矿山压力检测仪器技术新进展及其应用.pdf

第2卷第 8期 2 0 0 6年 l 2月 地 下 空 问 与 工 程 学 报 Ch i n e s e J o u r n a l o f Un d e r g r o u n d S p a c e a n d En g i n e e rin g V0 1 ． 2 De c ． 2 0 o 6 文章编号 1 6 7 3 - 0 8 3 6 2 0 0 6 0 8 1 4 7 3 - 0 4 矿山压力检测仪器技术新进展及其应用 王清标 ，贾宏俊 ，王渭明 ，吴克新 1 ． 山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建教育部重点实验室， 青岛2 6 6 5 1 0 ； 2 ． 青岛市工程咨询院 ， 青岛2 6 6 5 1 0 摘 要 简要论述 了提 高振 弦式传感器性能的一 些新技 术及其在矿 山压 力测量方面力传 感器的开发应用 1 新数学模型及应用； 2 横式弦传感器弦膜匹配减少滞后； 3 弱激发解 决频率不一致问题并提高仪器分辨率； 4 活塞传压与力变换提 高大量程测力传感器的准确 度和长期稳定性， 适用于研制大量程、 高精度、 高分辨率和长期稳定性好的测力传感器。 关键词 振弦传感器； 激发电 路； 数学模型； 活塞传压； 力传感器 中图分类号 T D 3 2 文献标识码 B Ne w De v e l o p me n t s a n d Ap p l i c a t i o n s o f S e l f - e x c i t a t i o n Vi b r a t i n g wi r e S e ns o r Te c hn o l o g y WA N G Q i n g b i a o ， J I A Ho n g - j u n 。WA N G We i ． m i n g 。 WU K e ． x i n 1 ． K e y L a b o r a t o r y ofMi n e D i s a s t e r 咖e o ， 。 a n d C o n t r o l o fS h a n d o n g U n i v e r s i t y S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n Ma o 2 6 6 5 1 0 ． C h i n a ； 2 ． Q i n g d a o E n g i n e e r i n g C o n s u l t i n g I nst i t u t e - Q i n g d a o 2 6 6 5 1 0 ，C h i na Ab s t r a c t S o me n e w t e c lmi q u e s u s e d t o i mp r o v e t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f s e I f - e x c i t a t i o n v i b r a t i n g ． w i r e s e n s o r a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s i n t o f o r c e s e n s o r p u l l i n g f o rce me a s u r e me n t o f a n c h o r r o p e a r e s u mma riz e d ．Fi r s t 。t h e n e w ma t h e ma t i c a l mo d e l a n d i t s a p p l i c a t i o n s are s i r e n ．S e c o n d。t h e ma t c h o f wi r e a n d d i a p h r a g m f o r t h e h o riz o n t a l wi r e t y p e s e n s o r t o r e d u c e t h e h y s t e r e s i s o f t h e s e n s o r i s p ms e n t e d ．