某钨矿地压检测系统设计与仿真.pdf

2 0 1 7 年增刊有色金属 选矿部分 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．z 1 ．0 4 6 某钨矿地压检测系统设计与仿真 罗小燕，夏东斌，李小芳，张强，古志雄 江西理工大学机电工程学院，江西赣州3 4 1 0 0 0 摘要针对某钨矿在深部开采过程中面l 临的地压灾害问题，以及人工检测存在的信息不及时、操作复杂、信息量少、预 测不准确等问题，设计了一套基于单片机的地压在线检测系统。利用多个传感器对岩体应力数据进行采集，设计了激振电 路、拾振电路 滤波电路、放大电路、整形电路 等硬件电路及软件模块。P R O T E U S 仿真结果表明该检测系统各功能模块电路 工作正常．显示结果准确，证明了该系统对地压情况进行在线检测的可行性。 关键词地压检测；振弦传感器；A T 8 9 C 5 2 单片机；激振电路；拾振电路 中图分类号T D 6 3文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 S O - 0 2 0 7 - 0 5 D e s i g na n dS i m u l a t i o no ft h eG r o u n dP r e s s u r eD e t e c t i o nS y s t e mo faT u n g s t e nM i n e L U OX i a o y a n ，X I AD o n g b i n ，L IX i a o f a n g ，Z H A N GQ i a n g ，G UZ h i x i o n g S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，J i a n g x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，G a n z h o u3 4 1 0 0 0 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n ga st h eg e o l o g i c a ld i s a s t e rf a c e di nat u n g s t e nm i n e ’Sd e e pm i n i n ga n da a i f i c i a ld e t e c t i o n h a st h ep r o b l e m so fn o tt i m e l yi n f o r m a t i o n ，c o m p l e xo p e r a t i o n ，s m a l la m o u n to fi n f o r m a t i o na n di n a c c u r a t e p r e d i c t i o n ，as e to fo n l i n eg r o u n dp r e s s u r ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do ns i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rh a sb e e nd e s i g n e d ． ，I ’} l es y s t e mu s e sm u l t i p l es e n s o r so nt h er o c ks t r e s sd a t aa c q u i s i t i o n ．E x c i t a t i o nc i r c u i t ，p i c k u pc i r c u i t f i l t e r c i r c u i t ，a m p l i f i e rc i r c u i t ，s h a p i n gc i r c u i t a n do t h e rh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r em o d u l eh a v eb e e nd e s i g n e d ． P r o t e u ss i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u n c t i o nc i r c u i to ft h ed e t e c t i o ns y s t e mi sw o r k i n gn o r m a l l ya n dd i s p l a y e d a c c u r a t er e s u h s ．T h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mf o ro n l i n ed e t e c t i o ng r o u n dp r e s s u r ei sp r o v e d ． K e yw o r d s g r o u n dp r e s s u r ed e t e c t i o n ；v i b r a t i n gw i r es e n s o r ；A ，I ’8 9 C 5 2M C U ；s t i m u l u sv i b r a t i o nc i r c u i t ； v i b r a t i o nd e t e e t i o nc i r c u i t 钨矿是一个构造应力型矿山，受区域性断层、开 采不平衡和大范围采空区的影响，矿山地压问题较 为突出，采场片帮、冒落、顶底板变形破裂等地压事 故时有发生⋯，且随着地下矿山的持续开采，外加地 下水的影响，采空区的岩体稳定性不断受到破坏旧J ， 严重威胁井下人员及财产安全。