矿用围岩应力计的设计与实验

孙世岭

摘 要：为了有效监测煤体内应力变化情况，解决现有机械式围岩应力计无法实时监测上传、电阻应变式围岩应力计因自身被动受力的结构设计长期不能真实反映围岩应力的变化情况的安全隐患问题，设计了一种采用主动承压式结构和压电电阻检测原理的围岩应力计。详细介绍了降压转换电路、遥控接收电路、油囊组件及元件信号处理电路、数码管显示电路、报警电路、RS485通讯接口电路六部分硬件电路方案，各部分电路关键元器件选型，以及应力计的软件流程。实验室测试结果表明，应力计具有功耗低、检测精度高的特点。

关键词：矿用; 围岩应力计; 压电电阻; 主动承压;差分放大; 遥控接收

中图分类号：TP326      文献标识码：A

Design and Test of Stress Meter for Mine Surrounding Rock

SUN Shi-ling1，2

（1. China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute，Chongqing 400039， China;

2. State Key Laboratory of The Gas Disaster Detecting， Preventing and Emergency Controlling， Chongqing 400039， China）

Abstract：In order to effectively monitor the change of the stress in the coal body， solve the problem that the existing mechanical stress meter can't real-time monitor the upload and the resistance strain type stress sensor can't truly reflect the change of the stress in the surrounding rock for a long time because of the structure design of its own passive stress， and design a kind of active pressure type structure and piezoelectric resistance detection principle of the stress meter in the surrounding rock. This paper introduces in detail six parts of hardware circuit scheme， including step-down conversion circuit， remote control receiving circuit， oil bag component and component signal processing circuit， nixie tube display circuit， alarm circuit， RS485 communication interface circuit， the selection of key components of each part of the circuit， and the software flow of the stress meter. The experimental results show that the stress meter has the characteristics of low power consumption and high detection accuracy.

Key words：mining; surrounding rock stress meter; piezoelectric resistance; active pressure; differential amplification; remote control receiving

我國煤矿以井工煤矿为主，开采条件非常复杂，随着开采深度的增加，瓦斯、水害、自燃、顶板、冲击地压等灾害越来越严重，其中顶板事故是伤亡人数最多的灾害之一。巷道掘进和工作面回采等煤矿开采活动，破坏了巷道围岩原始应力的平衡状态[1-2]，引起岩体内部的应力重新分布，进而诱发冲击地压、顶板失衡、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害[3-4]。山东、安徽等地很多煤矿采深超过了1000 m，加强煤矿冲击地压防治工作，有效防范冲击地压事故，对煤矿安全生产具有十分重要的意义[5]。围岩应力计是一种用于煤矿围岩内部的应力监测的仪表。早期普遍采用单点安装的机械式应力仪表用于围岩内部应力监测[6-7]，然而机械式仪表无法实时在线监测，逐步被有线传输的围岩应力计取代。但是目前围岩应力计普遍采用被动式的基于电阻应变检测原理的测力体，而安装时的钻孔大于应力计测力体直径[8]，导致应力计测量的围岩应力数据长期为零，无法真实、可靠地反映煤岩内部变化情况，顶板安全存在隐患[9]。为解决这个问题，设计了一种具有主动承压式测力体结构的矿用围岩应力计[10]，应力计采用RS485总线进行数据传输，测力体内设计有高精度压电电阻敏感元件，应力计监测数据变化趋势真实可靠、实用性强等特点[11]，实现了巷道围岩内部的应力高精度实时监测和超限报警，对于预防冲击地压、科学评价煤柱支护质量具有重要意义。

1 应力计总体设计

围岩应力计原理图如图1所示，原理图由多个功能电路单元组成，主要包括降压转换电路、数码管显示电路、遥控接收电路、信号处理电路、声光报警电路、RS485通讯电路以及油囊及应力元件组件七部分组成，应力计原理图如图1所示。

应力计采用美国Microchip研发的低成本8 位高级模拟闪存微控制器，型号为PIC16LF1788，该控制器采用XLP的超低功耗管理内核，在1.8 V工作电压下，内核工作电流低至32 μA/MHz，微控制器采用内置8MHz晶振作为系统时钟，此时外设模块正常运行状态下工作电流仅为1.54 mA，满足应力计低功耗应用要求。微控制器具有12-bit完全差分模数转换模块，高达75 ksps转换速率，且有11路单端模拟输入通道，完全满足围岩应力信号模拟信号A/D转换的需要。微控制器具有25个I/O引脚，完全满足应力计控制、显示等硬件设计需要。微控制器数据EEPROM大小为256 bytes ，程序存储FLASH为16 kW，用于保存用户设置的零点、灵敏度系数、报警点、通讯地址等信息。微控制器具有1路EUSART通信模块，通过TTL电平与主板RS485芯片交互数据，实现与上级分站的参数设置与围岩应力监测数据上传。

2 硬件设计

2.1 降压转换电路

应力计采用矿用本安电源供电，输出电压为24.5 V，经过一定距离线缆传输后应力计获得的电压为9～24.5 V，因此主板采用DC-DC同步降压开关电路将9～24.5 V直流电压转换为适合芯片及应力元件工作的适配电压。

开关电源采用TI公司的TPS560430XFDBVR，该芯片输入电压范围为4.0～36 V，最大输出电流600 mA。芯片内部集成33 ms软启动电路及同步整流电路，当输出电流为20 mA时，转换效率可达75%以上。芯片采用SOT-23-6小型封装，非常适合低功耗、体积紧凑的设计应用，降压转换电路如图2所示。

TPS560430XFDBVR芯片第3引脚FB处的反馈电压为1.00 V，精度为±1.5%，通过反馈电阻R2和R5构成输出电压反馈电路，设计输出电压为3.3 V，为数码管、遥控接收器件等供电。芯片静态电流80 μA，满足电路轻载高效设计要求。