T h i r d ，t h e w e a k e x c i t a t i o n o f t h e w i r e i s s t a t e d，wl fi c h c a n e ff e c t i v e l y s o l v e t h e p r o b l e m o f f r e q u e n c y v a ri a t i o n s ．A t l a s t -t h e t e c h n i q u e s o f p i s t o n c o n v e y i n g p r e s s u r e a n d f o r c e c o n v e rsi o n c a n b e u s e d t o i mp r o v e t h e a c c u r a c y a n d l o n g - t e r m s t a b i t y -a n d t o d e s i g n t h e wi d e r a n g e。h i g h a c c u r a c y - h i g h r e s o l u t i o n a n d l o n g - t e n T l s t a b l e p r e s s u r e s e n s o rs a n d force s e n s o rs． Ke y wo r d s v i b r a t i n g - w i r e s c n s o m ；s e l f - e x c i t a t i o n c i rcu i t ma t h e ma t i c a l mod e l ； p i s t o n - c o n v e y i n g p r e s s u r e ； f o r c e sensors 引言 测量矿山压力参数的仪器很多， 目前在工程建 设中常用的有电阻应变片式和振弦式仪器这两大 类。这两大类仪器各有优缺点 ， 但从工程实践中比 较得知， 振弦式传感器的优点更为突出。其优点如 下 ①准确度高； ②重复性好； ③长期稳定性好， 适 用于长期观测 ； ④有良好的抗震动性能； ⑤易于防 潮防水， 特别适用于在恶劣的环境中进行长期测 量； ⑥结构简单可靠 ， 制作安装方便 ； ⑦传输的是 频率信号， 而不是电压信号 ， 可远距离传输， 而不带 来附加误差， 故适合多点远传和遥测， 并且便于数 字化和智能化 ； ⑧振弦式传感器可做成全钢结构， 坚固耐用， 并且造价低廉； ⑨配套的钢弦频率仪小 巧轻便， 并且智能化数字直读物理量， 适宜现场使 用 。 正是由于以上优点， 开发研制的一系列本质安 - 收稿 日期 2 0 0 6 - 0 8 2 0 修改稿 作者简介 王清标 1 9 7 3 一 ， 男， 博士 ， 主要从事岩土工程教学与科研工作。E - m a i l ． w a n g q i n g b i a o t o m t o m 维普资讯 1 4 7 4 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 2 卷 全型振弦式矿压仪、 矿压遥测仪、 支柱及支架监测 系统等， 广泛应用于矿山压力测量和大量程测力称 重。 2 振弦式传感器的结构和工作原理 振弦式传感器的按结构形式主要分两类 a 横式弦， b 竖式弦， 如图 l 所示 a 横式弦 b 横式弦 图 l 自激谐振弦式传感器的结构形式 F i g ． 1 S t n l c t u r a l d i a g r a ms o f s e l f e x c i t a t i o n v i b r a t i n g - w i r e s e n s o r s 其工作原理如图2所示 钢弦的微小振动在感 应磁头线圈里产生电动势， 输出电压经激发电路放 大后形成脉冲， 回输给激发磁头线圈， 产生脉冲力 作用于钢弦， 若接线正确为正反馈且反馈系数大于 1 ， 则钢弦的振动不断加强， 直至输出电压被电源限 幅为止。这时， 激发电路将输出与弦振动同频率的 电信号 ～般为矩形波 。