宫 关
（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）
【摘 要】介绍了一种基于单线圈振弦式传感器的矿压检测系统，以STM32F103C8T6为主控芯片，采用反馈式低压扫频激振方法，使振弦在短时间内达到共振状态，经过两级信号放大电路、带通滤波器电路和迟滞比较器电路处理后，由主控芯片的输入捕获单元采集频率信号同时采集温度信号，对振弦式传感器信号进行补偿，通过电力载波通信模块把信号远距离传输到井上上位机，实现矿山压力的实时在线检测系统。
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关键词 振弦式压力传感器；反馈式低压扫频；电力载波
0 引言
随着我国社会和经济的迅速发展，煤炭产业逐渐向科技含量高、资源消耗低、环境污染少的方向发展，进一步实现更高产高效的开采。但随着开采力度的加深和产量的逐步提高，会时常发生如巷道形变、矿压冲击、顶板脱落等事故，给煤矿带来了严重的经济损失，同时也危害了煤矿工人的生命安全。所以，在开采过程中实时采集矿压数据，在出现异常情况时及时发出警报，可以有效避免矿难的发生。而传统的矿压监测方法在环境恶劣、干扰因素多的矿井下存在以下缺点：测量数据的精度低，传感器安装的复杂度较高，整个系统的成本高。本设计采用振弦式压力传感器，其输出信号是频率信号具有失真小，精度高和抗干扰能力强的优点，可以在煤矿井下实现远距离检测。
1 振弦式压力传感器的工作原理
振弦式压力传感器主要部件是钢弦，制作刚弦的主要材料有钨钢、弹性弹簧钢和马氏不锈钢。当线圈加上足以驱动线圈振动的脉冲频率信号时，磁芯会产生脉动磁场，在磁场作用下带动铁块振动，同时振弦发生振动，振弦在起振后会产生一个不规则衰减的震荡信号，这个信号切割磁芯磁力线，同时通过线圈在传感器的输出端输出衰减的正弦波。
根据传感器的线圈、电缆的芯数和刚弦的激振方式不同，可以把振弦式传感器分为单线圈振弦式压力传感器和双线圈振弦式压力传感器两类。
单线圈振弦式压力传感器即传感器内部采用一个线圈实现对振弦的激振和感应信号的采集，工作由于激振和频率采集部分分时处理，故也称为单线圈间歇激振型传感器，其最大优点在于结构非常简单，安装也较为方便。
双线圈振弦式压力传感器即内部采用两个独立的线圈分别实现对振弦的激振和感应信号的采集。传感器在工作时，由于采用独立的两个线圈分别实现激振和频率检测，故也称其为双线圈连续激振型传感器，其最大优点在于测量精度有所提高。
2 系统总体结构
基于振弦式传感器的矿压检测系统主要包括控制器最小系统、振弦式传感器激振电路、拾振电路、信号隔离电路、电力载波通讯电路、上位机监控系统。其中拾振电路包括二级信号放大电路、带通滤波器、施密特整形电路。系统框图如图1：
3 硬件设计部分
3.1 振弦式传感器激振方式
目前，振弦式传感器激振方式主要有低压扫频激振和高压激振两种，低压扫频方式是对施加振弦式传感器低压方波激振信号，方波频率段的选择取决于振弦式传感器的固有频率。当激振信号的频率接近传感器刚弦的固有频率时，钢弦能较快的达到共振状态并输出感应电动势较大的频率信号；高压激振方式是通过反激式升压电路产生高压脉冲信号激振钢弦，在高压脉冲信号的作用下输出衰减的正弦电压信号。
本系统采用反馈式低压扫频激振方式，首先对振弦式传感器预激振，通以5V电压进行单次激励，断开电压时，刚弦自由振动并输出较弱电压信号；采集其输出的电压频率信号，并多次预激振取其平均值，如果平均值在振弦式传感器的标称频率范围内，则把其作为复振的输出频率信号，使刚弦快速达到共振状态并停止激振，采样刚弦输出的共振频率；否则采用扫频预激振方式，多次扫频并采样取平均值，作为复振的反馈频率信号。
3.2 振弦式传感器激振和拾振电路设计
激振电路采用三极管增加激励信号的驱动能力，并在正弦传感器两端并联续流二极管，防止在断开激励信号时传感器内部线圈受损；振弦式传感器输出的频率信号为mV级的衰减的正弦电压信号，本设计对信号采用两级放大电路进行放大，其中运放放大器应满足高输入阻抗，低漂移、输出阻抗低的要求，信号经过前置放大处理后需经过带通滤波器进行信号滤波，为简化设计，带通滤波器由两部分组成，前一部分采用了有源二阶低通滤波器，截止频率为4500Hz,后一级采用源二阶有高通滤波器，截止频率为400Hz；滤波后的信号还需要经过施密特整形电路和电压钳位电路，输出方波信号供微控制器的输入捕获电路进行计数。
3.3 电力载波通讯电路
在远程控制系统应用越来越普及的情况下，电力载波通讯方式比其他通讯方式更能充分利用现有电力线资源。本系统采用一款针对低压电力线进行设计的电力载波通讯芯片MI200。芯片内部还内置了CRC-16硬件校验电路、开关电容代通滤波器和数字功率放大器，大大简化了外部电路的设计。同时该芯片功能还包括可变扩频增益，适应不同环境的传输速率，可选的载波频率，八个该可选的扩频码，该芯片与控制器的数字通讯方式采用的是SPI总线接口。
由于MI200E具有较高的接收灵敏度，在电源设计时尽可能地降低了电源纹波幅度，该芯片的发送与接收均采用差分方式，通过信号耦合变压器实现在电力线接收信号和发送信号。为了避免高压脉冲损坏器件，在变压器初级和次级，都添加TVS保护管。
4 实验验证
对传感器样本进行多次连续采样，其测量值分布如图所示：
由测量曲线图得出，反馈激振测量值与低压预激振的测量值偏差很接近，证明了低压预激振方式可以获得有效信号，但是反馈式激振方式测得的信号在重复性和稳定性上更好。图中出现频率缓慢减小的现象，是由于随钢弦的长时间工作，温度升高引起的。
5 结论
采用反馈式低压扫频激振方式提高了振弦式传感器输出信号的稳定性，缩短了检测数据的周期，并通过软件多次采样信号进行滤波，提高了数据的精度。本设计成功搭建了基于单线圈振弦式传感器的矿压检测系统，能够实时显示矿山压力的动态变化，为预测矿山事故的发生提供了有力的数据。
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［责任编辑：汤静］