用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置及方法与流程

本发明涉及相似材料模拟领域，特别是一种用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置及其测量方法。

背景技术：

相似材料模拟实验广泛应用于采矿工程领域，实验过程中，如何采用先进的测试方法获取真实可靠的实验数据是实验成功与否的关键所在，实时监测回采工作面前后方、回采工作面下方以及回采工作面后方煤体中的压力分布规律，可对现场工作面来压强度和来压步距作以预测，为支架选型等提供科学依据。目前，在相似材料模拟实验中，用于监测煤层覆岩压力测试的传感器多为尺寸相对较大的有线传感器，同时，外部配备数据采集仪及软件，整个系统较为复杂，给实验带来诸多不便，为了克服现有测力系统的不足，研制了一种尺寸较小的无线测力传感器。

专利文献CN104614103 A公开的一种无线无源预应力传感器，用于检测建筑结构中钢筋预应力变化的信息，由射频模块、电源模块、数据模块和调制模块组成；信号由外部设备发射，经由射频模块到达传感器，经过电源模块处理成为稳定电压为整个传感器供电，数据模块将采集到的模拟信号转化为数字信号，并经调制模块将数据调制到射频信号上，由外部设备解调获取。该专利实现以无线无源的轻便方式对建筑的健康性进行定期或者长期的检测，但该专利没有上下承载板，无法精确测量承受的载荷，且无线信号微弱，实用性差，该专利的可操作性比较差，无法得知设在建筑结构内的工作状态、信号是否正常等。

专利文献CN106128259 A公开的一种相似材料模拟断层试验装置包括框架，所述框架包括上横梁、下横梁和侧柱，所述下横梁上安装夹板，所述夹板可以在下横梁上滑动并可在下横梁上固定，所述夹板铰接转动板，所述转动板中央设置长槽，所述长槽中安装可沿长槽滑动的T型板，所述T型板包括间隔板和限位板，所述上横梁下方固定设置两条横梁支撑梁，所述侧柱内侧固定设置两条侧柱支撑梁，所述上横梁下方竖直安装加压系统，所述两侧柱内侧横向安装加压系统，所述左右两侧柱内侧分别设置挡板支撑板，所述挡板支撑板可活动的安装在上下横梁上并可沿上下横梁左右滑动，所述左右两挡板支撑板之间安装挡板，所述挡板可相对于两挡板支撑板左右滑动；所述加压系统包括下压装置、两个上顶装置、托架、加压垫板、压力传感器和处理器，所述托架包括底板和与底板固定连接的两个侧翼，所述下压装置的活塞杆向下顶在托架的底板上，上顶装置的活塞杆向上顶在托架的侧翼下方，托架下方设置加压垫板，加压垫板和托架之间设置压力传感器，所述压力传感器连接处理器，所述下压装置和上顶装置连接处理器；竖直安装的加压系统的下压装置的缸筒固定安装在上横梁上，上顶装置的缸筒固定安装在横梁支撑梁上，横向安装的加压系统的下压装置的缸筒固定安装在侧柱上，两个上顶装置的缸筒固定安装在两侧柱支撑梁上。该专利施加的实际压力与理论压力接近，实验的测量结果精准，但该专利结构复杂，无法便携地获得检测信号，且无线信号微弱，实用性差，该专利的可操作性比较差，无法得知设在建筑结构内的工作状态、信号是否正常等。

