CN103292678A - 一种用于顶板离层监测的分段自电容式位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于顶板离层监测的分段自电容式位移传感器，包括固定极板、滑动极板、测绳和电容测量电路，固定极板为分段式导电单元结构，数量为2—50块，每块长度100mm>L>4mm，宽度100mm>B>4mm；滑动极板长度为M，宽度为A，数量为一块，且A>B，2L>M>L，滑动极板覆盖在分段式固定极板上；每块分段式固定极板均通过多路器与电容测量电路连接，多路器为模拟开关；滑动极板与电容测量电路连接，并且连接测绳。本发明采用分段式固定极板，其总长度等于待测长度与滑动极板长度之和，远小于通常的2倍待测长度，并且采用了自电容技术，能够在不提高电路复杂程度的情况下提高传感器的监测精度。
Description
技术领域
本发明属于煤系地层矿井井下巷道顶板离层监测技术领域，具体涉及一种用于顶板离层监测的分段自电容式位移传感器。
背景技术
目前煤系地层矿井井下巷道顶板围岩离层监测所涉及到的传感器主要是位移传感器，按监测原理，位移传感器可分为电阻式位移传感器、电容式位移传感器、电感式位移传感器、光栅、磁栅、容栅位移传感器和磁致伸缩位移传感器等几类。其中，研究较多的是：1) 电阻式位移传感器。该类传感器具有结构简单、采集方便等特点；2) 光电、磁电脉冲编码位移传感器。该类传感器结构简单，实质是一个增量位移传感器，不能记录绝对位置，当微处理器受干扰发生复位时，该类传感器将无法确定绝对位置；3) 光栅位移传感器。该类传感器成本较高，精度可达μm级，但如此高的监测精度并不适合矿井井下巷道的顶板围岩离层监测。
电容式传感器具有耗散功率小、输出阻抗低、静电引力小、动态性能好和灵敏度高等特点，电容的容量与两极板之间的距离成反比，与两极板之间的介电常数成正比，利用这一特性，可以做成各种类型的电容式传感器。当测量位移较大时，电容式传感器主要为变介质电容式位移传感器和变面积电容式位移传感器等两种，其中：1) 变介质电容式位移传感器的两极板为平行固定极板，两极板之间的距离为定值，相对介电常数的电介质以不同深度插入两平行极板之间，从而改变两种电介质的介电常数；2) 变面积电容式位移传感器的一个极板为固定极板，另一个为滑动极板，通过滑动极板的移动改变两极板之间的相对覆盖面积。如果将这两种现有的电容式传感器用于矿井井下巷道围岩顶板离层监测，可采用深基点和浅基点的测绳拖动电介质或滑动极板，从而实现顶板位移的测量，但缺点主要为：1) 这两种电容式传感器的长度应大于2倍待测长度，导致该传感器长度过大；2) 测量绝对误差随着待测长度的增加而增加。就传感器长度而言，这两种电容式传感器均无法减小长度；就测量绝对误差而言，这两种电容式传感器可以通过提高电路的复杂程度以减小测量绝对误差，但会导致成本增加。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种用于矿井井下巷道围岩顶板离层监测的分段自电容式位移传感器，以减小电容式位移传感器的长度，并且在不提高电路复杂程度的情况下提高顶板离层的监测精度。
为达到上述目的，本发明采用如下解决方案：一种用于顶板离层监测的分段自电容式位移传感器，包括固定极板、滑动极板、测绳和电容测量电路，其特征在于：固定极板为分段式导电单元结构，数量为2—50块，每块长度为L，宽度为B，100mm>L>4mm，100mm>B>4mm，形状为圆形或方形，材料为金属导电材料；滑动极板长度为M，宽度为A，数量为一块，且A>B，2L>M>L，形状为圆形或方形，材料为金属导电材料，位移测量时滑动极板最多只能覆盖两块分段式固定极板；每块分段式固定极板均通过多路器与电容测量电路连接，多路器为模拟开关；滑动极板与电容测量电路连接，并且连接测绳。
本发明提供了一种用于矿井井下巷道围岩顶板离层监测的分段自电容式位移传感器，为了减小电容式位移传感器的长度，本发明采用分段式固定极板；为了在不提高电路复杂程度的情况下提高传感器的监测精度，本发明采用自电容技术，即固定极板接电容测量电路中用于切换固定极板的多路器，滑动极板直接连接电容测量电路。
本发明的原理为：滑动极板与已覆盖的两块固定极板之间的电容分别为Ci、Ci+1
式中：δ为绝缘材料厚度；ε为介电常数；X为滑动极板与已覆盖的第一块固定极板的相对位移。
