礦用圍巖應力計的設計與實驗

孫世嶺

摘 要：為了有效監測煤體內應力變化情況，解決現有機械式圍巖應力計無法實時監測上傳、電阻應變式圍巖應力計因自身被動受力的結構設計長期不能真實反映圍巖應力的變化情況的安全隱患問題，設計了一種采用主動承壓式結構和壓電電阻檢測原理的圍巖應力計。詳細介紹了降壓轉換電路、遙控接收電路、油囊組件及元件信號處理電路、數碼管顯示電路、報警電路、RS485通訊接口電路六部分硬件電路方案，各部分電路關鍵元器件選型，以及應力計的軟件流程。實驗室測試結果表明，應力計具有功耗低、檢測精度高的特點。

關鍵詞：礦用; 圍巖應力計; 壓電電阻; 主動承壓;差分放大; 遙控接收

中圖分類號：TP326????? 文獻標識碼：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

我國煤礦以井工煤礦為主，開采條件非常復雜，隨著開采深度的增加，瓦斯、水害、自燃、頂板、沖擊地壓等災害越來越嚴重，其中頂板事故是傷亡人數最多的災害之一。巷道掘進和工作面回采等煤礦開采活動，破壞了巷道圍巖原始應力的平衡狀態[1-2]，引起巖體內部的應力重新分布，進而誘發沖擊地壓、頂板失衡、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害[3-4]。山東、安徽等地很多煤礦采深超過了1000 m，加強煤礦沖擊地壓防治工作，有效防范沖擊地壓事故，對煤礦安全生產具有十分重要的意義[5]。圍巖應力計是一種用于煤礦圍巖內部的應力監測的儀表。早期普遍采用單點安裝的機械式應力儀表用于圍巖內部應力監測[6-7]，然而機械式儀表無法實時在線監測，逐步被有線傳輸的圍巖應力計取代。但是目前圍巖應力計普遍采用被動式的基于電阻應變檢測原理的測力體，而安裝時的鉆孔大于應力計測力體直徑[8]，導致應力計測量的圍巖應力數據長期為零，無法真實、可靠地反映煤巖內部變化情況，頂板安全存在隱患[9]。為解決這個問題，設計了一種具有主動承壓式測力體結構的礦用圍巖應力計[10]，應力計采用RS485總線進行數據傳輸，測力體內設計有高精度壓電電阻敏感元件，應力計監測數據變化趨勢真實可靠、實用性強等特點[11]，實現了巷道圍巖內部的應力高精度實時監測和超限報警，對于預防沖擊地壓、科學評價煤柱支護質量具有重要意義。

1 應力計總體設計

圍巖應力計原理圖如圖1所示，原理圖由多個功能電路單元組成，主要包括降壓轉換電路、數碼管顯示電路、遙控接收電路、信號處理電路、聲光報警電路、RS485通訊電路以及油囊及應力元件組件七部分組成，應力計原理圖如圖1所示。

應力計采用美國Microchip研發的低成本8 位高級模擬閃存微控制器，型號為PIC16LF1788，該控制器采用XLP的超低功耗管理內核，在1.8 V工作電壓下，內核工作電流低至32 μA/MHz，微控制器采用內置8MHz晶振作為系統時鐘，此時外設模塊正常運行狀態下工作電流僅為1.54 mA，滿足應力計低功耗應用要求。微控制器具有12-bit完全差分模數轉換模塊，高達75 ksps轉換速率，且有11路單端模擬輸入通道，完全滿足圍巖應力信號模擬信號A/D轉換的需要。微控制器具有25個I/O引腳，完全滿足應力計控制、顯示等硬件設計需要。微控制器數據EEPROM大小為256 bytes ，程序存儲FLASH為16 kW，用于保存用戶設置的零點、靈敏度系數、報警點、通訊地址等信息。微控制器具有1路EUSART通信模塊，通過TTL電平與主板RS485芯片交互數據，實現與上級分站的參數設置與圍巖應力監測數據上傳。

2 硬件設計

2.1 降壓轉換電路

應力計采用礦用本安電源供電，輸出電壓為24.5 V，經過一定距離線纜傳輸后應力計獲得的電壓為9～24.5 V，因此主板采用DC-DC同步降壓開關電路將9～24.5 V直流電壓轉換為適合芯片及應力元件工作的適配電壓。

開關電源采用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。芯片內部集成33 ms軟啟動電路及同步整流電路，當輸出電流為20 mA時，轉換效率可達75%以上。芯片采用SOT-23-6小型封裝，非常適合低功耗、體積緊湊的設計應用，降壓轉換電路如圖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%，通過反饋電阻R2和R5構成輸出電壓反饋電路，設計輸出電壓為3.3 V，為數碼管、遙控接收器件等供電。芯片靜態電流80 μA，滿足電路輕載高效設計要求。

微控制器工作電壓為3.0 V，應力檢測元件的工作電壓也為3.0 V，因此采用低壓差LDO芯片進行電壓轉換供電，LDO電壓轉換電路如圖3所示。

TLV70730DQNR芯片將開關電源電壓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，而應力計額定工作電流為20 mA，芯片選型滿足設計需要。

