矿用应力传感器设计与实现

系统中用到的电源有+5 V，+3．3 V，+2．5 V和-2．5 V，MSP430单片机的工作电压为+3．3 V，放大电路工作电压为+2．5 V和-2．5 V。通过同步电压转换器芯片MP2104和BL8503可将+5 V电压转换成+3．3 V和+2．5 V电压。通过MAX660可从输入+2．5 V电压产生-2．5 V的电压。
由于测应力传感器转换得到电信号幅度往往较小，因此A／D转换时需放大传感器信号。信号变化范围为0～60 mV，当压力值增加1 MPa时，其输出量增加几毫伏，随着压力值变化，电桥输出信号很小，即有用信号幅度绝对值很小。
单片机对数据采集时，需将3路应力和3路磁场值进行A／D转换。此处选用ADS1110芯片。
异步通信接口电路采用新型电平转换器件MAX485E。为减少系统干扰，抑制回路产生的噪音，此处采用光电耦合器PC410，实现输入地与输出地的隔离。采用的单片机MSP430F149包含两个USART模块，可很方便地与MAX485E连接。
电子罗盘工作环境恶劣。外部磁场强度超过20 Gs时，传感器输出特性将发生较大改变，此处采用两个场效应管，由微控制器触发，产生约2 A的大电流脉冲对两个磁阻传感器进行置位／复位。
软件方面，首先对MSP430F149定时器、芯片及通讯模块等进行初始化，然后进入循环，根据任务控制器的不同，分别执行初始化采集通道、采集存储数据、A／D采集数据、应力值计算、计算磁场值等不同任务。中断程序用于响应事件，并对相应标志置位，然后将参数返回给主程序处理。

4 试验及应用
采用CW-600T活塞式压力计对传感器进行测试，其量程为0～60MPa，精度为0．02级，符合要求。表1中实值为利用活塞式压力计所加压力值，另3项为应力传感器所测对应值。将表1测量数据代入e=max(P实际值-P测量值)／15，可求出测量误差。

通过计算，3路应力测量误差分别为0．27％，0．2％和0．27％，达到设计误差小于1％的要求。同时对传感器电子罗盘进行测试，将传感器固定在匀速转台上，将匀速转台旋转一周，此时仅考虑传感器在水平面内运动，只考虑x，y的输出。经测试，传感器方位角最大误差为3．8°，达到了设计要求小于5°的指标，相比人工测量方法，误差明显降低，满足实际需要。应力传感器开发完成后，在4个矿井进行了长达1年的工业性试验，结果表明试验数据与实际情况在理论上完全吻合。

5 结论
多项室内整体标定试验表明，该应力传感器在测量时稳定、可靠，分辨率达0．01 MPa，最大量程15 MPa，实测误差小于1％。经过在煤矿现场测试，传感器可长时间稳定运行。应力传感器具有测量稳定、数据准确、操作简单、价格低廉、安装方便等特点，具有较高的实用价值及广阔的应用前景。