一种新型矿用锚索（杆）静态电阻应变仪的研究

王海潮，王国伟，贾晓娣

（1．煤炭科学研究总院，北京 100013;2．煤炭科学研究总院煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室，北京 100013;3．北京华宇工程有限公司，北京 100120）

0 引言

随着煤炭生产机械化程度的不断提高，大型采掘设备在井下的应用越来越普遍，迫使巷道断面逐渐增大，采面推进速度不断加快，巷道广泛采用锚索锚杆联合支护。但为确保安全，要对巷道顶板受力进行监测，以预防和减少冒顶事故的发生。本文介绍了一种以单片机为主控模块具有数据采集、存储和查询等功能的锚索（杆）静态数字电阻应变仪［1］，并着重对其信号调理电路进行了详细分析。

1 应变信号检测原理

应变仪依据应变电阻受力作用下的变化规律式中K为电阻应变计灵敏系数，一般为2．0左右，ΔL/L即ε是应变计相对变化量［2］。

通过平衡电桥将应变计电阻值因受力变化而变化的结果转换成电信号进行分析处理，以反映被测对象受力情况［3］。

本文研究的静态数字电阻应变仪硬件原理如图1所示。

图1 应变仪硬件原理图Fig 1 Hardware principle diagram of the strain gauge

数字电阻应变仪以井巷用电阻应变式锚索测力计GYS—300作一次仪表为例进行阐述，该测力计内部有2只测力应变计，如图2所示。平衡电桥采用惠斯登电桥，如图3。

图2 GYS—300型锚索测力计与结构简图Fig 2 Anchor cable dynamometer of GYS—300 and its structure chart

图3 惠斯登电桥电路Fig 3 Wheatstone bridge circuit

图3中温度补偿电阻R2与应变电阻R1为相同材质、相同阻值（120 Ω），其作用是抵消R1受温度变化的影响，为计算分析方便，R3，R4阻值也取120Ω，为精度0．1%的普通金属膜电阻器。由于测试桥臂有多只应变计，故以虚线表明工作时要进行切换［4］。

2 应变仪信号调理电路

2．1 电桥基准电压源

±9 V本安电源经低功耗稳压二极管LM385—1．2处理后构成 +1．2 V和 －1．2 V电压源为应变仪电桥供电。LM385—1．2 稳压 1．2 V，原始精度达 1%，工作电流 15μA～20 mA，其工作原理如图4所示。

图4 电压源电路原理图Fig 4 Circuit principle diagram of voltage source

2．2 电桥多路测试与信号放大电路

为获取测力锚索（杆）各段受力情况，本文采用场效应开关管来切换各段应变计与电桥的通断［5］，从而获取整个锚索（杆）的受力载荷，其原理见图5。图中R3，R4桥臂串接的开关管Q1是为了平衡应变电阻测试桥臂选通开关管的导通阻值的影响，以提高测试数据的准确性。同时当应变仪没有进行数据采集时，各开关管都处于截止状态，较其他形式电桥采集电路而言，该结构降低了桥臂电阻对电源的功耗。电桥输出信号经高精度运放TLE2022差分（减法）放大后进行滤波处理。

图5 电桥多路切换测试与信号放大电路Fig 5 Circuit of multiplexed test bridge and signal amplifier

2．3 有源低通滤波电路

应变仪的测量值为缓慢变化的应力，电桥输出电压为微伏级的低频信号，为防止高频干扰，设计了由低噪声精密运算放大器 TLC2262构成的有源低通滤波器［6］，如图6。通过合理选择电阻与电容值设置截止频率为15 Hz。滤波处理后的信号，经高精度A/D转换器ICL7135后送单片机处理［7］。

图6 低通滤波器（带信号放大）Fig 6 Low pass filter with signal amplification

3 软件设计

应变仪软件采用C语言编制，以模块化程序结构、循环扫描方式进行信号采集及数据处理，主程序如图7所示。

4 抗干扰技术

由于被测信号十分微小，为避免由接地线公共阻抗造成的窜扰，电路采取并联一点接地技术，模拟地与数字地最终通过零欧电阻一点相连，提高应变仪的抗干扰性能。

为避免通过场效应管从一个通道切换到另一个通道时，其自身导通—截止与截止—导通过渡时间和由此可能产生的冲击信号影响，发出选通脉冲延时约10 ms后才开始采集A/D转换器的电压值，以确保测量数据真实准确［8］。

本文采用精度为（±0．05% ±0．1）×10－6的标准应变模拟仪SDY2306对应变仪上述指标进行测试，并通过对软件修正，解决了实验中出现的问题［8］。实验数据如表1。实验表明本应变仪稳定性、线性度良好，精度达到0．1%、零位漂移不大于±1×10－6/4 h，满足设计要求。

图7 主程序流程图Fig 7 Flow chart of main program

表1 应变仪测试数据Tab 1 Test datas of the strain gauge

5 结论

本文研究的新型矿用锚索（杆）静态电阻应变仪作为一种数据采集仪表，巧妙运用平衡电桥与电子开关切换技术，实现了锚索（杆）多通道应变计数据采集功能，并且降低了电源功耗，提高了测量精度，有助于改善和提高煤矿巷道的安全状况。

［1］ 王书平，宋雅静，王 惠．矿用智能锚杆测量仪设计［J］．煤矿机械，2007（5）:28－30．

［2］ 钟 立，王深茂．一种基于单片机控制的智能型应变仪设计［J］．自动化技术与应用，2006，25（3）:36 －38．

［3］ 伊福炎．电阻应变计技术六十年（6）:应变信号的传递、测量和贮存技术的进展［J］．传感器技术，1999，18（8）:12 －17．

［4］ 晏 红．长期应变测试中电阻应变仪测量电桥的研究［J］．现代仪器，2001（3）:18－20．

［5］ 王晓军，孙 倩，张凤龙，等．基于ATMega16L矿用锚杆静态电阻应变仪的研究［J］．辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2011，30（2）:288 －291．

［6］ 童诗白，华成英．模拟电子技术基础［M］．北京:高等教育出版社，2001:347 －354．

［7］ 王国伟，郭凤仪，吴志刚．一种矿用便携式锚杆静态应变仪的设计［J］．工矿自动化，2009（7）:27－29．

［8］ 王国伟．矿用便携式静态电阻应变仪的研究与实现［D］．葫芦岛:辽宁工程技术大学，2009:52－58．