0 引言

　　錨固技術(shù)是地下工程中的一項非常重要的技術(shù),，核心是用錨桿對周圍巖層或土體進行支護,，從而維持地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,，防止坍塌、滑移等災(zāi)害的出現(xiàn)[1],。而在我國煤礦巷道監(jiān)測方面,，主要有頂板離層監(jiān)測[2]、表面應(yīng)力監(jiān)測,、表面收斂監(jiān)測等手段,，但這些監(jiān)測手段主要監(jiān)測的都是巷道表面的數(shù)據(jù)，一旦這些參數(shù)有變化時,，可能巷道頂板已經(jīng)處于危險狀態(tài),。鑒于這種現(xiàn)狀，本文提出了一種新的礦用應(yīng)力監(jiān)測手段——測力錨桿監(jiān)測系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測出錨桿在不同深度,、不同時期的受力大小和分布情況，同時了解其受力特性,，能夠及時做出防護,。

　　該系統(tǒng)的研制成功對了解圍巖的受力特性提供了依據(jù)，同時對礦山錨固技術(shù)和錨桿的受力參數(shù)優(yōu)化也提供了科學(xué)的設(shè)計依據(jù),。本設(shè)計實現(xiàn)了煤礦井下智能化監(jiān)測,，對國家數(shù)字礦山計劃的實施有很好的借鑒作用。

1 測力錨桿的設(shè)計與原理

　　為了更好地了解測力錨桿的特性,，一般的做法是在實驗室進行標(biāo)定,，然后根據(jù)實驗結(jié)果再進行現(xiàn)場的修改以及標(biāo)定。為了盡可能地與實際使用的錨桿相同,，在實驗室測試的錨桿是從礦上直接取的，取回來的錨桿材質(zhì)為螺紋鋼,，長度為2 200 mm,，直徑為22 mm。

　　測力錨桿的工作原理為：將應(yīng)變片粘貼到錨桿上,，錨桿在受到外力的作用時會發(fā)生變形,，從而使應(yīng)變片上的電阻絲發(fā)生形變，引起應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化,，進而使輸出電壓值發(fā)生變化,，測出電壓值后，再根據(jù)電壓與應(yīng)力的關(guān)系,，算出錨桿的受力大小[3],。電阻變化率與錨桿長度的變化率成正比關(guān)系，即：R/R=K·L/L,。其中K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù),?？梢姡绻梢詼y出電阻值的變化(?駐R/R),，就可得出應(yīng)變片的應(yīng)變值,，最后根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系求出應(yīng)力值，而應(yīng)力值與貼片處承受的軸向力有一定的關(guān)系,，即：F=ε·S·E,，ε為應(yīng)變值，E為鋼彈性模量,，S為測力錨桿的截面積[4],。

　　由于測力錨桿系統(tǒng)是以一種支護方式對巷道進行支護，以及對各深度的錨桿受力進行分析,，為了能夠更貼近礦用錨桿,，以及滿足現(xiàn)場的實時檢測，對拿回來的錨桿進行特殊處理,。依據(jù)測力原理,，設(shè)計的測力錨桿傳感器如圖1所示。

　　在設(shè)計上將原錨桿的兩側(cè)各對稱開一矩形斷面溝槽,，在溝槽內(nèi)每隔300 mm的距離分別對稱地布貼6對橫豎型電阻應(yīng)變片[5],。電阻應(yīng)變片按照一定的連接方式組成惠斯通電橋, 然后將導(dǎo)線沿溝槽引至集線盒，并用環(huán)氧樹脂灌封粘帖應(yīng)變片和布線后的溝槽,，集線盒將與航空插頭連接,然后通過航空插頭的連接線與后期電路板相連,。圖2為錨桿開槽截面。

　　實驗中測試的方法是將工作應(yīng)變片和溫度補償應(yīng)變片貼在錨桿的兩個相對的槽內(nèi),，組成惠斯通電橋,。如圖3所示，圖中R1,、R3為溫度補償應(yīng)變片,，R2、R4為測試應(yīng)變片,，R2,、R4沿錨桿軸向排列，溫度補償片與R2,、R4的排列方向正好垂直,，起到了溫度補償作用[6]。