目前监测人员对矿 区地压的检测多采用人工检测，因其不能实现在线 监测，且操作复杂，不能准确、及时地对地压情况进 行检测的缺点，而不能对矿区井下岩体稳定性进行 准确的评价。为此，本文运用先进的检测和控制技 术，设计一套基于单片机的地压在线检测系统具有 实际的意义。 项目基金江西省教育厅科技重点项目 G J J l 5 0 6 1 8 收稿日期2 0 1 7 - 0 7 - 0 7 作者简介罗小燕 1 9 6 7 一 ，女，江西赣州人，副教授，硕士生导师。 1 检测系统总体设计 1 ．1 系统整体结构 检测系统以单片机作为核心，选取振弦式传感 器采集岩体应力数据，并采用多路选择开关分时选 择某一路传感器与单片机进行连接，同时通过多路 选择开关连接激振电路，通过单片机产生一个脉冲 信号经激振电路后作用到传感器的线圈上，促使传 感器正常工作。系统还需要用到拾振电路，以实现 对信号的滤波、放大以及转换等作用。处理器在对 采集数据进行预处理后，可连接报警装置，用于判断 所测地压数据是否在安全范围内。钨矿井下地压检 测系统的整体框架如图1 所示。 万方数据 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 图1检测系统结构整体框架图 F i g ．1 T h eo v e r a l lf r a m ew o r ko fd e t e c t i o ns y s t e m 2 系统硬件设计 2 ．1 振弦传感器的结构和工作原理 图2 为振弦传感器结构图，其中1 为支承，将传 感器的振弦一端固定在l 上，并置于3 中直流磁场， 4 为被测体接触面，感受应力T 。 ’兰2 习l 毒3 4 图2 振弦传感器结构图 F i g ．2 S t r u c t u r ed i a g r a mo fv i b r a t i n gw i r es e n s o r 振弦传感器原理是当振弦传感器感受到外界压 力时，振弦将处于绷紧状态，此时通过激励电路给传 感器线圈一个激励信号，从而使得磁铁通电，进而吸 引钢弦；当去除激励信号时，磁铁松开钢弦，如此周 期性的吸一松使得振弦产生振动，进而以微弱的电 动势频率信号输出旧J 。测得的频率值为振弦的固有 频率．厶，测得频率与待测压力的关系为 沁专异 式中Z 为振弦的有效长度，P 为振弦的线密度。 2 ．2 激振模块 本文设计了一种反馈式的扫频激振方式，激振 过程分为预扫频激振与复扫频激振两个阶段，基于 反馈策略实现了在传感器工作参数未知下的自适应 扫频激振。其中，复扫频激振基于预扫频激振反馈 数据自适应设定扫频工作范围，并减小扫频脉冲序 列的递增步长以提高测量精度HJ 。在测量中，首先 通过单片机产生一个方波信号，经激振电路后转变 为一个高压脉冲。利用此高压脉冲对传感器进行预 激振，接着单片机通过拾振电路测得一个初始频率 值厶，但这个值不一定等于钢弦的固有频率，而只是 近似于钢弦的固有频率。然后将这个测得的初始频 率作为扫频信号的中心频率，在其上下各取相等一 段，或直接取该值作为激振频率信号，再一次给振弦 一个激励信号，这样就使得测量大大减少扫频区间 及扫频时间，从而较精确地测量传感器的固有频率， 提高测量精度。 图3 中，单片机的P 1 ．1 控制三极管Q 2 的截止 万方数据 2 0 1 7 年增刊 罗小燕等某钨矿地压检测系统设计与仿真 三Q 生 和导通，三极管Q 2 是完成对激励信号的送出。当激 励信号产生后，通过控制P 1 ．1 端给三极管Q 2 导通 信号，进而将激励信号传送给传感器的线圈，使得传 感器振弦开始工作。此处的激励信号先经过单片机 从P 1 ．0 口输出，然后再经过变压器转变为高压脉 冲，进而激励振弦传感器。稳压管D 1 、D 2 起到稳定 电压的作用，保证了电路工作的稳定。 图3 激振电路 F i g ．3 E x c i t a t i o nc i r c u i t 2 ．3 滤波电路 受矿区井下环境多变等因素的影响，振弦传感 器所产生的信号中存在一定的干扰信号，为保证数 据的准确性，须采用滤波电路将干扰信号滤除。振 弦传感器的固有频率在5 0 0 ～45 0 0H z ，为此本文设 计了一个低通滤波电路和一个高通滤波电路，信号 先通过截止频率为45 0 0H z 的低通滤波电路，再通 过截止频率为5 0 0H z 的高通滤波电路，进而将无用 的高低频量滤除，滤波电路如图4 所示。 图4 滤波电路 F i g ．4 F i l t e rc i r c u i t 2 ．4 放大及整形电路 钢弦振动所产生的感应电动势信号是相当微弱 的，多在3 0 0 斗V ～1m V ，直接测量这样的信号非常 困难，因此本文设计了四级放大电路。第一级采用 低通滤波电路进行放大，第二级采用高通滤波进行 放大。由于放大电路的放大倍数较大，为避免小干 扰通过高增益放大电路，低通滤波电路和高通滤波 电路均只放大2 倍；第三级和第四级均采用反相输 入交流放大电路，这样就将微弱的信号放大为易处 理的信号。但是放大后的信号仍为正弦波信号，需 将其转换成方波信号，才能传送给单片机进行处理， 因此本文采用N E 5 5 3 2 芯片构成滞回比较器完成正 弦波向方波的转换。信号处理电路图如图5 所示。 2 ．5 测频电路 测频主要是测量振弦传感器输出的正弦波信号 经调理、整形电路后形成的方波的频率。