【正文】 的電源需滿(mǎn)足，精度高，穩(wěn)定性好，和輸出的電流滿(mǎn)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(cè)量接線(xiàn)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(gè)應(yīng)變片 兩者互相補(bǔ)償，對(duì)于輸出沒(méi)有影響。 傳 感 器 與 信號(hào) 采 集 電 路切 換通 道信 號(hào) 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(pán) 電 路通 訊 電 路L C D 顯 示 電 路圖 31 整機(jī)的硬件框圖 The hardware diagram of the model 信號(hào)采 集部分 信號(hào)采集調(diào)理電路 設(shè)計(jì)是檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分 ， 是將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)的中間過(guò)程 ， 是影響檢測(cè)準(zhǔn)確性的最為關(guān)鍵的部分。 4） 瞬態(tài)電 阻 應(yīng)變儀 用于測(cè)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(dá)到幾千 赫茲 至幾 十萬(wàn)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(yàn)中有關(guān)力學(xué)量的測(cè)量。 應(yīng)變儀的分類(lèi) 所謂應(yīng)變測(cè)量裝置是指以電阻應(yīng)變計(jì)為敏感元件的應(yīng)力測(cè)量?jī)x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(cè)量接線(xiàn)法 單臂測(cè)量接法： 如 圖 21所示， R1為工作應(yīng)變片， R2為溫度補(bǔ)償應(yīng)變片， R R4是固定電阻。 由于在電阻應(yīng)變測(cè)量中，必須考慮溫度補(bǔ)償，因而 電橋電路只能采用等臂和對(duì)稱(chēng)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 （ 2）所測(cè)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(duì)于應(yīng)力梯度大的構(gòu)件表面或應(yīng)力集中的情況，測(cè)量誤差較大。一般 測(cè)量范圍在 10104μ ε 。以 應(yīng)變測(cè)量為基礎(chǔ)，可制成多種傳感器件，用于測(cè)量應(yīng)力、力、力矩、壓力、位移等非電物理量，易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)量和遙測(cè)，且能用于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。 應(yīng)變測(cè)量的特點(diǎn) 應(yīng)變測(cè)量是分析研究機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度問(wèn)題的重要手段，對(duì)保證機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)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(cè)材料上，則被測(cè)材料受外界作用所產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)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(guò)程進(jìn)行展開(kāi)，介紹了應(yīng)變的測(cè)量原理，詳細(xì)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(lái)源 和 常用的一些抗干擾措施 ,以及 防爆設(shè)計(jì)方面需要注意的問(wèn)題 。這個(gè)系列的儀器提供了多通道和可擴(kuò)展性，而且還提供了RS232 接口和 IEEE488 總線(xiàn)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(lái)越不能適應(yīng)科研和實(shí)際工程 測(cè) 試的需要 。在國(guó)內(nèi)，還不能很好地解決測(cè)量電路和直流電源精度，測(cè)量距離、溫度、濕度對(duì)實(shí)際測(cè)量精度有較大的影響等一系列問(wèn)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(hù)體的受 3 力情況提供數(shù)據(jù)保障， 為進(jìn)一步研究支護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和機(jī)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(duì)工人的人身安全和礦井正常生產(chǎn) 的 威脅 ， 對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效具有重要的意義 ，同時(shí)具有很高的 社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 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(shí)現(xiàn)橋路的自動(dòng)平衡與自動(dòng)標(biāo)定，采用載波放大，相敏檢波，主要是當(dāng)時(shí)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(hù)具有效果好、維護(hù)費(fèi)用低、勞動(dòng)強(qiáng)度低、利于回采等優(yōu)點(diǎn)。 2021 年，全國(guó)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(guó)百萬(wàn)噸煤死亡率為 5%（國(guó)有重點(diǎn) ，國(guó)有地方 ，鄉(xiāng)鎮(zhèn) ），為美國(guó)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(hào)的測(cè)量與分析一直是檢測(cè)技術(shù)中的難點(diǎn)，如μ V 級(jí)信號(hào)的檢測(cè)，應(yīng)變測(cè)量就是其中一類(lèi)。 可以為巷道技術(shù)人員更好的了解支護(hù)體的受力情況提供數(shù)據(jù)保障， 為進(jìn)一步研究支護(hù)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和機(jī)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(duì)工人的人身安全和礦井正常生產(chǎn) 的 威脅 ，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效具有重要的意義 ，同時(shí)具有很高的 社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益 。 錨索錨桿聯(lián)合支護(hù)是煤礦巷道支護(hù)改革的發(fā)展方向，得到了廣泛的應(yīng)用，取得巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益 。 但也存在明顯的缺點(diǎn)：一是頂板冒落突然，沒(méi)有明顯征兆 ； 二是冒落范圍大，對(duì)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(guó)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(cè)量方法就是電阻應(yīng)變測(cè)量方法，電 阻應(yīng)變測(cè)量方法是將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的方法，簡(jiǎn)稱(chēng)電測(cè)法。瓦斯和頂板事故最嚴(yán)重，死亡人數(shù)占全國(guó)煤礦死亡人數(shù) 74%以上，事故次數(shù)也占 70%。 