电阻式测力锚杆实时监测技术探究
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0引言
锚杆受力状态专项监测是锚固质量检查与围岩动态监测的一项重要内容，当锚杆为全锚时，受力状态监测采用测力锚杆。目前，现有测力锚杆按测量原理主要分为机械式、钢弦式、电阻式和光栅式等几类。在矿井巷道锚固质量检查与围岩动态监测中，采用最多的是电阻式测力锚杆，为内置电阻应变片锚杆，将锚杆轴向力转换电信号[1-4]。现有电阻式测力锚杆有一定的局限性，一方面表现为测量锚杆受力状态来源于内置于锚杆杆体电阻应变片，没有考虑锚杆杆体的弯曲角度；另一方面表现为建模得到的测力锚杆参数较多，实测数据较少，导致锚杆轴向拉力、弯矩、剪切应力、杆体轴向变形等参数不准确。一是剪切应力较复杂，应该为锚杆杆体切应力；二是应突出测力锚杆轴向力和切应力两个主要参数[4-6]。本文基于这一现状，在电阻式测力锚杆基础上，增加锚杆杆体弯曲角度传感器，并采用实时监测技术，实时监测测力锚杆轴向力和弯曲角度，以得到准确的测力锚杆轴向力和切应力这两个表征锚杆受力状态的主要参数。
1电阻式测力锚杆结构
电阻式测力锚杆结构包括传感器部分和信号处理部分。其中，传感器部分包括轴向力传感器和弯曲角度传感器，采集测力锚杆轴向力和弯曲角度信号；信号处理部分包括信号调理、主处理器、射频放大、天线端等，对采集到的锚杆轴向力和弯曲角度信号进行模数转换，实时监测。电阻式测力锚杆结构包括锚杆杆体、传感器、托盘、螺母、变送器、插头等部分。其中，锚杆杆体为25MnSi左旋螺纹钢，M24杆尾螺纹，杆体两侧对称通径拉槽，槽宽度3mm、高度8mm，按照固定间距布置1kΩ横竖型电阻应变片，组成电桥，电桥接线通过变送器连接信号数字处理部分。锚杆构件为高强锚杆螺母M24×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，拱型高强度托盘，托盘为150mm×150mm×10mm，钢号不低于Q235。
2电阻式测力锚杆信号处理
电阻式测力锚杆信号处理主要为轴向力和弯曲角度信号采集、显示和传输，该信号处理应满足：数码管独立显示功能；具有中距离无线传输功能，每个测力锚杆均应具备数据路由功能，以满足接力传输的需要，井下无线通讯距离应不低于100m；电池供电，具有节能管理功能，对耗电较高的显示、测量、无线传输等部分均应在满足监测记录的情况下，尽量限制其能耗，电池应能满足1a以上的监测要求。电阻式测力锚杆轴向力传感器信号和弯曲角度传感器信号通过变送器输入到信号采集部分，电阻应变片输出的轴向力信号和三轴加速度传感器输出的弯曲角度信号均较微弱，采用LMP90100芯片对轴向力信号和弯曲角度信号进行采集，基准电压源从P0.7口输入。处理器为CC2530，该处理器包括RF收发器、增强型8051和32MHz主频时钟、8KRAM和256K程序存储器，在控制无线收发的同时，可以实时控制显示数码管，外置32.768kHz晶振连接在P2.3口和P2.4口之间。数据通讯采用有线兼无线模式，有线模式为RS485通讯，无线模式采用CC2591放大发射功率，通讯协议为ZigBee，无线网络结构为整体树形，局部网络Mesh结构。采用无线通讯模式时，供电电源为电池，延长电池服务时间须进行轴向力信号和弯曲角度信号处理低功耗研究。处理器CC2530工作在PowerMode2模式时，消耗电流为1μA，功率放大器CC2591工作在掉电模式时，消耗电流为1nA。轴向力信号和弯曲角度信号采集、处理、传输不会同时进行，为此将电源分为VDD和VDDA两种类型，VDD与电源直接连接，VDDA通过一个MOS管与VDD连接，由CC2530控制MOS管通断。
信号采集、收发和唤醒等采用VDD供电，其它部分采用VDDA供电，在轴向力传感器和弯曲角度传感器休眠时关掉VDDA，此时，CC2530为PowerMode2，CC2591为掉电模式，MOS管关断，轴向力传感器和弯曲角度传感器休眠消耗电流为3μA。传感器通讯时，不需要显示和采集数据，配置MOS管关断，只给通讯部分供电，通讯部分发送数据消耗电流52mA，开启接收后消耗电流37mA。采集或显示数据时，打开MOS管，配置CC2591为掉电模式，采集数据时消耗电流13.6mA，显示数据时消耗电流40mA。信号处理部分通讯时采用接力方式，依次唤醒收发数据，以达到最小功耗。传感器依次被各自休眠定时器唤醒，采集离层数据并开启RF接收数据，传感器收到指令并解包下发后，传感器再次休眠不同的Tsleep时长，由睡眠定时器唤醒数据包，加入数据再次上传，之后休眠完成一轮的数据通信。其中，第一次睡眠定时器唤醒是因为到了半点通信时间，由传感器各自的RealTime决定，传感器收到指令后校准RealTime，由于各传感器收到的指令相同，而收到的时间不同，因此能够形成传感器依次唤醒而不影响通信的结果；从传感器下发指令到收到下一传感器传回的数据包的时长不同，越靠近分站方向的传感器所等待的时间越长，这段时间传感器处于休眠状态，以使传感器使用最少的电量完成正常的数据传输。
3结语
在对测力锚杆现状研究的基础上，采用横竖型电阻应变片作为测力锚杆轴向力传感器，三轴加速度传感器作为测力锚杆弯曲角度传感器，电阻应变片和三轴加速度传感器同点布置，LMP90100芯片作为轴向力信号和弯曲角度信号采集电路，CC2530作为处理器，CC2591作为功率放大电路，并基于有线兼无线通讯模式对电阻式测力锚杆轴向力和弯曲角度的实时监测技术进行了研究。
作者：郭雄宝 单位：晋能集团有限公司