一种新型矿压监测采集仪器的设计.pdf

第 4 2卷 第 6 期 2 0 1 6 年 6月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 No ． 6 J u n．2 0 1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 6 0 0 0 5 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 0 2 李盼盼 ， 李云波 ， 肖勇 ， 等． 一种新型矿压监测采集仪器 的设计[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 6 5 - 8 ． 一 种新型矿压监测采集仪器的设计 李盼盼， 李云波 ， 肖勇， 张晓宇 中煤科 工集 团重 庆研 究 院有 限公 司 水 文物 探研 究 分 院 ， 重 庆4 0 0 0 3 9 摘 要 根 据矿 井钢 弦式压 力监 测传 感 器的 工作特 点 ， 设 计 了一 种新 型矿 压监 测 采集仪 器 。该仪 器利 用 自 适 应反馈 式 扫频 激振技 术 ， 以 S T M3 2单 片机 为 主控 芯 片， 通 过 单 片机 输 出扫 频激 振 信 号 ， 激 发 钢 弦式 压 力 监测传感器内部钢弦达到共振状态， 根据共振频率可计算得 到相应的被测压力。实验结果表 明， 该仪器采集 微 小信 号的 频率误 差 不超过 0 ． 5 ， 能够 满足矿 井生产 的 实际要 求 。 关键 词 矿压 监测 ；采集仪 ；钢 弦式 压力监 测传 感 器 ；自适 应反 馈 式扫频 激振 ；共振 频 率 中 图分 类 号 TD 3 2 6 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 6 0 1 1 0 1 1 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 6 0 1 ． 1 0 1 1 ． 0 0 2 ． h t ml De s i g n o f a ne w t y pe o f a c q ui s i t i o n i ns t r u me nt f o r mi ne p r e s s ur e mo ni t o r i n g LI Pa np a n，LI Yu nb o，XI AO Yo ng， ZH ANG Xi a o yu Re s e a r c h Br a n c h o f Ge o p h y s i c a l a n d Hy d r o l o g i c a l ，CCTEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Ch on gq i n g 40 0 0 39，Ch i na Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o wo r k i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f s t e e l s t r i n g t y p e p r e s s u r e mo n i t o r i n g s e n s o r ，a n e w t yp e o f a c q ui s i t i on i n s t r u m e nt f o r mi ne p r e s s ur e mon i t o r i ng wa s de s i g ne d． Th e i n s t r u m e n t u s e s s e l f - a da p t i o n f e e db a c k f r e qu e nc y s we e p v i br a t i o n t e c hno l o gy，a nd t a ke s STM 3 2 s i n gl e c hi p m i c r oc o mput e r a s m a i n c o nt r o l c hi p wh i c h o ut put s f r e q ue nc y s we e p v i br a t i o n s i gn a l s t o e xc i t e i n t e r na l