顶板离层监测数据采集仪研究_锚杆支护-论文网

论文摘要：根据数据采集仪的测量原理，结合现场顶板的实际情况，采用以机械开关为基础的的磁编码直线相对位移传感器, 实现顶板下沉量的非接触式测量，采用MSP430F4793IP超低功耗单片机实现了对采集到的数据进行处理、 显示、 报警及传输等功能，从而为顶板支护提供依据。
论文关键词：数据采集仪,锚杆支护,顶板离层,监测

1．引言

顶板离层是巷道围岩变形和破坏的主要形式之一，对于锚杆支护巷道来说,顶板离层则是最大的安全隐患。因此，对锚杆支护巷道进行离层监测，掌握顶板离层的状况，并及时采取相应的措施，阻止顶板失稳、避免突发性破坏的发生具有重要意义。顶板离层监测数据采集仪就是用以测试锚杆长度范围及范围外的顶板离层状况的监测仪器，用于判别锚杆支护参数是否合理，巷道服务期间顶板是否稳定，并以此为依据来避免顶板事故发生。

2．数据采集仪的组成及工作原理

顶板离层监测数据采集仪主要用来采集编码器的脉冲信号表示出的顶板离层的相对位移，并保存在闪存中，可通过无线装置对该设备进行各种参数的设置及存储数据的读取。

2.1数据采集仪的组成

顶板离层监测数据采集仪主要由以下几部分组成：

（1）数显设备：该数显设备可实时监测显示顶板的离层量，当顶板离层量超过一定限度，仪器报警。该数显设备的处理器采用Microchip公司生产的MSP430F4793IP，其性能优越，功耗低，资源丰富，数据处理能力强。

（2）机械放大器：该放大器主要是对顶板的离层量进行放大，以便于采集存储。其外壳的材质选用ABS树脂，该树脂具有突出的耐冲击性、阻燃性和耐磨性等优点。

2.2数据采集仪的工作原理

矿用本安数据采集仪的工作原理是：采用桥式电路进行测量、采用机械式放大装置进行放大，对信号进行模数转换、信号处理，之后进行存储、显示。其测量原理是：

A、B两相脉冲分别通过MSP430F4793IP单片机的P1.2/P1.3中断采集，以A相为基准。当单片机中断侦测到A相脉冲触发中断，判断是上升沿中断还是下降沿中断，如果是上升沿触发中断，当侦测到B相脉冲高电平时，计数器计数值加1，否则减1；如果是下降沿触发中断，当侦测到B相脉冲高电平时，计数器计数值减1，否则加1；P1.2中断完成前，反转A相触发脉冲标志MSP430F4793IP。

3.数据采集仪电气研究

3.1主机芯片的选型

数据采集仪主机对PIE—1000-G05E光电轴角编码器的输出脉冲进行收集、运算、存储和检测，通过数据转移设备对设备进行设置和各种参数及存储数据的读取，同时还实现和上位机的通讯。主要使用的芯片和设备包括单片机（MSP430F4793IP）、串行闪存芯片（JS28F128）、实时时钟芯片（PCF8563）和总线控制芯片（EP1C3T100C8）。

数据采集仪系统框图如图1：

图1数据采集仪系统框图

为使数据采集仪具有较高的数据采集速度和精度、较大的存储量，满足一次多个钻孔数据的采集、存储需要，该主机选用的是美国德州仪器(TI)公司生产的MSP430F4793IP单片机，是一种16位超低功耗的高性能混合信号处理器(MixedSignalProcessor)，称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上；其性能优越，功耗低，资源丰富，数据处理能力强。所具有的内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快；具有较强的计算能力、可扩展能力强，非常适合应用在矿井中。

3.2电路板设计

图2仪表内电路板的示意图

图2是仪表内电路板示意图。其中部分元件位置在机壳上：指示灯1、2、3、4；保存∕停止按键；电源开关；USB接口。RS232通讯接口及芯片是为调试时预留的，工作时不使用。

前端光栅尺的供电由上图左端的电源输出端子(VBAT)和地(GND)提供，光栅尺的两路相差90度的方波A相,B相输出接上图的脉冲输入A相输入（INPUT1）、B相输入（INPUT2）。本仪器的供电由上图右端的电源线输入。

4．工程实例

4.1试验地点与仪器安装编排

根据某矿的地质开采情况、试验研究需要的基础数据，在12109辅运顺槽、回风顺槽进行安装和观测，在某矿进行两组全断面数据采集仪观测。

在试验前，对数据采集仪进行编号，各试验地点所用数据采集仪编号如表4.1所示。

表4.1数据采集仪监测全断面时仪器编号表

根据所观测的数据，绘制位移曲线图，为顶板分类、矿山压力显现提供基础数据，最后为巷道支护优化方案提供重要理论设计依据和资料。各测点各基点位移曲线图如图4.2、图4.3所示。

图4.311038基点位移图

图4.211039基点位移图

4.3总结：

1）12109回风巷顺槽在距工作面前方119m处煤柱帮0-1m范围内位移量为6.5mm，1-1.8m范围内位移量为5.8mm，1.8-3m范围内位移量为11.6mm，3-4m范围内的位移量为0.8mm。在距工作面前方100m处3m内的位移量为1.69mm，位移量较小，岩层较稳定。

2）12109辅运顺槽距工作面101m处煤柱帮位移量主要产生在1.8m范围内，1m以内的位移量为20mm，1～1.8m位移量为12mm，1.8m～3m位移量7mm，3m～4m位移量为4mm，位移量均较小，岩层较稳定。

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