礦用應力傳感器設計與實(shí)現

摘要：在此設計并實(shí)現了一種新型應力傳感器，采用MSP430單片機硬件結構，在應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。利用地應力計算公式，可確定煤層中或巖石中應力值狀態(tài)。多個(gè)測點(diǎn)應力傳感器可以通過(guò)RS-485進(jìn)行連接，組成分布式應力監測系統，可對礦井中的次生應力進(jìn)行監測。經(jīng)過(guò)測試和現場(chǎng)應用表明應力傳感器安裝方便，測量精度高，完全滿(mǎn)足煤礦安全生產(chǎn)的需求。
關(guān)鍵詞：傳感器；地應力；串口通信

1 引言
礦井中的高應力環(huán)境會(huì )導致許多工程地質(zhì)災害。在開(kāi)采過(guò)程中，若能及時(shí)了解煤層頂底板應力的變化情況，并采取相應措施，即可預防很多災害的發(fā)生，實(shí)現安全生產(chǎn)。對于煤層頂底板動(dòng)態(tài)應力的測量，在我國還沒(méi)有成熟的傳感器，更沒(méi)有類(lèi)似于煤礦安全監測系統的頂底板動(dòng)態(tài)應力監測系統。研制適合礦井頂底板動(dòng)態(tài)應力監測的傳感器是建立監測系統的關(guān)鍵環(huán)節，傳感器的原理、可靠性、精度、實(shí)用性是研究的主要內容。

2 應力測量原理
在傳統應力測量中，均通過(guò)求出平面上3個(gè)不同方向的應變分量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方向上的應變分量εx，εy和γxy可由公式求出。
根據應力應變關(guān)系，可求出平面上的應力狀態(tài)。該測量方法精度較差，且應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(gè)測力點(diǎn)相隔120°。在計算過(guò)程中，設A，B，C3點(diǎn)的應力值分別為σA，σB和σC，σA與x軸的夾角為零。由式(1)可求出x和y方向上的應力分量σx，σy和γxy，然后通過(guò)式(2)求出最大主應力、最小主應力及各自在平面上的方位角。

應力傳感器必須能確定A，B，C的方位角，對于煤層頂底板動(dòng)態(tài)應力的測量，采用打觀(guān)測鉆孔，A，B，C 3個(gè)測點(diǎn)的方向將是一個(gè)隨機數，即每次安裝的方位角都不同，要想確定測點(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，分別測量z軸，x軸和y軸的磁場(chǎng)分量，通過(guò)計算可得A，B，C 3個(gè)測點(diǎn)的方位角。
通過(guò)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，并結合z軸磁阻傳感器所測量到的磁場(chǎng)分量。根據矢量三角形，可得折算到地球坐標系下磁場(chǎng)強度為：

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(pán)坐標系和水平坐標系變換的分析，各坐標軸和不同象限內β的值分別為：

根據以上公式可確定傳感器方位角。