实验标定输出频率厂与 所受外力 ’ 的对应关系， 应用时测 可推算力 的 值。 图2 激发原理示意图 F i g ． 2 P r i n c i p l e o f s e l f - e x c i t a t i o n v i b r a t i n g wi r e s e n f o rs 3 振弦式传感器的新进展 3 ． 1 振弦式传感器的新数学模型 国际上公认 的振弦式传感器数学模型是 FK f 2一f 0 1 式中 F 为待测物理量； K为比例系数； f 为与 F对 应的输出频率 ； t o 为 F 0时的频率 初频 。 但 1 式仅适用于少数振弦传感器， 对于大多 数振弦传感器而言， 拟合误差偏大， 需要修正。修 正有一 二 法 ⋯是认为 K是 f 的函数； 二 是认为 K是 常数。 1 式可由以下两条合理假设导出 假设 一 设白激激发脉冲为单向且为弱激发， 只引起弦的单向基频振动 无倍频 ， 则由固有频 率公式／ n ,f ／2 L ， 取n 1 得频率为 ／,／ ／2 L 2 式中 F 弦长； p 弦密度； 弦拉应力。 n1 墨 图 3 振弦 的振 型 F i g ． 3 V i b r a t i o n t y p e s o ft h e w i re 其振型是一个中间为波腹的驻波， 如图 3所 示 。 假设二 设传感器工作膜受待测力 作用时 仅时仅产生微小变形， 膜中心挠度 与外力成正比， 由此引起弦拉应力的增加 A c t 一 。 与外力 F 成 正 比 Ao 后 3 式 中 k为 由传感器结构决定 的 比例 常数当 F0 时， 若 。 ， 则初频f o ／ ／2 ， 可得 A 一 ， 此式即为 1 式。 式中A 4 L p ／ 是由传感器结构决定的常数。 由此可认定， K A是常数， 因此合理地将 1 式 中修正为 FA ／ 一 B f 一 4 式中A 、 B为传感器常数。 4 式含常数项、 一次 项 、 二次项， 是一个标准的二次函数， 可以用来描写 任意二次抛物线， 因此它能适用与任何振弦式传感 器。 根据标定数据， 可由最小二乘法拟合求出A 、 B 。 3 ． 2 新数学模型用于温度漂移修正 传感器标定后， 由最小二乘法拟合求 A 、 B ， 即 可获得其数学模型。但是温度改变会引起初频漂 移， 应该进行修正。对于经过老化已达到稳定的传 感器 ， A、 B应为常数。当温度改变引起 改变时 ， f 也会发生相应的改变。这时， 用现场温度平衡后的 初频作为 f n 取代实验室或出厂标定时的初频 ， 用 4 式计算 获得 的结果 比较 准确 。理论分析 和 实践表明 误差常小于 1 ％ ， 能满足工程应用需 要， 不需另做温漂修正 但应该减小材料的温度系 维普资讯 2 0 0 6年第 8期 王清标， 等 矿山压力检测仪器技术新进展及其应用 1 4 7 5 数或者选择温度系数相互匹配的材料 。 3 ． 3 弦膜匹配减少滞后 若能减少振弦传感器的滞后， 就能减少综合误 差， 使传感器在外载时大时小不断变化的场所应用 时， 有比较高的准确度。 分析表明 ①竖式弦， 弦的滞后和膜的滞后是 相加的， 因此只有选用滞后小的弦和膜才能减少滞 后； ②横式弦， 弦与膜的滞后则是互相抵消的， 可选 择滞后相匹配 的弦和膜 ， 能 显著 减少传感器 的滞 后。例如， l 1 6 力传感器标定数据如表 l ， 回程4 5 t 时滞后 l ， 以后转为“ 超前” l ～ 2 其平均校 准曲线的数学模型是 F 3 ． 3 1 7 01 0 一7 2 5 ． 5 一 9 ． 9 4 6 21 0 ，一7 2 5 ． 5 综合误差 系统误差 仅为0 ． 2 5 ％F S ， 达到了 较高精度。 表 1 1 1 6 } } 力传感器标定数据 T a b l e 1 Ca l i b r a t i o n d a t a o f No ． 1 1 6 f o r c e s e n s o r 型 三 竺 竺 竺 进程频率7 2 6 9 4 5 1 0 3 5 1 1 1 7 1 1 9 3 1 2 6 3 1 3 2 9 1 3 9 1 1 4 4 9 1 5 0 5 回程进率7 2 5 9 4 3 1 0 3 4 1 1 1 7 1 1 9 2 1 2 6 2 1 3 2 8 1 3 9 0 1 4 5 0 1 5 0 5 3 ． 