【正文】 的電源需滿足，精度高，穩(wěn)定性好，和輸出的電流滿足應(yīng)變片工作的需要等條件。 傳感器的 惠斯登電橋 電路采用的是單臂測量接線法 ， 應(yīng)變片本身的溫度漂移及環(huán)境溫度等干擾，半 橋的兩個應(yīng)變片 兩者互相補償，對于輸出沒有影響。 傳 感 器 與 信號 采 集 電 路切 換通 道信 號 放大 電 路濾 波電 路A / D 轉(zhuǎn)換 電 路微 處理 器m e g a 1 6鍵 盤 電 路通 訊 電 路L C D 顯 示 電 路圖 31 整機的硬件框圖 The hardware diagram of the model 信號采 集部分 信號采集調(diào)理電路 設(shè)計是檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計中的關(guān)鍵部分 ， 是將模擬量信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號的中間過程 ， 是影響檢測準確性的最為關(guān)鍵的部分。 4） 瞬態(tài)電 阻 應(yīng)變儀 用于測量爆炸或沖擊引起的瞬態(tài)變化的應(yīng)力， 儀器具有快速響應(yīng)的能力，其頻帶達到幾千 赫茲 至幾 十萬赫茲 。 1） 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 主要用于靜態(tài)應(yīng)變或靜力試驗中有關(guān)力學(xué)量的測量。 應(yīng)變儀的分類 所謂應(yīng)變測量裝置是指以電阻應(yīng)變計為敏感元件的應(yīng)力測量儀器。 R 1R 4R 2R 3I N +I N ACBD 圖 21惠斯登電橋電路 Wheatstone bridge circuit 一、 單臂測量接線法 單臂測量接法： 如 圖 21所示， R1為工作應(yīng)變片， R2為溫度補償應(yīng)變片， R R4是固定電阻。 由于在電阻應(yīng)變測量中，必須考慮溫度補償，因而 電橋電路只能采用等臂和對稱形式。 為此，需把應(yīng)變片接入某種電路 ， 此電路將應(yīng)變片的電阻變化信號轉(zhuǎn)換成電信號。 （ 2）所測得的應(yīng)變值是其敏感柵覆蓋面積內(nèi)構(gòu)件表面的平均應(yīng)變，對于應(yīng)力梯度大的構(gòu)件表面或應(yīng)力集中的情況，測量誤差較大。一般 測量范圍在 10104μ ε 。以 應(yīng)變測量為基礎(chǔ)，可制成多種傳感器件，用于測量應(yīng)力、力、力矩、壓力、位移等非電物理量，易于實現(xiàn)多點同步測量、遠距離測量和遙測，且能用于生產(chǎn)過程的自動檢測和自動控制。 應(yīng)變測量的特點 應(yīng)變測量是分析研究機械結(jié)構(gòu)和機械強度問題的重要手段，對保證機械設(shè)備安全運行、實現(xiàn)自動檢測和自動控制等方面都具有重要的作用。依據(jù)這種效應(yīng)制成的應(yīng)變片粘貼于被測材料上，則被測材料受外界作用所產(chǎn)生的應(yīng)變就會傳送到應(yīng)變片上，從而使應(yīng)變片的 阻值發(fā)生變化 。 圍繞儀表裝置的研制過程進行展開，介紹了應(yīng)變的測量原理，詳細分析礦用便攜式靜態(tài) 電阻 應(yīng)變儀裝置的 工作原理和 硬軟件 組成 ，并分析了干擾來源 和 常用的一些抗干擾措施 ,以及 防爆設(shè)計方面需要注意的問題 。這個系列的儀器提供了多通道和可擴展性，而且還提供了RS232 接口和 IEEE488 總線接口，有極廣的應(yīng)用范圍，但是其成本很高。這樣的儀器將越來越不能適應(yīng)科研和實際工程 測 試的需要 。在國內(nèi)，還不能很好地解決測量電路和直流電源精度，測量距離、溫度、濕度對實際測量精度有較大的影響等一系列問題。 礦用便攜式靜態(tài) 電阻 應(yīng)變儀 的研制 成功，可以為巷道技術(shù)人員更好的了解支護體的受 3 力情況提供數(shù)據(jù)保障， 為進一步研究支護構(gòu)件的設(shè)計和機理提供一種新的科研手段； 降低頂板事故發(fā)生的概率，從而減小 對工人的人身安全和礦井正常生產(chǎn) 的 威脅 ， 對煤礦安全生產(chǎn)和實現(xiàn)高產(chǎn)高效具有重要的意義 ，同時具有很高的 社會和經(jīng)濟效益 國內(nèi)外發(fā)展狀況 應(yīng)變儀 以前采用交流電橋，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需電容平衡，很難實現(xiàn)橋路的自動平衡與自動標定，采用載波放大，相敏檢波，主要是當時直流放大器性能不高，因此只能采用交流放大。 錨索錨桿聯(lián)合支護具有效果好、維護費用低、勞動強度低、利于回采等優(yōu)點。 2021 年，全國頂板事故 2364 起，死亡 2766 人，占事故次數(shù)和死亡人數(shù) %和 % [1]。 