GUD500頂板位移傳感器的研制及應(yīng)用

蘇麗萍

（1.太原理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西晉煤集團(tuán) 金鼎煤機(jī)礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

1 概述

頂板離層是指巷道周邊圍巖與遠(yuǎn)離周邊的圍巖的變形速度出現(xiàn)臺階式躍變，當(dāng)離層達(dá)到一定值時(shí)，頂板有可能發(fā)生破壞和冒落，所以頂板離層是巷道圍巖失穩(wěn)的前兆。如果能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握煤巷錨桿支護(hù)的頂板離層情況，就可以在冒頂發(fā)生之前及早做出預(yù)警，從而避免事故發(fā)生。晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院自行研制的KJ689礦用頂板位移監(jiān)測系統(tǒng)已通過工業(yè)性試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為煤炭行業(yè)安全生產(chǎn)提供了有力保障。GUD500礦用本安型頂板位移傳感器是組成KJ689礦用頂板位移監(jiān)測系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，該傳感器采用電池供電，可以定時(shí)采集深基點(diǎn)、淺基點(diǎn)頂板位移量，并通過無線方式傳輸?shù)骄卤O(jiān)測分站或數(shù)據(jù)采集器。本文從技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特征、工作原理及安裝使用4個(gè)方面對GUD500頂板位移傳感器進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2 GUD500頂板位移傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

額定工作電壓（V）： 3.6DC；

工作電流（mA）： ≤50；

檢測范圍（mm）： 0～500；

基本誤差（%）： ≤1.0；

位移力（N）： 4～10；

回程誤差（%）： ≤1.0；

傳感器至監(jiān)測分站最大傳輸距離 （m）：50；

傳感器至采集儀最大傳輸距離（m）： 10。

3 GUD500傳感器結(jié)構(gòu)特征與工作原理

3.1 GUD500傳感器的結(jié)構(gòu)

傳感器由主機(jī)和位移探頭兩部分組成。位移探頭和主機(jī)配套使用，兩者之間通過四芯礦用電纜相連接，可對頂板兩個(gè)不同層位的位移量進(jìn)行監(jiān)測。GUD500傳感器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

GUD500傳感器主機(jī)（如圖2所示）主要由貼膜按鍵、液晶顯示窗、LED窗、天線、電路板和航空插座等組成。傳感器主機(jī)將位移探頭采集的位移量以無線方式傳輸?shù)骄卤O(jiān)測分站或數(shù)據(jù)采集器。

圖1 GUD500傳感器總體結(jié)構(gòu)圖

LED指示窗內(nèi)設(shè)有1個(gè)綠色的運(yùn)行狀態(tài)指示燈、1個(gè)感應(yīng)外部光線的光敏二極管和1個(gè)紅色的報(bào)警指示燈。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，綠色運(yùn)行狀態(tài)燈定時(shí)閃爍；當(dāng)檢測到頂板位移量超出預(yù)定門限時(shí)，紅色報(bào)警燈不斷閃爍；當(dāng)用礦燈照射LED指示窗的光敏二極管3s以上時(shí)，液晶屏亮起，工作人員可讀取深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)頂板位移數(shù)據(jù)。

圖2 傳感器主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

位移探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示，它主要由錨固器、鋼絲繩、固定錨桿、信號電纜等組成，其作用是將采集到的淺基點(diǎn)和深基點(diǎn)信號通過信號電纜傳給傳感器主機(jī)。

3.2 工作原理

圖4為GUD500本安型位移傳感器原理框圖。它以低功耗單片機(jī)為中央處理單元，由電池及保護(hù)電路、電源控制單元、信號采集和處理單元、鍵盤輸入單元、液晶及LED顯示單元及無線數(shù)傳單元等組成。

圖3 位移探頭結(jié)構(gòu)圖

圖4 GUD500傳感器原理框圖

傳感器能夠?qū)㈨敯逦灰莆锢砹哭D(zhuǎn)化為電信號，進(jìn)行處理后并保存；傳感器可通過鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)定與數(shù)據(jù)查詢，并可通過液晶顯示器進(jìn)行顯示；傳感器可通過無線方式（FSK）與監(jiān)測分站、數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信。