4 高增益弱激发电路 各种不同的激发电路对同一传感器， 激发弦振 动的频率并不相同， 频率越高， 其稳定性就越差， 分 辨率也就越低， 从而误差也就越大。不同厂家的双 线圈自激发电路， 甚至是同一厂家做的自激发电 路， 对一只传感器获得的频率并不相同， 而且接长 电缆后频率也会降低， 这就是激发频率不一致问 题。“ 假设一” 实际上提出了解决办法 认定频率 不一致的原因是激发太强产生了倍频 ， 由于倍频成 份不同使频率不一致。因此解决办法就是弱激发， 只引起弦的单向基频振动 无倍频 。按单向弱激 发原则设计的激发电路如图4所示 前级为高倍放 大电路， 末级由限幅限流电路恒流输出。 图4 高增益弱激发电路框图 F i g ． 4 S c h e ma t i c d i a g r a m o f h i g h g a i n a n d w e a k e x c i t a t i o n c i r c u i t 试验表明 用示波器观察 ， 逐渐调大输出电流 ， 钢弦开始起振 ， 随着 电流增大频率相应升高 ， 电流 大到一定程度会从基频跳变成倍频。调节电流为 适当的值， 使能可靠激发基频， 又远离倍频， 解决了 频率不一致问题。同时由于是比较纯的单向基频 振动， 按 2 式， 仅由弦的参数决定， 与激发电路 的参数和电缆长短无关， 在外力不变时， 仃不变， 传 感器的输出频率应是很稳定的。用高精度的频率 计实测， 在温度不变条件下， 频率可稳定到 1 H z ， 可 保证测量仪器的分辨率优于 0 ． 0 l ％ 。所以弱激 发同时是达到高分辨率的重要保证。 4 ． 振弦式传感器的开发应用 4 ． 1 活塞传压高压液体压力传感器 活塞传压式高压液体压力传感器的结构示意 图如图 5 。 进液盖 活塞工作膜 后 盖 图5 活塞传压高压液体压力传感器 Fi g ． 5 P i s t on c o nv e y i n g p r e s s u r e t yp e 活塞的作用是 ①不让液体进入膜腔， 消除了 液体横向胀力对膜工作的干扰， 提高了精度； ②使 膜受的力仅为 FP A 式 中 P 一压力 ， A 一活塞面 积 ， 作用在膜中心， 选 A可控制 F ， 选小直径活塞 实现了小量程力传感器对高压力 6 0 M P a 以上 的 测量， 具有与小量程力传感器同样的性能， 特别是 在持续高压和频繁加压情况下， 有良好的长期稳定 性； ⑧用同一小量程力传感器 ， 适当改变活塞直径 可使产品系列化。 4 ． 2 力变换式测力称重传感器 用间接测量代替直接测量 ， 研制大吨位测力称 重传感器如图6 。 其上部有大活塞液体小活塞组成的 力变换装置； 下部有小量程力传感器连接在中膈的 凸台上。主要优点 ①用小量程力传感器实现了大 量程测力称重 ， 具有与小量程力传感器相同的性能 参数 如准确度、 重复性等 ； ②有更好的抗震动碰 维普资讯 l 4 7 6 地 下 空 问 与 工 程 学 报 第 2卷 撞性能． 因而具有更好的长期稳定性； ③对安装地 面不平不敏感。 L 二 用于矿井箕斗提升、 井下定量装载系统进行 称重 ．量程 3 O～1 0 0 t 准确 度 0 ． 3 ％ F S ， 分 辨力 0 ． O l t ， 长期稳定性好。 大活塞 壳体 后 孟 磁 头板 钢弦 铜 弦柱 图6 力变换式称重传感器 F i g ． 6 F o r c e c o n v e r s i o n t y p e w e i g h t i n g s e n s o r 已用于矿井箕斗提升、 井下定量装载系统进行 称重。量程 3 0～1 0 0 t 准确度 0 ． 3 ％F S ， 分辨力 O ． O l t ， 长期稳定性好 。 4 ． 3 G S J - 2型多功能电脑检测仪 G S J 一 2 是与双线圈自 激振弦式传感器配套使 用的便携式仪器， 内有高增益弱激发自激激发电路 和单片微机测量系统， 由可充电电池供电， 为本质 安全防爆型仪器， 可测频率， 用于标定传感器； 也可 用数学模型计算显示力等待测物理量， 需要先按键 输入／ l 、 ； 还可按键存贮测量数据。