用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置的製作方法

2023-04-25 11:21:21

本實用新型涉及一種相似材料模擬領域，特別是一種用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置。

背景技術：

相似材料模擬實驗廣泛應用於採礦工程領域，實驗過程中，如何採用先進的測試方法獲取真實可靠的實驗數據是實驗成功與否的關鍵所在，實時監測回採工作面前後方、回採工作面下方以及回採工作面後方煤體中的壓力分布規律，可對現場工作面來壓強度和來壓步距作以預測，為支架選型等提供科學依據。目前，在相似材料模擬實驗中，用於監測煤層覆巖壓力測試的傳感器多為尺寸相對較大的有線傳感器，同時，外部配備數據採集儀及軟體，整個系統較為複雜，給實驗帶來諸多不便，為了克服現有測力系統的不足，研製了一種尺寸較小的無線測力傳感器。

專利文獻CN104614103 A公開的一種無線無源預應力傳感器，用於檢測建築結構中鋼筋預應力變化的信息，由射頻模塊、電源模塊、數據模塊和調製模塊組成；信號由外部設備發射，經由射頻模塊到達傳感器，經過電源模塊處理成為穩定電壓為整個傳感器供電，數據模塊將採集到的模擬信號轉化為數位訊號，並經調製模塊將數據調製到射頻信號上，由外部設備解調獲取。該專利實現以無線無源的輕便方式對建築的健康性進行定期或者長期的檢測，但該專利沒有上下承載板，無法精確測量承受的載荷，且無線信號微弱，實用性差，該專利的可操作性比較差，無法得知設在建築結構內的工作狀態、信號是否正常等。

專利文獻CN106128259 A公開的一種相似材料模擬斷層試驗裝置包括框架，所述框架包括上橫梁、下橫梁和側柱，所述下橫梁上安裝夾板，所述夾板可以在下橫梁上滑動並可在下橫梁上固定，所述夾板鉸接轉動板，所述轉動板中央設置長槽，所述長槽中安裝可沿長槽滑動的T型板，所述T型板包括間隔板和限位板，所述上橫梁下方固定設置兩條橫梁支撐梁，所述側柱內側固定設置兩條側柱支撐梁，所述上橫梁下方豎直安裝加壓系統，所述兩側柱內側橫向安裝加壓系統，所述左右兩側柱內側分別設置擋板支撐板，所述擋板支撐板可活動的安裝在上下橫梁上並可沿上下橫梁左右滑動，所述左右兩擋板支撐板之間安裝擋板，所述擋板可相對於兩擋板支撐板左右滑動；所述加壓系統包括下壓裝置、兩個上頂裝置、託架、加壓墊板、壓力傳感器和處理器，所述託架包括底板和與底板固定連接的兩個側翼，所述下壓裝置的活塞杆向下頂在託架的底板上，上頂裝置的活塞杆向上頂在託架的側翼下方，託架下方設置加壓墊板，加壓墊板和託架之間設置壓力傳感器，所述壓力傳感器連接處理器，所述下壓裝置和上頂裝置連接處理器；豎直安裝的加壓系統的下壓裝置的缸筒固定安裝在上橫梁上，上頂裝置的缸筒固定安裝在橫梁支撐梁上，橫向安裝的加壓系統的下壓裝置的缸筒固定安裝在側柱上，兩個上頂裝置的缸筒固定安裝在兩側柱支撐梁上。該專利施加的實際壓力與理論壓力接近，實驗的測量結果精準，但該專利結構複雜，無法便攜地獲得檢測信號，且無線信號微弱，實用性差，該專利的可操作性比較差，無法得知設在建築結構內的工作狀態、信號是否正常等。