s t e e l s t r i n g o f s t e e l s t r i n g t y pe pr e s s u r e m o ni t or i n g s e ns o r t o r e a c h r e s on a nc e s t a t e ， S O a s t o ge t c 0r r e s po nd i ng me a s ur e d pr e s s ur e t hr o u gh c a l c ul a t i ng a c c o r di ng t o t he r e s ona nc e f r e q ue n c y．Th e e xp e r i me nt r e s u l t s s h ow t ha t t i ny s i g n a I f r e q u e n c y e r r o r o f t h e i n s t r u me n t c o l l e c t e d i s n o mo r e t h a n 0 ． 5 ，a n d t h e i n s t r u me n t c a n me e t wi t h a c t u a l n e e d s o f m i n e pr o duc t i o n． Ke y wo r d s mi n e p r e s s u r e mo n i t o r i n g；a c q u i s i t i o n i n s t r u me n t ；s t e e 1 s t r i n g t y p e p r e s s u r e mo n i t o r i n g s e n s o r；s e l f a da pt i on f e e d ba c k f r e q ue n c y s we e p vi b r a t i o n；r e s o na nt f r e q ue nc y 0 引言 矿 压监 测 关乎 矿井 生产 的安 全 ， 巷 道 支柱 、 液压 支柱等都需要时刻监测 自身所承载的压力 。钢弦式 压力监测传感器由于其输 出为频率信号 ， 适 于长距 离传输 ， 再加上其内部结构没有活动器件 ， 具有很高 的可靠 性 和稳定 性 ， 从 而成 为 矿 井 现 场 应 用最 为广 泛的压力监测传感器之一【 1 ] 。但钢弦式压力监测传 感器需要额外的采集仪器对其内部钢弦进行激振 ， 然后采集传感器受激振所输出的微弱信号来达到监 测 压力 的 目的 。为 此 ， 笔 者 设 计 了一 种新 型 的采 用 自适应反馈扫频激振技术 的矿压监测采集仪器 ， 通 过单片机输出扫频激振 信号 ， 激发钢弦式压力监测 传感器内部钢弦达到共振状态 。设计了仪器 的三重 信 号调 理 电路 ， 对 传 感 器 的 反 馈 信 号 进 行 滤 波 、 放 大、 整形并送至单 片机计数 。研 制了显示模块和通 信模块 ， 实现井下压力监测数据现场显示 的同时， 通 过分站能够与井上计算机实时双向通信 ， 达到井上 、 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 1 4 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 3 0 3 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 中煤科工集团重庆研究院有限公司 自立基金项 目 2 0 1 3 Z DXM1 4 。 作者简介 李盼盼 1 9 8 8 一 ， 男 ， 重庆人 ， 实习研 究员 ， 硕士 ， 现主要从事仪器仪表 的开发工作 ， E - ma i l l p p 8 8 0 8 2 8 1 6 3 ． c o m。 6 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 井 下 同时监 测 的 目的 ， 大 大 提 高 了仪 器 的实 用 性 和 整 体 矿压监 测 的可靠 性 。实验 证 明该仪 器 能够满 足 矿井 生产 的实 际要 求 。 1 钢 弦式压 力监 测传 感器 工作原 理 钢弦式压力监测传感器是通过外部采集仪器对 传感 器 内部钢 弦激 振 而 使 其 产 生共 振 ， 共 振 的 弦线 在磁场中作切割运动 ， 从而在线圈中感应出电势， 即 微弱 的 正弦信 号 ， 感 应 电势 的频 率 就 是 钢 弦 的共 振 频率 。