工作時(shí)，位移探頭將頂板離層的位移物理量轉(zhuǎn)換為電信號，由信號電纜送至傳感器主機(jī)，模擬信號經(jīng)預(yù)處理后，接入MCU內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)，MCU將處理后的數(shù)據(jù)信息保存在其內(nèi)部Flash存儲單元。位移傳感器將存儲的數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳單元以無線方式定時(shí)上傳到監(jiān)測分站。

此外，MCU通過驅(qū)動LED液晶顯示器對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行就地顯示，并根據(jù)不同工況驅(qū)動LED顯示窗口內(nèi)部的LED燈點(diǎn)亮或者熄滅。鍵盤輸入單元用于位移傳感器在安裝時(shí)對ID號、門限、位移量清零功能等進(jìn)行配置。液晶顯示單元可實(shí)時(shí)顯示深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)當(dāng)前離層數(shù)據(jù)量及傳感器安裝時(shí)的菜單配置。LED指示燈由MCU單片機(jī)的GPIO端口直接驅(qū)動，主要指示系統(tǒng)工作、傳感器報(bào)警和光敏二極管通斷。無線通信單元通過SPI總線和MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用于與分站及采集器的通信。

4 傳感器安裝應(yīng)用

GUD500本安型位移傳感器應(yīng)在以下環(huán)境下安裝使用：①無淋水和積水的地方；②無腐蝕性氣體、液體的地方；③可懸掛于巷道頂部或者兩幫比較醒目的地方。

GUD500本安型位移傳感器安裝示意圖見圖5。

圖5 GUD500傳感器安裝示意圖

位移探頭安裝步驟如下：①用錨桿鉆機(jī)和加長鉆桿在巷道頂板上打7m～8m深的孔，鉆孔深度必須達(dá)到老頂位置；②用安裝桿將深基點(diǎn)錨固器推入孔中，直至孔底，抽出安裝桿后，拉緊鋼絲繩，確認(rèn)錨固器固定可靠，深基點(diǎn)應(yīng)固定在頂板以上7m～8m處；③對于淺基點(diǎn)錨固器，其安裝方法同深基點(diǎn)，只是淺基點(diǎn)錨固器應(yīng)固定在頂板以上2m～3m處；④將連接桿錨固器推入頂板表層，且連接桿下端應(yīng)外露50mm～100mm；⑤將位移探頭用高強(qiáng)螺栓固定在連接桿上，同時(shí)將探頭尾部伸出的鋼絲繩向下拉至繃緊；⑥將信號電纜一端插入位移探頭側(cè)面的航空插座內(nèi)。

傳感器主機(jī)的安裝步驟如下：①將傳感器主機(jī)懸掛于巷道頂部或兩幫；②將信號電纜另一端和傳感器主機(jī)相連。

GUD傳感器安裝應(yīng)用注意事項(xiàng)如下：①巷道每隔30m～50m安裝一個(gè)位移探頭；②淺基點(diǎn)錨爪一定要準(zhǔn)確定位，為此可提前在安裝桿上做好標(biāo)記；③安裝后應(yīng)檢查鋼絲繩是否繃緊，防止鋼絲繩從滾輪上脫落；④在錨桿巷道施工中，如發(fā)現(xiàn)某處頂板離層值較大時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止巷道掘進(jìn)，對該處增加錨索并加強(qiáng)支護(hù)。

5 結(jié)論

工業(yè)性試驗(yàn)表明，GUD500礦用本安型頂板位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定快捷，為系統(tǒng)進(jìn)行頂板監(jiān)測提供了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，降低了礦壓觀測人員的工作量和勞動強(qiáng)度。

［1］ 周李兵，孫駿馳.煤礦巷道頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工礦自動化，2012（4）：94－97.

［2］ 趙瑋燁.KJ132頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］.傳感器世界，2008（10）：33－35.

［3］ 張農(nóng).煤巷頂板離層控制理論及實(shí)踐［J］.煤礦支護(hù)，2006（2）：1－9.