專利文獻CN103399505 A公開的一種相似材料模型強度監控設備，該相似材料模型強度監控設備所需測試模塊包括單片機AT89C52、蜂鳴器BUZ1、溫度傳感器DS18B20、液晶顯示器AMPIRE128X64及溼度傳感器SHT11，所述的單片機AT89C52共39個引腳，XTAL1引腳和XTAL2引腳分別通過導線接到11.0592Mhz的晶體振蕩器X1兩端，並分別串連電容C1及電容C2後共接地，構成並聯振蕩電路，其中電容C1和電容C2為30uf的瓷片電容，是為順利起振設置；單片機RST引腳為復位信號端，連接10KΩ的電阻R2後接入地端，此處保持0信號即可使單片機正常工作；單片機AT89C52的RST引腳通過電解電容C3與蜂鳴器BUZ1的一端相連，蜂鳴器另一端連接NPN型三極體Q1的集電極，三極體Q1的射極接地，基極連接電阻R3後接入單片機的P2.3口，所述蜂鳴器BUZ1用於溼度到閾值時報警使用；溫度傳感器包括VCC、DQ及GND三個引腳，VCC端為電源端，接入5V電源，同時VCC引腳通過連接4.7KΩ上拉電阻R1後接入DQ引腳，數據引腳DQ端另接單片機P2.0埠，GND端為接地端，直接接地；液晶顯示器AMPIRE128X64共18個引腳，其中RST引腳、RS引腳及VCC端一同接入外置的5V電源，液晶顯示器AMPIRE128X64需要兩根線進行串行控制，E端接入單片機P2.2埠，R/W端接入單片機的P2.1埠；溼度傳感器SHT11的SCK埠接入單片機P3.6埠，DATA數據端接入單片機P3.7埠；S1-S4為4個按鍵，分別執行+1、-1、移位和恢復原值功能，按鍵S1通過上拉電阻R4與單片機的P0.0埠相連接，按鍵S2通過上拉電阻R5與單片機的P0.1埠相連接，按鍵S3通過上拉電阻R6與單片機的P0.2埠相連通，按鍵S4通過上拉電阻R7與單片機的P0.3埠相連通。該專利能夠實現對模型的晾曬天數進行準確的控制，但該專利沒有上下承載板，無法精確測量承受的載荷，且無線信號微弱，實用性差，該專利的可操作性比較差，無法得知設在建築結構內的工作狀態、信號是否正常等。

在背景技術部分中公開的上述信息僅僅用於增強對本實用新型背景的理解，因此可能包含不構成在本國中本領域普通技術人員公知的現有技術的信息。

技術實現要素：

鑑於上述問題，本實用新型的目的在於提供一種用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置，無線測量裝置無需每次實驗前進行標定，傳感器尺寸相對較小，與相似材料能夠實現較好的耦合，減少了模型內部測試元件對實驗結果的影響，傳感器線性度好，測量精度高，測量數據真實可靠，減少了外部採集儀及連接線，系統結構簡單，降低了設備故障。

本實用新型的目的是通過以下技術方案予以實現。

一種用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置包括用於承載相似材料模型重量的上承載板、下承載板和設在所述上承載板和下承載板之間的保護殼，所述下承載板提供平整的承載表面，所述保護殼內設有傳感器、數據採集模塊和無線通信模塊，所述傳感器包括與所述上承載板和下承載板緊密接觸的彈性元件和檢測所述彈性元件變形的變形檢測元件，所述上承載板和下承載板分別通過連接螺栓與所述彈性元件定位使得施加在所述上承載板上的載荷作用於彈性元件，所述變形檢測元件生成測量信號，數據採集模塊連接所述傳感器，帶有天線的無線通信模塊連接所述數據採集模塊，用於指示通信是否正常的信號指示燈連接所述無線通信模塊，用於復位的復位按鈕和用於開關的開關按鈕電連接傳感器，所述信號指示燈、復位按鈕和開關按鈕設在保護殼一側。

優選地，所述保護殼內設有可充電電池，所述可充電電池電連接傳感器、數據採集模塊和無線通信模塊。

優選地，保護殼的一側設有充電插座，所述充電插座電連接所述可充電電池。

優選地，所述彈性元件為鋁合金板，所述變形檢測元件為電橋式力敏傳感器，所述電橋式力敏傳感器包括分設在上承載板和彈性元件之間的第一半橋電阻應變計和設在彈性元件和下承載板之間的第二半橋電阻應變計。

