礦用應(yīng)力傳感器設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：在此設(shè)計并實現(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，可求出傳感器安裝時的方位角。利用地應(yīng)力計算公式，可確定煤層中或巖石中應(yīng)力值狀態(tài)。多個測點應(yīng)力傳感器可以通過RS-485進(jìn)行連接，組成分布式應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，可對礦井中的次生應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。經(jīng)過測試和現(xiàn)場應(yīng)用表明應(yīng)力傳感器安裝方便，測量精度高，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)境會導(dǎo)致許多工程地質(zhì)災(zāi)害。在開采過程中，若能及時了解煤層頂?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，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。對于煤層頂?shù)装鍎討B(tài)應(yīng)力的測量，在我國還沒有成熟的傳感器，更沒有類似于煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的頂?shù)装鍎討B(tài)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)。研制適合礦井頂?shù)装鍎討B(tài)應(yīng)力監(jiān)測的傳感器是建立監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳感器的原理、可靠性、精度、實用性是研究的主要內(nèi)容。

2 應(yīng)力測量原理
在傳統(tǒng)應(yīng)力測量中，均通過求出平面上3個不同方向的應(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。為計算方便，使A，B，C3個測力點相隔120°。在計算過程中，設(shè)A，B，C3點的應(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，對于煤層頂?shù)装鍎討B(tài)應(yīng)力的測量，采用打觀測鉆孔，A，B，C 3個測點的方向?qū)⑹且粋€隨機(jī)數(shù)，即每次安裝的方位角都不同，要想確定測點的方位角，就要采用定向傳感器，采用一個單軸和一個雙軸磁阻傳感器共同搭建一個三軸的磁阻傳感器，分別測量z軸，x軸和y軸的磁場分量，通過計算可得A，B，C 3個測點的方位角。
通過加速度計感知重力加速度在x，y軸上的分量而測得俯仰角φ和翻滾角θ，并結(jié)合z軸磁阻傳感器所測量到的磁場分量。根據(jù)矢量三角形，可得折算到地球坐標(biāo)系下磁場強(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計算式及對羅盤坐標(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。