微控制器工作电压为3.0 V，应力检测元件的工作电压也为3.0 V，因此采用低压差LDO芯片进行电压转换供电，LDO电压转换电路如图3所示。

TLV70730DQNR芯片将开关电源电压3.3 V降为3.0 V，电压输出精度为±0.5%，漏电流典型值为25 μA，最大输出电流200 mA，而应力计额定工作电流为20 mA，芯片选型满足设计需要。

2.2 遥控接收电路

遥控接收电路主要用于接收用户在3 m范围内非接触式设置信息。遥控接收器件选用型号CRM-383的红外接收头，正常工作时平均电流为1.5 mA，具有工作电流小、遥控距离远、灵敏度高、抗干扰能力强、绝缘性好的特点，设计用来接受用户对应力计的非接触遥控命令，遥控接收电路如图4所示。

2.3 油囊组件及元件信号处理电路设计

应力计采用主动承压式应力測量结构设计，如图5所示，油囊组件由承压油囊、金属油管、止回阀和应力元件测量结构组成。应力计安装时，首先在煤柱安装位置钻一定深度的圆孔，将承压油囊放入孔中，将金属油管缓缓取直，将油囊及油管送入孔的最深处。此时因油囊与煤柱孔壁间没有紧密接触，因此在相当长一段时间无法准确测量围岩应力。设计的应力计在安装完毕后，利用手动油泵通过止回阀向金属油管及承压油囊注入液压油，随着注油量的增加，承压油囊逐渐膨胀，油囊被钻孔紧密包裹，实现主动承压测量。然后去掉手动油泵，止回阀使液压油不会回流，实现保压作用。应力元件一直与油管、承压油囊均压联通，当煤柱岩体应力增大时，承压油囊压缩，油囊内油压上升，应力元件测量值增大。

应力元件作为测力敏感检测元件，采用压电电阻检测原理，其阻值为2 K，量程为0～25 MPa。采用高精度运放芯片设计差分信号放大电路，运放采用TI公司具有超低失调电压的双路运放芯片OPA2330，将应力元件3.0 V工作电压下满量程180 mV的输出电压信号，差分放大后输入到微控制器模拟采样引脚进行A/D转换，具体电路如图6所示。

在图6中，围岩应力元件等效电路为四片压电电阻部件构成的惠更斯电桥，当随着受力变化就会在S+和S-间产生mV级的微弱电压差。微弱电压信号经过R3、R6、R7、R1和OPA2330芯片构成的差分放大电路后放大为0～1.8 V的电压信号，经微控制器A/D转换后得到0～4096数字量，然后根据计算函数得出应力计的围岩应力检测值。

2.4 数码管显示电路

围岩应力计具有4位共阳极数码管，采用动态扫描机制，第一位为功能显示位，后三位为显示数值，每位数码管点亮时工作电流为1.2 mA左右。显示电路采用四个三极管控制每位数码管的供电，实现每位的依次点亮显示，而8位控制字符显示内容的引脚由单片机串联电阻直接控制驱动。

2.5 报警电路设计

应力计采用声强达80 db 的有源蜂鸣器作为声音报警信号源，光报警信号采用并联高亮红光二极管，经测试黑暗环境下20 m外可见。当钻孔应力数值超过预设危险报警值时，蜂鸣器和发光二极管进行声光报警，工作电流约为22 mA，常态下应力计报警电路不工作。

2.6 RS485通讯接口电路设计

围岩应力计作为顶板安全系统中测量围岩内应力、预防冲击地压的主要监测设备之一，一般在一段区域内间隔5米密集布点安装以获得煤体内应力分布数据。为降低现场施工难度，节约电缆用量，多个应力计通过RS485总线与KJ693-F1分站构成一主多从网络结构进行参数设置和检测值数据上传。应力计采用美国TI公司的THVD1419芯片作为RS485接口芯片。THVD1419芯片工作电压低至3.3 V，内部集成TVS总线输出端口保护设计，保护等级达到16 kV。THVD1419芯片与单片机采用UART接口，通讯速率为2400 bps，理论节点数量可以达到128个，满足围岩应力计分布式安装监测。

3 软件设计

围岩应力计的程序使用MPLAB X IDE v5.20编译环境，编程语言为C语言，main函数程序执行顺序首先是进行微控制器内部晶振配置字初始化，I/O口初始化及UART、 A/D等功能外设配置，然后读取内部EEPROM内参数信息，配置应力计零点值、线性精度系数、报警点、通讯地址等信息。程序主循环主要是周期性进行应力信号的A/D采样与计算、报警判断，以及响应UART中断，回复分站数据查询命令，具体流程图如图7所示。

4 实验分析

按照应力计硬件电路设计方案及软件程序流程完成了电路及程序设计，加工了应力计样机，如图8所示。对应力计工作电压、工作电流、测量误差等基本性能指标进行测试，测试结果如表1所示。

本安电源输出参数为24.5 V/470 mA，而围岩应力计整机功耗约为0.25 W，经测算满足一台本安电源带载8台围岩应力计的应用要求，应力计最大绝对误差为0.5 MPa，相对误差为2.0%F.S。

5 结 论

围岩应力计是顶板安全监测领域的重要设备之一，是评价巷道预留煤柱宽度科学性及预防冲击地压的主要传感设备，对指导煤矿开采具有重要意义。根据以上应力计原理方案制作了应力计样机，并进行了实验。在实验室条件下测试结果表明，应力计功耗为0.25 W，基本误差为2% F.S，满足设计要求。下一步将委托有资质的检验机构进行煤矿安全标志及防爆证认证测试，在煤矿推广应用。

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