由于共振频率 与弦线受到 的压力呈线性关 系 ， 所 以， 通过测量感应 电势频率就可得到相应 的被 测压 力 j 。 2采 集仪器 设 计 2 ． 1仪 器基本 组成 根 据 钢 弦式 压 力 监测 传 感 器 的 工作 特 点 ， 设计 了一种 基 于 自适 应反 馈式 扫频 激振 技术 的矿 压监 测 采 集 仪 器 ， 基 本 结 构 如 图 1所 示 。该 仪 器 采 用 S TM3 2为主控芯片， 通过扫频激振电路激发传感器 内部钢弦 ， 传感器反馈频率信号经过信号调理 电路 接入 S TM3 2 ， 同 时 S TM3 2采 集 现 场 温 度 ； S TM3 2 对接 入信 号进行 处 理 ， 处 理 得 到 的 数 据 一方 面直 接 用 于现 场显 示 ， 一 方 面存 储 在单 片机 内， 并通 过 R S 4 8 5总线与 地 面计算 机 实现实 时 双 向通 信 。 扫 频 激 振 电 路 卜 - ]R S 4 8 5 通 信 电 路 传 MCU 感 亘 S T M 32 器 叫 温 度 读 取 电 路 卜 _ ． 一 现 场 显 示 电 路 图 1 矿 压 监 测 采 集 仪 器 基 本 结 构 2 ． 2扫 频 激 振 电 路 传感器的正常工作首先需要依靠外部采集仪器 对传感器内部钢弦进行激振l 4 ] 。扫频激振 电路 以连 续 变化 的 频 率 信 号 输 出 至传 感 器 以激 励 其 内部 钢 弦， 当扫频信号的可靠输 出频率和传感器 内部钢弦 的固有频率接近时 ， 钢 弦就能够迅速达到可靠共振 状态 。现有此类钢弦式压力监测传感器的固有频率 范围都在 4 0 0 5 0 0 0 Hz ， 所以， 矿压监测采集仪器 通过 软件 使单 片机 输 出频率 为 4 0 0 5 0 0 0 Hz的方 波激励信号 ， 经过扫频激振 电路后激发传感器 内部 钢弦起振 ， 再对传感器反馈的信 号频率脉冲个数进 行计 数 ， 以判 断钢 弦是 否可 靠起 振 ， 一 般认 为反 馈 脉 冲大于 1 2个即为可靠起振 。如果没有可靠起振则 自动调 节输 出频 率进 行重 复 激振 ， 如果 已可 靠起 振 ， 则进行 下 一 步 测 量 计算 。扫频 激 振 电路 如 图 2 所 示 。 图 2扫 频 激 振 电 路 主 控 芯 片 S TM3 2利 用 内部 的定 时／ 计 数 器 功 能 ， 由 I ／ 0 口输 出 4 0 0 ～ 5 0 0 0 Hz 频 率 连 续 变 化 的 方 波激 励 信 号 ， 然后 通 过 2个 MJ D1 2 7达 林 顿 晶体 管 ， 由 2 4 V 电源 提供 激振 电流 ， 末 端加保 护 二极 管 ， 输 出至传感器。设输 出扫频激振信号的频率上限为 L 厂 m ， 频率 下 限为 _厂 m 。 ，相邻 频 率 间增量 为 A f， 扫频 激 振程 序 流程如 图 3所示 。 图 3扫 频 激 振 程 序 流 程 上下限频率和频率增量都不是 固定值 ， 首先 以 4 0 0 Hz 为 下 限 ， 以 5 0 0 0 Hz 为 上 限 ， 1 0 0 Hz 为 频率 增 量进 行 扫频 ， 当反 馈脉 冲 大于 4个 时 ， 上 限频 率就 变 为 当前 频 率 加 1 0 0 Hz ， 下 限 频 率 为 当前 频 率 减 1 0 0 Hz ， 频 率增 量 变 为 1 0 Hz ， 重 复 扫 频 ； 当 反馈 脉 冲大 于 8个 时 ， 上 限频率 就 变为 当前 频 率 加 1 0 Hz ， 下 限频率 为 当前频 率减 1 0 Hz ， 频 率增量 变 为 1 Hz ， 重复 扫频 ； 当反 馈 脉 冲 大 于 1 2个 时 ， 就 认 为 是 可 靠 起振 。 根据 反馈 自适 应调 节 上 下 限 频 率 和频 率 增 量 ， 单 片机在 上下 限频 率 范 围 内 ， 根 据频 率 增 量 自动 调 节输出的扫频激励信号频率 以匹配钢弦 的固有频 率 ， 能够大大缩短激振 的时间 。在钢弦可靠起振后 ， 由于传感器输出的是微伏级不规则正 弦信号 ， 须设 计信号调理 电路 ， 对输出的正弦信号进行滤波放大 、 整形 ， 得到 单 片机可 采集 的标 准 方波 信号 。 2 0 1 6年 第 6期 李盼 盼等 一 种新 型矿 压监 测采 集仪 器 的设计 7 2 ． 