優選地，所述鋁合金板的寬度不大於所述上承載板的寬度，所述鋁合金板的寬度小於所述上承載板的長度，第一半橋電阻應變計和第二半橋電阻應變計為45度絲柵的半橋電阻應變計，所述電橋式力敏傳感器的輸出靈敏度為2.0mV/V，綜合精度優於0.05％F.S。

優選地，所述數據採集模塊包括用於將測量信號由模擬信號轉換為數位訊號的A/D轉換晶片和用於信號處理的單片機，所述數據採集模塊的顯示解析度為0.01kg，採樣速率為5次/s。

優選地，所述無線通信模塊包括2.4G無線通信單元和USB通信接口，所述USB通信接口布置在保護殼一側。

優選地，所述無線測量裝置的外部尺寸為長寬高為200mm×30mm×40mm，量程為100kg。

優選地，所述上承載板和下承載板均由厚度為9mm的鋼板製成，所述可充電電池為7.4V/1000mAh鋰離子電池。

優選地，所述數據採集模塊包括存儲器，所述存儲器包括一個或多個只讀存儲器ROM、隨機存取存儲器RAM、快閃記憶體或電子可擦除可編程只讀存儲器EEPROM。

上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠使得本實用新型的技術手段更加清楚明白，達到本領域技術人員可依照說明書的內容予以實施的程度，並且為了能夠讓本實用新型的上述和其它目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，下面以本實用新型的具體實施方式進行舉例說明。

附圖說明

通過閱讀下文優選的具體實施方式中的詳細描述，本實用新型各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。說明書附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本實用新型的限制。顯而易見地，下面描述的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。而且在整個附圖中，用相同的附圖標記表示相同的部件。

在附圖中：

圖1是根據本實用新型一個實施例的用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置的主視圖；

圖2是根據本實用新型另一個實施例的用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置的左視圖；

圖3是根據本實用新型一個實施例的用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置的俯視圖；

圖4是根據本實用新型一個實施例的用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置的截面示意圖。

以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的解釋。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本實用新型的具體實施例。雖然附圖中顯示了本實用新型的具體實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本實用新型而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本實用新型，並且能夠將本實用新型的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。

需要說明的是，在說明書及權利要求當中使用了某些詞彙來指稱特定組件。本領域技術人員應可以理解，技術人員可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求並不以名詞的差異來作為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區分的準則。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的「包含」或「包括」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。說明書後續描述為實施本實用新型的較佳實施方式，然所述描述乃以說明書的一般原則為目的，並非用以限定本實用新型的範圍。本實用新型的保護範圍當視所附權利要求所界定者為準。

為便於對本實用新型實施例的理解，下面將結合附圖以具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個附圖並不構成對本實用新型實施例的限定。

為了更好地理解，圖1-4是根據本實用新型一個實施例的用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置的主視圖、左視圖、俯視圖和截面示意圖，一種用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置包括用於承載相似材料的上承載板4、提供平整承載表面的下承載板6和設在所述上承載板4和下承載板6之間的保護殼10，所述下承載板6提供平整的承載表面，所述保護殼10內設有傳感器7、數據採集模塊8和無線通信模塊9，所述傳感器7包括與所述上承載板4和下承載板6緊密接觸的彈性元件14和檢測所述彈性元件14變形的變形檢測元件15，所述上承載板4和下承載板6分別通過連接螺栓2與所述彈性元件14定位使得施加在所述上承載板4上的載荷作用於彈性元件14，所述變形檢測元件15生成測量信號，數據採集模塊8連接所述傳感器7以採集所述測量信號，帶有天線1的無線通信模塊9連接所述數據採集模塊8以無線傳輸測量信號，用於指示通信是否正常的信號指示燈11連接所述無線通信模塊9，用於復位的復位按鈕12和用於開關的開關按鈕13電連接傳感器7，所述信號指示燈11、復位按鈕12和開關按鈕13設在保護殼10一側。

