礦用應(yīng)力傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中用到的電源有+5 V，+3．3 V，+2．5 V和-2．5 V，MSP430單片機(jī)的工作電壓為+3．3 V，放大電路工作電壓為+2．5 V和-2．5 V。通過同步電壓轉(zhuǎn)換器芯片MP2104和BL8503可將+5 V電壓轉(zhuǎn)換成+3．3 V和+2．5 V電壓。通過MAX660可從輸入+2．5 V電壓產(chǎn)生-2．5 V的電壓。
由于測應(yīng)力傳感器轉(zhuǎn)換得到電信號幅度往往較小，因此A／D轉(zhuǎn)換時(shí)需放大傳感器信號。信號變化范圍為0～60 mV，當(dāng)壓力值增加1 MPa時(shí)，其輸出量增加幾毫伏，隨著壓力值變化，電橋輸出信號很小，即有用信號幅度絕對值很小。
單片機(jī)對數(shù)據(jù)采集時(shí)，需將3路應(yīng)力和3路磁場值進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。此處選用ADS1110芯片。
異步通信接口電路采用新型電平轉(zhuǎn)換器件MAX485E。為減少系統(tǒng)干擾，抑制回路產(chǎn)生的噪音，此處采用光電耦合器PC410，實(shí)現(xiàn)輸入地與輸出地的隔離。采用的單片機(jī)MSP430F149包含兩個USART模塊，可很方便地與MAX485E連接。
電子羅盤工作環(huán)境惡劣。外部磁場強(qiáng)度超過20 Gs時(shí)，傳感器輸出特性將發(fā)生較大改變，此處采用兩個場效應(yīng)管，由微控制器觸發(fā)，產(chǎn)生約2 A的大電流脈沖對兩個磁阻傳感器進(jìn)行置位／復(fù)位。
軟件方面，首先對MSP430F149定時(shí)器、芯片及通訊模塊等進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入循環(huán)，根據(jù)任務(wù)控制器的不同，分別執(zhí)行初始化采集通道、采集存儲數(shù)據(jù)、A／D采集數(shù)據(jù)、應(yīng)力值計(jì)算、計(jì)算磁場值等不同任務(wù)。中斷程序用于響應(yīng)事件，并對相應(yīng)標(biāo)志置位，然后將參數(shù)返回給主程序處理。

4 試驗(yàn)及應(yīng)用
采用CW-600T活塞式壓力計(jì)對傳感器進(jìn)行測試，其量程為0～60MPa，精度為0．02級，符合要求。表1中實(shí)值為利用活塞式壓力計(jì)所加壓力值，另3項(xiàng)為應(yīng)力傳感器所測對應(yīng)值。將表1測量數(shù)據(jù)代入e=max(P實(shí)際值-P測量值)／15，可求出測量誤差。

通過計(jì)算，3路應(yīng)力測量誤差分別為0．27％，0．2％和0．27％，達(dá)到設(shè)計(jì)誤差小于1％的要求。同時(shí)對傳感器電子羅盤進(jìn)行測試，將傳感器固定在勻速轉(zhuǎn)臺上，將勻速轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周，此時(shí)僅考慮傳感器在水平面內(nèi)運(yùn)動，只考慮x，y的輸出。經(jīng)測試，傳感器方位角最大誤差為3．8°，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求小于5°的指標(biāo)，相比人工測量方法，誤差明顯降低，滿足實(shí)際需要。應(yīng)力傳感器開發(fā)完成后，在4個礦井進(jìn)行了長達(dá)1年的工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況在理論上完全吻合。

5 結(jié)論
多項(xiàng)室內(nèi)整體標(biāo)定試驗(yàn)表明，該應(yīng)力傳感器在測量時(shí)穩(wěn)定、可靠，分辨率達(dá)0．01 MPa，最大量程15 MPa，實(shí)測誤差小于1％。經(jīng)過在煤礦現(xiàn)場測試，傳感器可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)力傳感器具有測量穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、操作簡單、價(jià)格低廉、安裝方便等特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景。