主要技术 性能如下 测频误差为 0 ． 1 Hz ； 分辨力为0 ． 0 1 H z ； 分辨率为 O ． O l％F S 5 结束语 经检索查新， 新数学模型、 横式弦传感器弦膜 匹配、 高增益弱激发电路、 活塞传压与力变换原理均 属于国际首创， 开发研制的矿山压力仪、 矿压遥测 仪、 上压力盒、 孔隙水压计、 锚索测力仪、 测力称重传 感器、 位移传感器等一系列产品均达到了国际先进 水平。特别是大量程锚索测力仪， 在上海磁悬浮铁 路预应 力轨道粱的监测工程中发挥了重要作用 振弦式传感器技术所取得的突破性进展， 必将 能解决一 重要工程大量程测力问题 ， 有利于取得 被测对象的准确有效参数。 参考文献 [ 1 ] 邓铁六 ， 王清标 ， 胡建明． 振弦传感技术 的新进展及 新型锚索测力计 [ J ] ． 中国岩石与力学工程学报 ， 2 0 0 1 ． 2 0 增 1 7 6 91 7 7 1 [ 2 ] 马俊亭 ， 邓铁六， 郑丰隆． 一种测量物理量力的大小 的钢弦式传感器[ P ] ． 中国 Z L 9 6 1 5 6 6 8 0 ． 5 [ 3 ] 崔玉亮， 邓铁六， 于凤． 谐振式传感器理论及测试技 术 ． 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 9 7 [ 4 ] 郑丰隆， 邓铁六 ， 赵振远． 双线圈钢弦激发器[ P] ． 中 国 Z L 9 3 2 3 1 2 1 ． 8， 1 9 9 3 [ 5 ] 邓铁六 ， 于凤， 邓伟． 大量程自激振弦式传感器及相 关技术 [ J ] ． 传感器技术， 2 0 0 1 ， 9 ， 4 1 4 6 [ 6 ] Wa n g n g - b i a o ，D e n g T i e - l i u ，C h e n B i n g - z h i ．N E W DE V L O P ME N T S AN D AP P U C A1 1 0N OF S E L F - E XC I T A- T I O N V I B R A T I N G WI R E S E N S O R [ J ] ． N E W P R O G R K S S ON C I VI L E N GI N EE R I NG AN D AR C Hr r EC 1 1 J R E ． P r 0 - c e e d i n g o f t l 1 e T h i r d C h i n a - R u s s i a S y mp o s i u m o n Un d e g r o u n d E n g i n e e r i n gof C i t yand Mi n e ． ．2 O O 4 ．5 15 5 [ 7 ] 王清标， 吕爱钟 ， 邓铁六， 长效振弦式锚索测力计应 用研究[ J ] ．岩土力学 2 0 0 3 ． 2 4 增 1 5 01 5 3 上接第1 4 7 2 页 4 结语 在高抗力大跨度板和支撑构件的优化设计中， 平板结构， 形式简单， 受力明确， 施工方便， 可以通 过向外延伸一定长度来平衡支座处的不平衡弯距， 对墙体布局没有过多的要求。但同时板的厚度较 大， 混凝土和钢筋用量也最大。拱形板结构受力性 能好 ， 可以充分发挥材料的受力性 能， 构件厚度最 小， 混凝土和钢筋用量也最小。缺点是施工难度 大， 并且会增加整个工程的埋深， 要求有足够的措 施承担板对支座的水平推力 。在工程埋深对工程 造价没有太大影响的情况下是 比较优化 的结构形 式。折板结构则介于这两者之间， 折板的内力分布 与构件的具体尺寸有关。高抗力大跨度板和支撑 构件的结构设计需要结合工程实际， 综合考虑受 力、 造价、 使用、 施工等各方面因素的影响， 综合确 定。 参考文献 [ 1 ] 人防工程结构设计软件使用说明． 北京 理正软件设 计研究院， 2 0 0 5 [ 2 ] 腾智明， 罗福午 ， 施岚青． 钢筋混凝土基本构件[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 8 7 [ 3 ] 人民防空工程设计规范[ S ] ． G B 5 0 2 2 5 9 5 ， 2 0 0 0 维普资讯