在一個實施例中，所述天線1從上承載板4和保護殼10之間伸出。用於礦山開採相似材料模擬實驗的無線測量裝置中，當傳感器7承載時，粘貼於變形區的電阻應變計隨變形而發生電阻變化，進而輸出電壓信號，數據採集模塊8將傳感器的模擬信號轉換為數位訊號，並進行控制及轉換後經無線通信模塊9與計算機測控軟體進行通信，計算機測控軟體對測量數據進行解析、顯示及處理。內置鋰電池3為傳感器7及數據採集模塊8、無線通信模塊9提供電源。充電插座5用於電池充電用，同時，當實驗過程中電池電量不足時可供交流電用。長按開關按鈕13至指示燈亮後傳感器即可上電工作，按復位按鈕12傳感器關機。信號指示燈11用於提示傳感器通信正常或異常，當傳感器通信正常時信號指示燈11顯示為綠色，且呈閃爍狀態，當傳感器通信異常時信號指示燈顯示為紅色。

在一個實施例中，所述保護殼10內設有可充電電池3，所述可充電電池3電連接傳感器7、數據採集模塊8和無線通信模塊9。

在一個實施例中，保護殼10的一側設有充電插座5，所述充電插座5電連接所述可充電電池3。

在一個實施例中，所述彈性元件14為鋁合金板，所述變形檢測元件15為電橋式力敏傳感器，所述電橋式力敏傳感器包括分設在上承載板4和彈性元件14之間的第一半橋電阻應變計和設在彈性元件14和下承載板6之間的第二半橋電阻應變計。

在一個實施例中，所述鋁合金板的寬度不大於所述上承載板4的寬度，所述鋁合金板的寬度小於所述上承載板4的長度，第一半橋電阻應變計和第二半橋電阻應變計為45度絲柵的半橋電阻應變計，所述電橋式力敏傳感器的輸出靈敏度為2.0mV/V，綜合精度優於0.05％F.S。

在一個實施例中，所述數據採集模塊8包括用於將測量信號由模擬信號轉換為數位訊號的A/D轉換晶片和用於信號處理的單片機，所述數據採集模塊8的顯示解析度為0.01kg，採樣速率為5次/s。

在一個實施例中，所述無線通信模塊9包括2.4G無線通信單元和USB通信接口，所述USB通信接口布置在保護殼一側。

在一個實施例中，所述無線測量裝置的外部尺寸為長寬高為200mm×30mm×40mm，量程為100kg。

在一個實施例中，所述上承載板4和下承載板6均由厚度為9mm的鋼板製成，所述可充電電池3為7.4V/1000mAh的鋰離子電池，所述數據採集模塊8包括存儲器，所述存儲器包括一個或多個只讀存儲器ROM、隨機存取存儲器RAM、快閃記憶體或電子可擦除可編程只讀存儲器EEPROM。

本實用新型的無線測量裝置及其測量方法具有以下優勢。

1.該無線測量裝置減少了線纜對模型鋪裝的影響，簡化了模型鋪裝工藝，使模型鋪裝方便易行。

2.該傳感器無需每次實驗前進行標定，只需通過測控軟體進行重置即可，操作簡單快捷，大大降低了實驗人員的工作強度。

3.該傳感器外部僅需一個數據接收器與計算機測控連接即可完成數據傳輸，減少了外部採集儀及連接線，系統結構簡單，降低了設備故障。

4.該傳感器尺寸相對較小，與相似材料能夠實現較好的耦合，減少了模型內部測試元件對實驗結果的影響。

5.該傳感器線性度好，測量精度高，測量數據真實可靠。

6.該傳感器配有信號指示燈，可提示通訊是否正常，節約故障排查的時間。

7.該傳感器供電方便，即可用內置鋰電池為其供電，當電池電量不足時，也可採用交流電供電。

儘管以上結合附圖對本實用新型的實施方案進行了描述，但本實用新型並不局限於上述的具體實施方案和應用領域，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本說明書的啟示下和在不脫離本實用新型權利要求所保護的範圍的情況下，還可以做出很多種的形式，這些均屬於本實用新型保護之列。