我國(guó)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(gè)主要原因是對(duì)圍巖變形、破壞、支護(hù)體受力狀況沒(méi)有全面、及時(shí)地了解，不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)頂板事故。但也存在明顯的缺點(diǎn)：一是頂板冒落突然，沒(méi)有明顯征兆 ； 二是冒落范圍大，對(duì)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(jiǎn)單，不需考慮橋路分析電容的影響，因此可實(shí)現(xiàn)橋路的自動(dòng)平衡、自動(dòng)標(biāo)定，但電源精度、橋路線(xiàn)路都會(huì)產(chǎn)生影響測(cè)量精度，因此在國(guó)內(nèi)直流橋路測(cè)量大都用在靜態(tài)應(yīng)變 測(cè)量 中。 目前國(guó)內(nèi)做的比較好的 應(yīng)變儀 廠(chǎng)商 有華東電子儀器廠(chǎng)、靖江東華 、 揚(yáng)州泰司 、 北戴河蘭德公司等，國(guó)外有日本東京測(cè)器和美國(guó)的 NEFF 公司等 。 在計(jì)算機(jī)化測(cè)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(cè)試與控制系統(tǒng)而將被淘汰。 與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的許多高校也在積極開(kāi)發(fā)，南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院精儀系已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出基于 VXI 總線(xiàn)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(shí)驗(yàn)與實(shí)際的工程測(cè)試中。 在設(shè) 計(jì)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(cè)量的理論和微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)進(jìn) 行設(shè)計(jì)， 同時(shí) 結(jié)合礦用防爆安全等要求進(jìn)行器件的選取 。 通過(guò)測(cè)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(cè)量中，電阻式應(yīng)變儀的電測(cè)發(fā)是最基本和應(yīng)用最廣泛的測(cè)量方法 [3]。 （ 3）動(dòng)態(tài)特性好。 （ 5）適應(yīng)性強(qiáng)。如果選用柵長(zhǎng)很小的應(yīng)變計(jì)，則可以使測(cè)量值盡可能地接近測(cè)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)變值。常用的電路有三種，即電位計(jì)、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(duì)稱(chēng)電橋，電源對(duì)稱(chēng)電橋和等臂電橋。 二、 半橋測(cè)量接線(xiàn)法 在測(cè)量電橋的橋臂 AB和 BC上接電阻應(yīng)變片，而另外兩個(gè)臂 AD和 CD接應(yīng)變儀的內(nèi)部固定電阻 R，則稱(chēng)半橋接線(xiàn)法 。整套的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)包括敏感元件、信號(hào)的放大和變換 (調(diào)制 )、記錄和顯示、測(cè)量數(shù)據(jù)的存貯、傳遞復(fù)現(xiàn)及自動(dòng)處理等部分。靜態(tài)電阻應(yīng)變儀可分為手動(dòng)平衡和切換及自動(dòng)切換和平衡兩種類(lèi)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(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在儀器的面板上直接顯示或由打印機(jī)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(cè)力錨桿 CM200和 GYS300型錨索測(cè)力計(jì) 。 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(cè)力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 The skeleton drawing of prestressed tendon anchorage dynamemter GYS300 惠斯登電橋的橋源 應(yīng)變儀對(duì)橋源的精度、穩(wěn)定性要求很高，因?yàn)閺膫鞲衅鬏敵龅哪M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(jì)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(jì)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(cè)量中，是工業(yè)、建筑、計(jì)量行業(yè)提取測(cè)量對(duì)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(jì) \ 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(hào)切換開(kāi)關(guān) 為了獲取測(cè)力錨桿各段彎曲載荷 或 錨索測(cè)力計(jì)的兩端載荷， 本設(shè)計(jì)需要采用多路 開(kāi)關(guān)來(lái)切換各段電橋的通斷。 與機(jī)械觸點(diǎn)式 多路 開(kāi) 關(guān)相比，模擬電子開(kāi)關(guān)具有切換速度高、無(wú)抖動(dòng)、易于集成等特點(diǎn)，但其導(dǎo)通電阻一般較大，輸出電壓、電流容量較小，動(dòng)態(tài)范圍很有限，常用于高速且要系統(tǒng)體積小的場(chǎng)合。 CMOS 場(chǎng)效應(yīng) 管 開(kāi)關(guān)是一種應(yīng)用最普遍的模擬開(kāi)關(guān)，它能克服單溝道場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)啟電阻隨輸入電壓變化而變化的缺點(diǎn)，具有較其他電子開(kāi)關(guān)明顯的特性好，成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前常用的集成模擬開(kāi)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(cè)量 電 路 The strain measuring circuit of semibridge system 選擇電子開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵是要求其在導(dǎo)通時(shí)阻抗很小，切換迅速等。 信號(hào)放大部分 由于 通過(guò)惠斯登 電橋輸出 的 信號(hào)一般是 μV級(jí)，所以要求電路前級(jí)放大部分必須有較強(qiáng)的噪音抑止功能和較高的共模抑制比（ CMRR），以免有用信號(hào)被外部的 噪聲淹沒(méi)；同時(shí)，控制放大倍數(shù)不易過(guò)大，以免微小的 失調(diào)電壓可能對(duì)電路產(chǎn)生嚴(yán)重影響。與之相比，在 G=1 時(shí)， AD8221 所有等級(jí)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(yùn)放設(shè)計(jì)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(jì) \ 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(hào)輸出毫伏電壓信號(hào)C10 . 1 u FC20 . 1 u FR2120R1120 圖 38 AD8221的外部接線(xiàn)圖 The circuit diagram of AD221 AD8221 的傳遞函數(shù)為： RgKG ??? （ 31） 可編程增 益為用戶(hù)提供設(shè)計(jì)靈活性。 本設(shè)計(jì)中 將 傳感器傳出的 V? 級(jí)信號(hào)需放大 100 倍至 ，即每個(gè)微 應(yīng)變 ? 對(duì)應(yīng) ，可得 ： ??? ??? 3 G KRgR