将公式(1)与公式(2)相比，得
由公式(3)，得
由公式(4)中可以看出，只要测量并计算出滑动极板与已覆盖的两块固定极板之间的电容比值，就可求得滑动极板与已覆盖的第一块固定极板的相对位移，可以消除介电常数和绝缘材料厚度的变化对测量精度的影响。
根据第i块固定极板的位置，及滑动极板与已覆盖的第一块固定极板的相对位移X，得到滑动极板的总位移
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1. 本发明一种用于顶板离层监测的分段式自电容位移传感器，其总长度等于待测长度与滑动极板长度之和。若固定极板为十块，则该传感器总长度小于1.2倍待测长度，远小于通常电容式位移传感器的2倍待测长度。
2. 本发明一种用于顶板离层监测的分段式自电容位移传感器，测量绝对误差不随待测长度的增加而增加。无论传感器多长，绝对误差都小于滑动极板与已覆盖的分段式固定极板之间的最大误差。若滑动极板与已覆盖的分段式固定极板之间的误差为5%，分段式固定极板长度为20mm，则无论传感器长度为多长，最大测量误差都不会超过1mm。
3. 本发明一种用于顶板离层监测的分段式自电容位移传感器，广泛用于煤系底层矿井井下锚杆支护巷道顶板离层监测，及隧道、矿山巷道、地下电站和油气储库等大型构筑物或建筑物的巷道硐室顶板离层监测等方面。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图中：1—分段式固定极板 2—滑动极板 3—测绳
4—多路器 5—电容测量电路。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：如图1所示，本实施例由分段式固定极板1、滑动极板2、测绳3、多路器4和电容测量电路5等组成，其中，分段式固定极板1长度L为24.8mm，宽度B为10mm，数量为八块，分段式固定极板1之间的间距为0.2mm，总长度200mm；滑动极板2长度M为37.5mm，宽度A为12mm，数量为一块，位移测量时滑动极板2最多只能覆盖两块分段式固定极板1；多路器4为模拟开关，用于切换分段式固定极板1；电容测量电路5一端连接滑动极板2，另一端连接多路器4；滑动极板2连接测绳3。
测量时，多路器4依次切换分段式固定极板1至电容测量电路5，电容测量电路5测量该时刻八块分段式固定极板1与滑动极板2之间的电容Cx，其中，滑动极板2与已覆盖的两块分段式固定极板1之间的电容C1、C2分别为35pF、48pF，与没有被覆盖的其它六块分段式固定极板1之间的电容Cmin为2—6 pF，找出C1>Cmin的分段式固定极板1，该分段式固定极板1所处的位置为滑动极板2的区间位移，其值为24.8mm；根据公式(4)，计算第一块被覆盖的分段式固定极板1和滑动极板2之间的相对位移X为3.3mm；得到滑动极板2的总位移
为28.1mm。
该分段自电容式位移传感器的最大测量误差为1.24mm，在某矿井3#煤层302工作面运输顺槽的顶板离层监测中应用较好。
实施例2：本实施例按照附图制作分段式固定极板的印制电路板，电容测量电路的主要芯片为MAX338及AD7153，印制电路板背面为引线及滑动极板的引出滑轨，最端头为引出接线端子，印制电路板正面涂覆聚四氟乙烯绝缘材料，将制作好的分段式固定极板固定于水平机械式顶板离层仪的水平臂上，分段式固定极板和滑动极板的引出接插件插到印制电路板上。该分段自电容式位移传感器的最大测量误差为2.35mm，在某矿井15#煤层1501工作面回风顺槽的顶板离层监测中应用较好。其它同实施例1。
Claims (1)
1. 一种用于顶板离层监测的分段自电容式位移传感器，包括固定极板、滑动极板、测绳和电容测量电路，其特征在于：固定极板为分段式导电单元结构，数量为2—50块，每块长度为L，宽度为B，100mm>L>4mm，100mm>B>4mm，形状为圆形或方形，材料为金属导电材料；滑动极板长度为M，宽度为A，数量为一块，且A>B，2L>M>L，形状为圆形或方形，材料为金属导电材料，滑动极板覆盖在分段式固定极板上；每块分段式固定极板均通过多路器与电容测量电路连接，多路器为模拟开关；滑动极板与电容测量电路连接，并且连接测绳。
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