测频法的 基本思想是计算在1s 内脉冲的个数N ，则脉冲数即 为输出频率值。振弦传感器的频率输出范围一般在 万方数据 2 1 0 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年增刊 4 0 0 到4k H z ，输出的频率范围较宽，为提高传感器 测量的精度，必须保证对其输出频率测量的精度㈨。 本文将A T 8 9 C 5 2 单片机内部的计数器和定时器分别 作为计数器和定时器，给定时器定时1s ，同时计数 器开始对脉冲进行计数，当定时时间到时，停止计 数，记录下此时的脉冲数，即为频率值。 邶簟◆ 图5 放大及整形电路 F i g ．5A m p l i f y i n ga n ds h a p i n gc i r c u i t 2 ．6 报警电路 地压检测系统用于监测井下采空区地压的状 况，判断地压是否处于正常状态，如果超出范围，需 要报警。报警装置主要由蜂鸣器、发光二极管组成， 单片机的P 2 ．6 端口作为报警信号控制端。当收到 P 2 ．6 高电平时，蜂鸣器发出声响，同时二极管发光。 2 ．7 存储电路 A T 8 9 C 5 2 单片机内部有E E P R O M ，但其存储空 间不利于用于较大数据的存储，因此需要将片外 E E P R O M 存储器扩展。结合本检测系统应用的环 境，须确保系统在断电后能保存数据，本文选用非易 失存储器2 8 6 4 A 8 K 8 b 的E E P R O M 芯片作为数 据扩展存储器，2 8 6 4 A 的地址范围是0 0 0 0 H 到 1 F F F F H ，共8 K b 的容量。 3 系统软件设计 3 ．1 激振软件的设计 ． 根据频率与井下地压的关系，本文设计了两次 激振，使系统测得的频率更为精确。首先通过 A T 8 9 C 5 2 单片机的定时器／计数器的定时功能，再配 以中断子程序，产生一定频率的方波信号。方波信 号经激振电路后转换成高压脉冲信号，作用到振弦 传感器的线圈上，对传感器进行预激振。测算出预 激振所产生的输出频率． 。如果预激振后测得的频 率很接近振弦的固有频率，则复振以此频率作为基 准频率和激励信号，再次对传感器激振，待振弦达到 共振后所测得的频率即为振弦的固有频率。激振流 程图如图6 所示。 初始化定时器， 赋初值 预激振后 一 测得的频 1 L 率n 打开定时器，允许J r 中断 以n 为激 土 振信号， 再次激励 进人中断， 发出方波 上 上 测震，得 输出矗 送出一个方波 ● 测振L _ 1 图6 激振流程图 F i g ．6 E x c i t a t i o nf l o wc h a r t 3 ．2 测频软件的设计 本文选用的测量方法是测频法，在定时为1 s 的 时间里对脉冲计数，此计数值即为该方波频率。本 文利用A T 8 9 C 5 2 单片机的定时器与计数器来实现对 万方数据 2 0 1 7 年增刊罗小燕等某钨矿地压检测系统设计与仿真 2 1 1 方波频率的测量。首先初始化计数器与定时器，给 定时器、计数器赋初值，且允许中断，同时写人两者 的中断子程序，当定时器计时到1 S ，此时的脉冲数就 是频率值。由于撤销激振后，传感器线圈就开始输 出感生电动势，刚开始一段时间产生的感生电动势 频率处于不稳定阶段，且这段时间会持续5 0m s ，之 后的信号处于稳定状态。因此在激振撤销后再延时 5 0m s 后进行测频，这样测得的频率较为准确。测频 程序流程图如图7 所示。 图7 测频程序流程图 F i g ．7 F l o wc h a r to ff r e q u e n c ym e a s u r i n gp r o g r a m 4 仿真试验与结果分析 本文采用P R O T E U S 软件来仿真模拟不同时间 段矿区地压情况，得到一系列频率信号，如图8 所 示。每隔一小时测得一组频率数据，记录一天内某 一检测点处的信号频率的变化情况，总共2 4 次，将 这些数据绘制成图8 ，可以清楚地了解到在上午9 点 到1 2 点这段时间内频率增加较大，在1 0 点钟左右 达到峰值，与实际情况一致。 通过分析仿真实验所得到的频率信号数据，可 以清楚准确的判断出监测过程中任一时间段内的地 压变化情况，从而验证了本文所给出的地压检测系 统软、硬件设计的正确性和合理性。 鲎 孬 纂 5结论 时间／h 图8 仿真数据图 F i g ．8 S i m u l a t i o nd a t ad i a g r a m 本文采用分布式采集方式对数据进行采集，采 集单元以单片机作为核心处理器，选取振弦式传感 器作为采集岩体应力数据的装置，实现了矿井地压 的在线监测。通过p r o t e u s 仿真结果表明该检测系 统合理可靠。 参考文献 [ 1 ] 杨作林．微震信号识别与地压灾害微震前兆规律研究 [ D ] ．江西赣州江西理工大学，2 0 1 5 ． [ 2 ] 范德强，陈昱，刘士龙，等．采空区塌陷诱发山崩稳定 性分析研究[ J ] ．有色金属 矿山部分 ，2 0 1 5 1 6 2 6 ．3 0 ． [ 3 ] 田环宇．基于振弦式传感器的压力检测系统的研究与设 计[ D ] ．四川成都西南交通大学，2 0 1 1 ． [ 4 ] 王大涛，腾德贵，胡波．一种振弦采集仪自适应扫频激 振方法[ J ] ．仪器仪表与传感器，2 0 1 6 2 1 0 4 ．1 0 6 ． [ 5 ] 刘国钰．高精度、高稳定度差动式振弦传感器及其测频 系统[ J ] ．仪表技术与传感器，2 0 1 3 5 8 5 ．8 7 ． 万方数据