2 系統(tǒng)硬件組成部分

　　測力錨桿監(jiān)測系統(tǒng)主要是完成對支護的錨桿內(nèi)部受力情況的監(jiān)測,，從而對該地區(qū)頂板受力情況做出分析和預(yù)警,。整個系統(tǒng)分成三部分：測力錨桿傳感器（通信分站）、通信主站,、井上平臺（上位機）,。圖4為整個系統(tǒng)的框架,。

　　2.1 測力錨桿傳感器電路

　　該電路主要是采集測力錨桿傳感器的受力信號，由微處理器進行處理,，再通過無線模塊傳到主站,。圖5為通信分站系統(tǒng)框架。主控芯片選用的是TI的CC2530,，模擬前端也選用的是TI的LMP90100,，是具有放大器和AD功能的集成芯片；無線通信使用CC2530和CC2591的配合,，這種配合不僅增大發(fā)射功率,，而且延長了通信距離[7]。

　　主控芯片CC2530通過SPI總線來控制模擬前端LMP90100各通道模擬量的選取和采集,。模擬前端LMP90100是TI公司的一款高度集成,、多通道、低功耗24位放大與AD集成芯片,，電壓范圍為2.85 V～5.5 V,。該器件提供了7個單端輸入或4個差分輸入，從而可以允許連接更多的傳感器,，而測力錨桿上是6路差分信號,，所以采用了2片LMP90100芯片來作為測力錨桿采集信號的電路。主控芯片CC2530會將采集回來的電壓信號通過事先標(biāo)定好的軸向力與電壓的對應(yīng)關(guān)系,，得出相應(yīng)的軸向力,。如果得到的數(shù)據(jù)超過報警值，則會在數(shù)碼管上進行顯示,，提醒工作人員進行查看,。

　　無線通信模塊由CC2530和CC2591配合使用，不僅增加了發(fā)射功率,，保證了相鄰的2個分站能互相無差錯的通信,，同時中間有分站發(fā)生故障后信號還能通過跳躍的方式傳到下一節(jié)點，以提高系統(tǒng)的可靠性,。此模塊的電源通過一個PMOS管開關(guān)進行控制，保證系統(tǒng)在不工作時斷電,，同時分站長時間不工作時會進入休眠模式,，以此最大限度降低系統(tǒng)的功耗。

　　2.2 主站設(shè)計

　　主站在整個系統(tǒng)中起承上啟下的作用,，它不僅要與分站進行通信來獲取數(shù)據(jù)和時鐘校準(zhǔn),，還要與上位機通信進行上傳數(shù)據(jù)，使工作人員可以方便地隨時查看歷史數(shù)據(jù),，進行管理,。主站由主處理器模塊（STM32）,、無線傳輸模塊（CC2530）,、電源保護模塊,、存儲模塊、485模塊,、液晶屏顯示模塊及以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊組成,，結(jié)構(gòu)見圖6。

　　無線通信模塊負(fù)責(zé)接收各傳感器傳來的的數(shù)據(jù),，然后通過SPI方式傳給主控制器STM32,，再由液晶顯示屏將數(shù)據(jù)顯示出來，并對數(shù)據(jù)進行存儲,。顯示模塊是一個人機交互界面,，可以通過按節(jié)點、按時間查詢各傳感器數(shù)據(jù),，也可以對數(shù)據(jù)進行分析處理,，以曲線形式直觀地顯示出來。還可以通過觸摸屏對各傳感器的采集間隔,、傳輸間隔,、網(wǎng)絡(luò)ID和時間校準(zhǔn)進行設(shè)置。以太網(wǎng)轉(zhuǎn)光纖模塊的作用是將分站的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面的上位機,。

3 通信協(xié)議設(shè)計

　　本系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)是傳感器節(jié)點的通信網(wǎng)絡(luò)能夠穩(wěn)定正常地工作,，好的通信協(xié)議的設(shè)計有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)對功耗要求很高,，所以,，通信協(xié)議設(shè)計中，功耗是其考慮的非常關(guān)鍵的因素,。本設(shè)計增加了應(yīng)答機制及睡眠機制,，在保證通信可靠性的基礎(chǔ)上極大地降低了功耗。