2021 年我國百萬噸煤死亡率為 5%（國有重點 ，國有地方 ，鄉(xiāng)鎮(zhèn) ），為美國的 200 倍，南非的38 倍，波蘭的 19 倍，印度的 12 倍，俄羅斯的 11 倍。微弱信號的測量與分析一直是檢測技術(shù)中的難點，如μ V 級信號的檢測，應(yīng)變測量就是其中一類。 可以為巷道技術(shù)人員更好的了解支護體的受力情況提供數(shù)據(jù)保障， 為進一步研究支護構(gòu)件的設(shè)計和機理提供一種新的科研手段； 降低頂板事故發(fā)生的概率，從而減小 對工人的人身安全和礦井正常生產(chǎn) 的 威脅 ，對煤礦安全生產(chǎn)和實現(xiàn)高產(chǎn)高效具有重要的意義 ，同時具有很高的 社會和經(jīng)濟效益 。 錨索錨桿聯(lián)合支護是煤礦巷道支護改革的發(fā)展方向，得到了廣泛的應(yīng)用，取得巨大的社會和經(jīng)濟效益 。 但也存在明顯的缺點：一是頂板冒落突然，沒有明顯征兆 ； 二是冒落范圍大，對工人的人身安全和礦井正常生產(chǎn)威脅大。 2 1 緒論 本節(jié)主要介紹了應(yīng)變儀的研究背景及意義、國內(nèi)外發(fā)展情況和論文的主要 研究 工作。常用的應(yīng)變測量方法就是電阻應(yīng)變測量方法，電 阻應(yīng)變測量方法是將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號進行測量的方法，簡稱電測法。瓦斯和頂板事故最嚴重，死亡人數(shù)占全國煤礦死亡人數(shù) 74%以上，事故次數(shù)也占 70%。 我國煤礦安全事故中，頂板事故占事故次數(shù)的 50%以上，死亡人數(shù)占 30%以上，造成這種局面其中一個主要原因是對圍巖變形、破壞、支護體受力狀況沒有全面、及時地了解，不能準確預(yù)測預(yù)報頂板事故。但也存在明顯的缺點：一是頂板冒落突然，沒有明顯征兆 ； 二是冒落范圍大，對工人的人身安全和礦井正常生產(chǎn)威脅大。 直流結(jié)構(gòu)簡單，不需考慮橋路分析電容的影響，因此可實現(xiàn)橋路的自動平衡、自動標定，但電源精度、橋路線路都會產(chǎn)生影響測量精度，因此在國內(nèi)直流橋路測量大都用在靜態(tài)應(yīng)變 測量 中。 目前國內(nèi)做的比較好的 應(yīng)變儀 廠商 有華東電子儀器廠、靖江東華 、 揚州泰司 、 北戴河蘭德公司等，國外有日本東京測器和美國的 NEFF 公司等 。 在計算機化測控為主流的今天，不可程控的儀器由于不能加入智能化的測試與控制系統(tǒng)而將被淘汰。 與此同時，國內(nèi)的許多高校也在積極開發(fā)，南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院精儀系已經(jīng)成功地開發(fā)出基于 VXI 總線的可程控應(yīng)變儀模塊，目前它已成功的廣泛應(yīng)用于各種科學(xué)實驗與實際的工程測試中。 在設(shè) 計和研制 礦用便攜式 靜態(tài) 電阻 應(yīng)變儀 中， 本人的主要 是 利用應(yīng)變測量的理論和微弱信號檢測技術(shù)進 行設(shè)計， 同時 結(jié)合礦用防爆安全等要求進行器件的選取 。 通過測量阻值的變化量，就可反映出外界作用力的大小。在各種應(yīng)變測量中，電阻式應(yīng)變儀的電測發(fā)是最基本和應(yīng)用最廣泛的測量方法 [3]。 （ 3）動態(tài)特性好。 （ 5）適應(yīng)性強。如果選用柵長很小的應(yīng)變計，則可以使測量值盡可能地接近測點的實際應(yīng)變值。常用的電路有三種，即電位計、惠斯登電橋和雙恒流源電路。按照相鄰橋臂匹配情況的不同，可 分為輸出對稱電橋，電源對稱電橋和等臂電橋。 二、 半橋測量接線法 在測量電橋的橋臂 AB和 BC上接電阻應(yīng)變片，而另外兩個臂 AD和 CD接應(yīng)變儀的內(nèi)部固定電阻 R，則稱半橋接線法 。整套的應(yīng)力測量系統(tǒng)應(yīng)包括敏感元件、信號的放大和變換 (調(diào)制 )、記錄和顯示、測量數(shù)據(jù)的存貯、傳遞復(fù)現(xiàn)及自動處理等部分。靜態(tài)電阻應(yīng)變儀可分為手動平衡和切換及自動切換和平衡兩種類型。 5） 數(shù)字式電阻應(yīng)變儀 利用數(shù)字化技術(shù)，把靜態(tài)或準靜態(tài)應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在儀器的面板上直接顯示或由打印機打印出記錄結(jié)果。 傳感器的選用 選取 傳感器為井巷用電阻應(yīng)變式測力錨桿 CM200和 GYS300型錨索測力計 。 