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范圍內非接觸式設置信息。遙控接收器件選用型號CRM-383的紅外接收頭，正常工作時平均電流為1.5 mA，具有工作電流小、遙控距離遠、靈敏度高、抗干擾能力強、絕緣性好的特點，設計用來接受用戶對應力計的非接觸遙控命令，遙控接收電路如圖4所示。

2.3 油囊組件及元件信號處理電路設計

應力計采用主動承壓式應力測量結構設計，如圖5所示，油囊組件由承壓油囊、金屬油管、止回閥和應力元件測量結構組成。應力計安裝時，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。此時因油囊與煤柱孔壁間沒有緊密接觸，因此在相當長一段時間無法準確測量圍巖應力。設計的應力計在安裝完畢后，利用手動油泵通過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，實現主動承壓測量。然后去掉手動油泵，止回閥使液壓油不會回流，實現保壓作用。應力元件一直與油管、承壓油囊均壓聯通，當煤柱巖體應力增大時，承壓油囊壓縮，油囊內油壓上升，應力元件測量值增大。

應力元件作為測力敏感檢測元件，采用壓電電阻檢測原理，其阻值為2 K，量程為0～25 MPa。采用高精度運放芯片設計差分信號放大電路，運放采用TI公司具有超低失調電壓的雙路運放芯片OPA2330，將應力元件3.0 V工作電壓下滿量程180 mV的輸出電壓信號，差分放大后輸入到微控制器模擬采樣引腳進行A/D轉換，具體電路如圖6所示。

在圖6中，圍巖應力元件等效電路為四片壓電電阻部件構成的惠更斯電橋，當隨著受力變化就會在S+和S-間產生mV級的微弱電壓差。微弱電壓信號經過R3、R6、R7、R1和OPA2330芯片構成的差分放大電路后放大為0～1.8 V的電壓信號，經微控制器A/D轉換后得到0～4096數字量，然后根據計算函數得出應力計的圍巖應力檢測值。

2.4 數碼管顯示電路

圍巖應力計具有4位共陽極數碼管，采用動態掃描機制，第一位為功能顯示位，后三位為顯示數值，每位數碼管點亮時工作電流為1.2 mA左右。顯示電路采用四個三極管控制每位數碼管的供電，實現每位的依次點亮顯示，而8位控制字符顯示內容的引腳由單片機串聯電阻直接控制驅動。

2.5 報警電路設計

應力計采用聲強達80 db 的有源蜂鳴器作為聲音報警信號源，光報警信號采用并聯高亮紅光二極管，經測試黑暗環境下20 m外可見。當鉆孔應力數值超過預設危險報警值時，蜂鳴器和發光二極管進行聲光報警，工作電流約為22 mA，常態下應力計報警電路不工作。

2.6 RS485通訊接口電路設計

圍巖應力計作為頂板安全系統中測量圍巖內應力、預防沖擊地壓的主要監測設備之一，一般在一段區域內間隔5米密集布點安裝以獲得煤體內應力分布數據。為降低現場施工難度，節約電纜用量，多個應力計通過RS485總線與KJ693-F1分站構成一主多從網絡結構進行參數設置和檢測值數據上傳。應力計采用美國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，內部集成TVS總線輸出端口保護設計，保護等級達到16 kV。THVD1419芯片與單片機采用UART接口，通訊速率為2400 bps，理論節點數量可以達到128個，滿足圍巖應力計分布式安裝監測。

3 軟件設計

圍巖應力計的程序使用MPLAB X IDE v5.20編譯環境，編程語言為C語言，main函數程序執行順序首先是進行微控制器內部晶振配置字初始化，I/O口初始化及UART、 A/D等功能外設配置，然后讀取內部EEPROM內參數信息，配置應力計零點值、線性精度系數、報警點、通訊地址等信息。程序主循環主要是周期性進行應力信號的A/D采樣與計算、報警判斷，以及響應UART中斷，回復分站數據查詢命令，具體流程圖如圖7所示。

4 實驗分析

按照應力計硬件電路設計方案及軟件程序流程完成了電路及程序設計，加工了應力計樣機，如圖8所示。對應力計工作電壓、工作電流、測量誤差等基本性能指標進行測試，測試結果如表1所示。

本安電源輸出參數為24.5 V/470 mA，而圍巖應力計整機功耗約為0.25 W，經測算滿足一臺本安電源帶載8臺圍巖應力計的應用要求，應力計最大絕對誤差為0.5 MPa，相對誤差為2.0%F.S。

5 結 論

圍巖應力計是頂板安全監測領域的重要設備之一，是評價巷道預留煤柱寬度科學性及預防沖擊地壓的主要傳感設備，對指導煤礦開采具有重要意義。根據以上應力計原理方案制作了應力計樣機，并進行了實驗。在實驗室條件下測試結果表明，應力計功耗為0.25 W，基本誤差為2% F.S，滿足設計要求。下一步將委托有資質的檢驗機構進行煤礦安全標志及防爆證認證測試，在煤礦推廣應用。

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