　　每個分站都有一個唯一的網(wǎng)絡(luò)ID,，如圖7所示,，假設(shè)有5個分站，則5號～1號的ID號分別為0xff05～0xff01,。當(dāng)所有分站初始設(shè)置完成之后,，每個分站都會轉(zhuǎn)移到等待接收同步時間的狀態(tài)。此時,，主站會向ZigBee主站發(fā)送同步時間命令,，ZigBee主站在收到同步時間命令后，會把此命令發(fā)送到5號分站，5號分站收到此命令后會開啟本地2小時睡眠定時器,，啟動定時,；接著，5號分站會把本條同步時間命令發(fā)送給4號,，4號分站收到來自5號的同步時間命令后,，會做跟5號同樣的工作，然后把同步命令再發(fā)給3號,依次傳遞,。當(dāng)1號分站收到同步時間后,，便會轉(zhuǎn)移到給2號分站發(fā)送應(yīng)力數(shù)據(jù)的狀態(tài),1號給2號發(fā)完數(shù)據(jù)便會進入睡眠狀態(tài)。當(dāng)2號分站收到1號傳來的數(shù)據(jù)后便會把自己當(dāng)前采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)跟1號傳來的數(shù)據(jù)一同打包發(fā)送給3號,，然后也進入睡眠狀態(tài),，依次傳遞。最后,，5號分站收到4號發(fā)來的數(shù)據(jù)后,，便會把自己的數(shù)據(jù)跟前4號數(shù)據(jù)一同打包，發(fā)送給ZigBee主站,。ZigBee主站收到所有數(shù)據(jù)后,，便會通過SPI總線發(fā)送給主站，主站便會保存所有數(shù)據(jù),。到此,，本次通信完成。2小時后,，各個分站會同時醒來,，準(zhǔn)備下一次通信。

4 測力錨桿的標(biāo)定測試和分析

　　4.1 標(biāo)定實驗

　　測力錨桿在投入使用前,，需要在實驗室對其進行標(biāo)定,，將從礦上取回來的錨桿按照上述的制作工藝方法先進行加工。按照如圖8測試結(jié)構(gòu)進行實驗測試,。用電子萬能試驗機對測力錨桿施加不同拉力,，測出不同拉力對應(yīng)的電壓值，以找出力與電壓的對應(yīng)關(guān)系,。這樣標(biāo)定可以用于相同材料,、相同批號、相同長度的礦用螺紋鋼[8],。

　　用一根錨桿在實驗機上做3次測試,，得出3次不同電壓值。表1為力與電壓關(guān)系數(shù)據(jù)表,，圖9為力與電壓曲線圖,。

　　分析圖可得出一下結(jié)論：

　　(1)3次測量數(shù)據(jù)基本相同，相對誤差在1%以內(nèi),，表明只要注意適當(dāng)?shù)恼程に?，制作的測力錨桿的一致性是可以保證的。

　　(2)所得電壓與拉力的線性度很好,，說明應(yīng)變片質(zhì)量不錯,，同時芯片LMP90100放大特性比較好。

　　(3)測力錨桿在不同時間段,、不同溫度下所得的曲線基本不變,，說明測力錨桿傳感器比較穩(wěn)定，可以在井下工作,。

　　4.2 線性分析

　　從圖9中可以看出放大后的電壓信號與拉力之間滿足了線性特性,，故數(shù)據(jù)進行最小乘法線性擬合，則得到的線性方程為：

　　V=6.44F-253.88(1)

　　式中,，V為放大后電壓,，F(xiàn)為拉力。

5 結(jié)語

　　根據(jù)多年來工程實踐的經(jīng)驗,，在煤礦巷道施工中,，實時監(jiān)測支護錨桿的受力情況，對于分析錨桿的工作狀態(tài)及圍巖的安全狀況有重大意義,，而且為優(yōu)化錨桿的設(shè)計參數(shù),、改善施工質(zhì)量提供可靠的科學(xué)依據(jù)。本系統(tǒng)可以把不同位置,、不同深度的頂板受力情況進行分析,，從而可以全面了解煤礦頂板地質(zhì)情況。

　　參考文獻

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