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矿用应力传感器设计与实现

作者:时间:2012-04-01来源:网络收藏

摘要:在此了一种新型,采用MSP430单片机硬件结构,在中加入了电子罗盘,可求出安装时的方位角。利用地计算公式,可确定煤层中或岩石中应力值状态。多个测点应力可以通过RS-485进行连接,组成分布式应力监测系统,可对矿井中的次生应力进行监测。经过测试和现场应用表明应力安装方便,测量精度高,完全满足煤矿安全生产的需求。
关键词:传感器;地应力;串口通信

1 引言
矿井中的高应力环境会导致许多工程地质灾害。在开采过程中,若能及时了解煤层顶底板应力的变化情况,并采取相应措施,即可预防很多灾害的发生,安全生产。对于煤层顶底板动态应力的测量,在我国还没有成熟的传感器,更没有类似于煤矿安全监测系统的顶底板动态应力监测系统。研制适合矿井顶底板动态应力监测的传感器是建立监测系统的关键环节,传感器的原理、可靠性、精度、实用性是研究的主要内容。

2 应力测量原理
在传统应力测量中,均通过求出平面上3个不同方向的应变分量εA,εB和εC,它们与x轴的夹角为θA,θB和θC,利用岩石弹性模量,在x和y方向上的应变分量εx,εy和γxy可由公式求出。
根据应力应变关系,可求出平面上的应力状态。该测量方法精度较差,且应力传感器安装不方便,方位角误差较大。为计算方便,使A,B,C3个测力点相隔120°。在计算过程中,设A,B,C3点的应力值分别为σA,σB和σC,σA与x轴的夹角为零。由式(1)可求出x和y方向上的应力分量σx,σy和γxy,然后通过式(2)求出最大主应力、最小主应力及各自在平面上的方位角。
a.JPG
应力传感器必须能确定A,B,C的方位角,对于煤层顶底板动态应力的测量,采用打观测钻孔,A,B,C 3个测点的方向将是一个随机数,即每次安装的方位角都不同,要想确定测点的方位角,就要采用定向传感器,采用一个单轴和一个双轴磁阻传感器共同搭建一个三轴的磁阻传感器,分别测量z轴,x轴和y轴的磁场分量,通过计算可得A,B,C 3个测点的方位角。
通过加速度计感知重力加速度在x,y轴上的分量而测得俯仰角φ和翻滚角θ,并结合z轴磁阻传感器所测量到的磁场分量。根据矢量三角形,可得折算到地球坐标系下磁场强度f.jpg为:
b.JPG
求出f.jpg分量后,可得到传感器方位角g.jpg,β∈[0,180°],但传感器方位角用0~360°的范围表示,由式(3)和β计算式及对罗盘坐标系和水平坐标系变换的分析,各坐标轴和不同象限内β的值分别为:
c.JPG
根据以上公式可确定传感器方位角。


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