礦用應力傳感器設計與實(shí)現

系統中用到的電源有+5 V，+3．3 V，+2．5 V和-2．5 V，MSP430單片機的工作電壓為+3．3 V，放大電路工作電壓為+2．5 V和-2．5 V。通過(guò)同步電壓轉換器芯片MP2104和BL8503可將+5 V電壓轉換成+3．3 V和+2．5 V電壓。通過(guò)MAX660可從輸入+2．5 V電壓產(chǎn)生-2．5 V的電壓。
由于測應力傳感器轉換得到電信號幅度往往較小，因此A／D轉換時(shí)需放大傳感器信號。信號變化范圍為0～60 mV，當壓力值增加1 MPa時(shí)，其輸出量增加幾毫伏，隨著(zhù)壓力值變化，電橋輸出信號很小，即有用信號幅度絕對值很小。
單片機對數據采集時(shí)，需將3路應力和3路磁場(chǎng)值進(jìn)行A／D轉換。此處選用ADS1110芯片。
異步通信接口電路采用新型電平轉換器件MAX485E。為減少系統干擾，抑制回路產(chǎn)生的噪音，此處采用光電耦合器PC410，實(shí)現輸入地與輸出地的隔離。采用的單片機MSP430F149包含兩個(gè)USART模塊，可很方便地與MAX485E連接。
電子羅盤(pán)工作環(huán)境惡劣。外部磁場(chǎng)強度超過(guò)20 Gs時(shí)，傳感器輸出特性將發(fā)生較大改變，此處采用兩個(gè)場(chǎng)效應管，由微控制器觸發(fā)，產(chǎn)生約2 A的大電流脈沖對兩個(gè)磁阻傳感器進(jìn)行置位／復位。
軟件方面，首先對MSP430F149定時(shí)器、芯片及通訊模塊等進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入循環(huán)，根據任務(wù)控制器的不同，分別執行初始化采集通道、采集存儲數據、A／D采集數據、應力值計算、計算磁場(chǎng)值等不同任務(wù)。中斷程序用于響應事件，并對相應標志置位，然后將參數返回給主程序處理。

4 試驗及應用
采用CW-600T活塞式壓力計對傳感器進(jìn)行測試，其量程為0～60MPa，精度為0．02級，符合要求。表1中實(shí)值為利用活塞式壓力計所加壓力值，另3項為應力傳感器所測對應值。將表1測量數據代入e=max(P實(shí)際值-P測量值)／15，可求出測量誤差。

通過(guò)計算，3路應力測量誤差分別為0．27％，0．2％和0．27％，達到設計誤差小于1％的要求。同時(shí)對傳感器電子羅盤(pán)進(jìn)行測試，將傳感器固定在勻速轉臺上，將勻速轉臺旋轉一周，此時(shí)僅考慮傳感器在水平面內運動(dòng)，只考慮x，y的輸出。經(jīng)測試，傳感器方位角最大誤差為3．8°，達到了設計要求小于5°的指標，相比人工測量方法，誤差明顯降低，滿(mǎn)足實(shí)際需要。應力傳感器開(kāi)發(fā)完成后，在4個(gè)礦井進(jìn)行了長(cháng)達1年的工業(yè)性試驗，結果表明試驗數據與實(shí)際情況在理論上完全吻合。

5 結論
多項室內整體標定試驗表明，該應力傳感器在測量時(shí)穩定、可靠，分辨率達0．01 MPa，最大量程15 MPa，實(shí)測誤差小于1％。經(jīng)過(guò)在煤礦現場(chǎng)測試，傳感器可長(cháng)時(shí)間穩定運行。應力傳感器具有測量穩定、數據準確、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、安裝方便等特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值及廣闊的應用前景。