礦用應力傳感器設計與實現

摘要：在此設計并實現了一種新型應力傳感器，采用MSP430單片機硬件結構，在應力傳感器中加入了電子羅盤，可求出傳感器安裝時的方位角。利用地應力計算公式，可確定煤層中或巖石中應力值狀態。多個測點應力傳感器可以通過RS-485進行連接，組成分布式應力監測系統，可對礦井中的次生應力進行監測。經過測試和現場應用表明應力傳感器安裝方便，測量精度高，完全滿足煤礦安全生產的需求。
關鍵詞：傳感器；地應力；串口通信

1 引言
礦井中的高應力環境會導致許多工程地質災害。在開采過程中，若能及時了解煤層頂底板應力的變化情況，并采取相應措施，即可預防很多災害的發生，實現安全生產。對于煤層頂底板動態應力的測量，在我國還沒有成熟的傳感器，更沒有類似于煤礦安全監測系統的頂底板動態應力監測系統。研制適合礦井頂底板動態應力監測的傳感器是建立監測系統的關鍵環節，傳感器的原理、可靠性、精度、實用性是研究的主要內容。

2 應力測量原理
在傳統應力測量中，均通過求出平面上3個不同方向的應變分量εA，εB和εC，它們與x軸的夾角為θA，θB和θC，利用巖石彈性模量，在x和y方向上的應變分量εx，εy和γxy可由公式求出。
根據應力應變關系，可求出平面上的應力狀態。該測量方法精度較差，且應力傳感器安裝不方便，方位角誤差較大。為計算方便，使A，B，C3個測力點相隔120°。在計算過程中，設A，B，C3點的應力值分別為σA，σB和σC，σA與x軸的夾角為零。由式(1)可求出x和y方向上的應力分量σx，σy和γxy，然后通過式(2)求出最大主應力、最小主應力及各自在平面上的方位角。

應力傳感器必須能確定A，B，C的方位角，對于煤層頂底板動態應力的測量，采用打觀測鉆孔，A，B，C 3個測點的方向將是一個隨機數，即每次安裝的方位角都不同，要想確定測點的方位角，就要采用定向傳感器，采用一個單軸和一個雙軸磁阻傳感器共同搭建一個三軸的磁阻傳感器，分別測量z軸，x軸和y軸的磁場分量，通過計算可得A，B，C 3個測點的方位角。
通過加速度計感知重力加速度在x，y軸上的分量而測得俯仰角φ和翻滾角θ，并結合z軸磁阻傳感器所測量到的磁場分量。根據矢量三角形，可得折算到地球坐標系下磁場強度為：

求出分量后，可得到傳感器方位角，β∈[0，180°]，但傳感器方位角用0～360°的范圍表示，由式(3)和β計算式及對羅盤坐標系和水平坐標系變換的分析，各坐標軸和不同象限內β的值分別為：

根據以上公式可確定傳感器方位角。