饋式掃頻激振技術(shù)設(shè)計的礦壓監(jiān)測采集儀器，實現(xiàn)了微小信號的高速、低噪、精確采集，能夠自動快速調(diào)節(jié)激振頻率，縮短激振時間。通過通信電路及顯示電路，該儀器既能夠在本地顯示測量數(shù)據(jù)，又支持與地面計算機(jī)實時雙向通信監(jiān)測，為井下礦壓監(jiān)測提供了一種更加可靠的方法。

[1]伍曉奎，江海朋，侯洪濤.振弦式傳感器在礦山邊坡應(yīng)力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．計算機(jī)系統(tǒng)與應(yīng)用，2012，21(1):194-197.

[2]張杰，姚劍，葉林，等．頻率測量的新方法[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2003(1):63-66．

[3]孟祥儒，李靜，陶陶，等.Quinn和Rife-Jane算法用于振弦式傳感器頻率的精確檢測[J]．?dāng)?shù)據(jù)采集與處理，2008,23(9):136-139．

[4]賀虎，王萬順，田冬成，等.振弦式傳感器激振策略優(yōu)化[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2010,23(1):74-77.

[5]高友.振弦式傳感器測量過程中干擾問題的解決[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2007(2):54-55．

Design of a new type of acquisition instrument for mine pressure monitoring

LI Panpan,LI Yunbo,XIAO Yong,ZHANG Xiaoyu

(Research Branch of Geophysical and Hydrological， CCTEG Chongqing Research Institute,Chongqing 400039, China)

According to working characteristics of steel string type pressure monitoring sensor, a new type of acquisition instrument for mine pressure monitoring was designed. The instrument uses self-adaption feedback frequency sweep vibration technology, and takes STM32 single-chip microcomputer as main control chip which outputs frequency sweep vibration signals to excite internal steel string of steel string type pressure monitoring sensor to reach resonance state, so as to get corresponding measured pressure through calculating according to the resonance frequency. The experiment results show that tiny signal frequency error of the instrument collected is no more than 0.5%, and the instrument can meet with actual needs of mine production.

mine pressure monitoring; acquisition instrument; steel string type pressure monitoring sensor; self-adaption feedback frequency sweep vibration; resonant frequency

1671-251X(2016)06-0005-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.002

2015-12-14；

2016-03-03；責(zé)任編輯：張強。

中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司自立基金項目(2013ZDXM14)。

李盼盼(1988-)，男，重慶人，實習(xí)研究員， 碩士，現(xiàn)主要從事儀器儀表的開發(fā)工作，E-mail:lpp880828@163.com。

TD326

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-06-01 10:11

李盼盼,李云波,肖勇，等.一種新型礦壓監(jiān)測采集儀器的設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(6)：5-8.