9 1 ( 2 ) 3 ( 4 ) 5 ( 6 ) 7 ( 8 ) 9 ( 1 0 ) 1 1 ( 1 2 ) 圖 32應(yīng)變片布局圖 The layout chart of strain foil 1 23 （ 1為剛體， 2為電阻應(yīng)變片， 3為端蓋 ） 圖 33 GYS300 型 錨索測力計結(jié)構(gòu)簡圖 The skeleton drawing of prestressed tendon anchorage dynamemter GYS300 惠斯登電橋的橋源 應(yīng)變儀對橋源的精度、穩(wěn)定性要求很高，因為從傳感器輸出的模擬量與橋源電壓有著直接的關(guān)系，橋源的精度和穩(wěn)定性直接 影響輸出量的精度和穩(wěn)定性，因此設(shè)計一種高精度和高穩(wěn)定性 供 橋電源尤為重要 [5]。 再 根據(jù)傳感器應(yīng)變片的接法和惠斯登電橋的設(shè)計結(jié)構(gòu)， 通常情況下其電橋是不平衡的， 采用電流源不是很適宜 ； 恒壓源供電的不平衡應(yīng)變電橋廣泛地使用在應(yīng)力、應(yīng)變測量中，是工業(yè)、建筑、計量行業(yè)提取測量對象應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)的主要手段之一 。 10 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 16 J un 20 10 S h e e t of F il e : E : \ 畢業(yè)設(shè)計 \ 初稿 上交 \ 大圖 \ 復(fù)件 復(fù)件 M y D e s i g bD r a w n B y:D1 1 0 uFD2L M 38 5 1 . 2+ 5VR110KC A 1L M 38 5 1 . 2C A 21 0 uF+ V 5 VR210K 1 .2V 圖 34電壓源的電路原理圖 The circuit schematic diagram of voltage source 信號切換開關(guān) 為了獲取測力錨桿各段彎曲載荷 或 錨索測力計的兩端載荷， 本設(shè)計需要采用多路 開關(guān)來切換各段電橋的通斷。 與機械觸點式 多路 開 關(guān)相比，模擬電子開關(guān)具有切換速度高、無抖動、易于集成等特點，但其導(dǎo)通電阻一般較大，輸出電壓、電流容量較小，動態(tài)范圍很有限，常用于高速且要系統(tǒng)體積小的場合。 CMOS 場效應(yīng) 管 開關(guān)是一種應(yīng)用最普遍的模擬開關(guān)，它能克服單溝道場效應(yīng)管開啟電阻隨輸入電壓變化而變化的缺點，具有較其他電子開關(guān)明顯的特性好，成本低等優(yōu)點，目前常用的集成模擬開關(guān)大多采用了 CMOS 工藝。 R sRR s ( 1 + σ )RI N +I N s(1+σ)IN+INRRs （ a） 切換橋源 （ b） 切換通道 圖 35半橋式應(yīng)變測量 電 路 The strain measuring circuit of semibridge system 選擇電子開關(guān)的關(guān)鍵是要求其在導(dǎo)通時阻抗很小，切換迅速等。 信號放大部分 由于 通過惠斯登 電橋輸出 的 信號一般是 μV級，所以要求電路前級放大部分必須有較強的噪音抑止功能和較高的共模抑制比（ CMRR），以免有用信號被外部的 噪聲淹沒；同時，控制放大倍數(shù)不易過大，以免微小的 失調(diào)電壓可能對電路產(chǎn)生嚴重影響。與之相比，在 G=1 時， AD8221 所有等級產(chǎn)品 的最低 CMRR 均為 80Db 并寬至 10KHz。 V c cV c c++V c c+ REFVVo u tV1V2RGR2 R2 R3 R3 R4 R4 圖 37三運放設(shè)計的儀表放大器 instrumentation amplifier of the design with three operational amplifiers 13 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 16 J un 20 10 S h e e t of F il e : E : \ 畢業(yè)設(shè)計 \ 初稿 上交 \ 大圖 \ 復(fù)件 復(fù)件 M y D e s i g bD r a w n B y:R3500傳感器輸出的C30 . 0 1 u FC50 . 3 3 u FC40 . 0 1 u FC60 . 3 3 u F+ 5V 5 V I N+ V sRgO U TRgR E F+ I N V s1234 5678A D 8 22 1J P 1A D 8 2 2 1信號輸出毫伏電壓信號C10 . 1 u FC20 . 1 u FR2120R1120 圖 38 AD8221的外部接線圖 The circuit diagram of AD221 AD8221 的傳遞函數(shù)為： RgKG ??? （ 31） 可編程增 益為用戶提供設(shè)計靈活性。 本設(shè)計中 將 傳感器傳出的 V? 級信號需放大 100 倍至 ，即每個微 應(yīng)變 ? 對應(yīng) ，可得 ： ??? ??? 3 G KRgR