3信 号调 理 电路 信 号 调 理 电 路 选 用L M3 5 8运 算 放 大 器 ， L M3 5 8内部包 括 2个 独立 的双 运 算放 大 器 ， 本 仪 器 中， 其工作于8 V 双电源模 式下 。信号调理电路 如 图 4所示 。 l卜 O U T P U T 1 V C C 8 l ⋯ 一 R ． I NPUTl 一 0UT P UT 2 R 8 1C _ C 2 传 感 器 信号 输 入r 广 ． 土 I N P U T 1 I U T P U T 2 - 1 r lF V C C I U T P U T 2 立 一 1 一 ⋯ c - I L M 3 5 8 1 n F l k D S I G _3 8v l C l C J ’ u 4 。 oUT P UT1 VCC I NP UTl oUTP UT 2 6 R 2 Ll l nC 7 F lI ZT l nC 9F_ IN PU T l Iu TPU T2一 VCC I UTP UT 2 一 一R I 3 V I L M 3 5 8 { V c _ 8 V】 Vc c_8V c 一 _ o u s T 『‘I ． 一 OUTP UTl VC C 2 0 k Q r 4 Rt 4 I NP UT1 一 OUT P UT2 ⋯5 4．7 I l r J- IN P U T 1 IU TPU T 2一 _ C lo C ● _ J l 1O nF 上 广 V C C IU T P U T 2 立 _ ] R V c c一 _ 8 V ⋯ I ⋯一 一 例 4信 号 调 理 电 路 L M3 5 8运 算 放 大 器 结 合 外 围 电路 构 成 滤 波 放 通信 ， 定 时 向计 算 机传输 当前监 测数 据 ， 随 时接 收计 大电路 。传感 器输 出的微小 信号经过 R C带通滤 算机的命令 ， 提高了仪器 的实用性和整体监测系统 波 、 三 级放 大器放 大 约 4 O万 倍 ， 以及 最后 的调 理 、 的可 靠 性 。R S 4 8 5通 信 电路 如 图 6所 示 ， 采 用 隔 离 整 形之 后 ， 变为 单 片机可 采集 的 0 ～3 ． 3 V标 准方 波 通信模 块 ， 以确 保 本 质 安 全 及 抗 干 扰性 能 。显 示 电 信号， 直接接人单片机计数 ， 得到共振频率。计数运 路如图 7 所示。 用 比较 成熟 的等 精度 计数 测量 方法 l_ 5 ] ， 可 减 小误差 。 2 ． 4供 电 电路 为 确 保仪 器 在 井 下 的安 全 使 用 ， 供 电 电路 需 要 符合本质安全设计标准。仪器采用矿用隔爆兼本质 安 全 型 直 流 稳 压 电 源KD W6 6 0 ／ 1 2 B 供电 ， KD W 6 6 0 ／ 1 2 B输 人 为 AC 1 2 7 V 或 6 6 0 V， 输 出 为 D C1 2 V， 额定电流输出为 1 0 0 0 mA， 过压保护值为 1 3 V， 过 流 保 护 值 为 1 1 5 0 mA。仪 器 供 电 电 路 如 图 5所示 。本 质 安全 电源 输 入 D C 1 2 V 通 过 两级 二 极管与 1个 5 0 0 mA保险管提供对后级电路的保护 ， 整个电路电容值小于 1 0 F ， 满足火花实验要求 。 本质 图 5 仪器供 电电路 2 ． 5 显 示 与 通 信 电路 采集仪器采集的数据一部分用于本地数码管显 示 ， 一部分通过 RS 4 8 5与地 面计算机进行双 向实时 图 6 R S 4 8 5通信 电路 P 图 7 显示 电路 分站 第 4 2卷 第 6期 2 O l 6年 6月 工矿 自 动 化 I ndus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo 1 ． 4 2 NO． 6 J u n ．2 01 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 l X 2 O 1 6 0 6 0 0 0 8 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 0 3 崔洁 ， 刘逢雪 ， 臧其亮， 等． 矿用可穿戴翻折结构半模衬底集成空腔天线设计 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 6 8 1 2 ． 矿用可穿戴翻折结构半模衬底集成空腔天线设计 崔 洁 ， 刘逢 雪。 ， 臧其 亮 ， 徐 钊 1 ． 江 苏建 筑职 业技 术学 院 能源 与交 通工 程学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 根据 煤矿 井 下对 可穿戴 天线 的要 求 ， 在 半模 衬 底 集成 空腔 天 线 的基 础 上 ， 采 用折 叠 结构 降低 天 线 主体 的 宽度 ， 并利 用水 平放 置 的馈 电探 针 实现 可穿 戴天 线扁 平化 ， 设 计 了一 种矿 用 可 穿戴翻折 结 构半模 衬底 集成 空腔 天 线 。仿 真 结果表 明 ， 该 天 线在 5 GHz 处 于谐 振 状 态， 一1 0 d B 带 宽约 为 2 5 4 MHz ， 最 大 增 益 为 5 ． 4 d B i ， 辐射 效 率为 7 O ， 辐射 方 向具 有较 宽 的主瓣 和较 低 的背 向辐射 ， 且 可通过 增加 上 层衬底 厚 度 来增加 天 线一1 0 d B带 宽 。 关键 词 矿 用天线 ；可 穿戴天 线 ；半模衬 底 集成 空腔 天线 ； 翻 折 结构 中 图分 类号 TD 6 5 5 ． 3 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 6 一 O 1 1 0 I 8 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 6 0 6 0 1 ． 1 O 1 8 ． 0 0 3 ． h t m1 收稿 日期 2 0 1 6 0 4 0 1 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 4 2 1 ； 责任编辑 盛男。 基金项 目 国家安全 监管总局资助项 目 j i a n g s u 一 0 0 0 2 2 0 1 5 AQ 。 作者简介 崔洁 1 9 8 7 一 ， 女， 山东枣庄人 ， 助教 ， 硕 士， 主要研究方 向为煤矿井下信道建模和天线设计 ， E - ma il 3 4 8 6 5 1 7 3 6 q q ． c o rn。 3 实验 验证 为测 试 该 仪 器 采 集 微 小 正 弦 信 号 频 率 的 准 确 性 ， 特进 行实 验 验证 。 利 用信 号发 生器 模拟 5 O 0 ～1 0 0 0 V 的微小 正 弦信 号 ， 在 3个 频 率 点 P 点 1 0 0 0 Hz 、 P 。点 2 0 0 0 Hz 、 P 。点 3 0 0 0 Hz 分 别 进 行 测 试 ， 每 个 点 测量 3次并 取平 均 值 ， 测 量频 率见 表 1 。从表 1 可 以看 出 ， 测得 的频 率误 差 不 到 0 ． 5 ％ ， 验 证 了该 仪 器 的准确 性 与可靠 性 。 表 1 测 量频率 4 结 语 基 于 自适应 反馈 式 扫频激 振 技术设 计 的矿 压监 测采集仪器 ， 实现了微小信号 的高速、 低 噪、 精确采 集 ， 能 够 自动快 速调 节激 振频 率 ， 缩短 激振 时 间 。通 过通信电路及显示 电路 ， 该仪器既能够在本地显示 测 量 数据 ， 又 支持 与地 面计算 机 实时 双 向通信 监测 ， 为井 下矿 压监 测提 供 了一种 更加 可靠 的方法 。 参考文献 [ 1 ] 伍 晓奎 ， 江海朋 ， 侯 洪涛． 振弦式 传感 器在矿 山边 坡应 力监 控 系 统 的 应 用 [ J ] ． 计 算 机 系统 与 应 用 ， 2 0 1 2 ， 21 1 1 9 4 1 97 ． [ 2 ] 张杰 ， 姚剑 ， 叶林 ， 等 ． 频率测量 的新 方法[ J ] ． 工业 仪表 与 自动化装置 ， 2 0 0 3 1 6 3 6 6 ． [ 3 ] 孟祥儒 ， 李 静 ， 陶 陶， 等． Qu i n n和 Ri f e J a n e 算 法用于振 弦式传感 器 频 率 的 精 确检 测 [ J ] ． 数 据 采 集 与 处 理 ， 2 0 0 8， 2 3 9 1 3 6 - 1 3 9 ． E 4 ] 贺虎 ， 王万顺 ， 田冬成 ， 等． 振弦式传感器激振策 略优化 [ J ] ． 传感技 术学报 ， 2 0 1 0 ， 2 a 1 7 4 7 7 ． [ 5 ] 高友． 振弦式传感 器测 量过 程 中干 扰 问题 的解决 [ J ] ． 仪 表技 术与传感器 ， 2 0 0 7 2 5 4 5 5 ．