专利文献CN103399505 A公开的一种相似材料模型强度监控设备，该相似材料模型强度监控设备所需测试模块包括单片机AT89C52、蜂鸣器BUZ1、温度传感器DS18B20、液晶显示器AMPIRE128X64及湿度传感器SHT11，所述的单片机AT89C52共39个引脚，XTAL1引脚和XTAL2引脚分别通过导线接到11.0592Mhz的晶体振荡器X1两端，并分别串连电容C1及电容C2后共接地，构成并联振荡电路，其中电容C1和电容C2为30uf的瓷片电容，是为顺利起振设置；单片机RST引脚为复位信号端，连接10KΩ的电阻R2后接入地端，此处保持0信号即可使单片机正常工作；单片机AT89C52的RST引脚通过电解电容C3与蜂鸣器BUZ1的一端相连，蜂鸣器另一端连接NPN型三极管Q1的集电极，三极管Q1的射极接地，基极连接电阻R3后接入单片机的P2.3口，所述蜂鸣器BUZ1用于湿度到阈值时报警使用；温度传感器包括VCC、DQ及GND三个引脚，VCC端为电源端，接入5V电源，同时VCC引脚通过连接4.7KΩ上拉电阻R1后接入DQ引脚，数据引脚DQ端另接单片机P2.0端口，GND端为接地端，直接接地；液晶显示器AMPIRE128X64共18个引脚，其中RST引脚、RS引脚及VCC端一同接入外置的5V电源，液晶显示器AMPIRE128X64需要两根线进行串行控制，E端接入单片机P2.2端口，R/W端接入单片机的P2.1端口；湿度传感器SHT11的SCK端口接入单片机P3.6端口，DATA数据端接入单片机P3.7端口；S1-S4为4个按键，分别执行+1、-1、移位和恢复原值功能，按键S1通过上拉电阻R4与单片机的P0.0端口相连接，按键S2通过上拉电阻R5与单片机的P0.1端口相连接，按键S3通过上拉电阻R6与单片机的P0.2端口相连通，按键S4通过上拉电阻R7与单片机的P0.3端口相连通。该专利能够实现对模型的晾晒天数进行准确的控制，但该专利没有上下承载板，无法精确测量承受的载荷，且无线信号微弱，实用性差，该专利的可操作性比较差，无法得知设在建筑结构内的工作状态、信号是否正常等。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置及其测量方法，无线测量装置无需每次实验前进行标定，传感器尺寸相对较小，与相似材料能够实现较好的耦合，减少了模型内部测试元件对实验结果的影响，传感器线性度好，测量精度高，测量数据真实可靠，减少了外部采集仪及连接线，系统结构简单，降低了设备故障。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一个方面，一种用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置包括用于承载相似材料模型重量的上承载板、下承载板和设在所述上承载板和下承载板之间的保护壳，所述下承载板提供平整的承载表面，所述保护壳内设有传感器、数据采集模块和无线通信模块，所述传感器包括与所述上承载板和下承载板紧密接触的弹性元件和检测所述弹性元件变形的变形检测元件，所述上承载板和下承载板分别通过连接螺栓与所述弹性元件定位使得施加在所述上承载板上的载荷作用于弹性元件，所述变形检测元件生成测量信号，数据采集模块连接所述传感器以采集所述测量信号，带有天线的无线通信模块连接所述数据采集模块以无线传输测量信号，所述天线从上承载板和保护壳之间伸出，用于指示通信是否正常的信号指示灯连接所述无线通信模块，用于复位的复位按钮和用于开关的开关按钮电连接传感器，所述信号指示灯、复位按钮和开关按钮设在保护壳一侧。

优选地，所述保护壳内设有可充电电池，所述可充电电池电连接传感器、数据采集模块和无线通信模块。

优选地，保护壳的一侧设有充电插座，所述充电插座电连接所述可充电电池。

优选地，所述弹性元件为铝合金板，所述变形检测元件为电桥式力敏传感器，所述电桥式力敏传感器包括分设在上承载板和弹性元件之间的第一半桥电阻应变计和设在弹性元件和下承载板之间的第二半桥电阻应变计。

优选地，所述铝合金板的宽度不大于所述上承载板的宽度，所述铝合金板的宽度小于所述上承载板的长度，第一半桥电阻应变计和第二半桥电阻应变计为45度丝栅的半桥电阻应变计，所述电桥式力敏传感器的输出灵敏度为2.0mV/V,综合精度优于0.05％F.S。

优选地，所述数据采集模块包括用于将测量信号由模拟信号转换为数字信号的A/D转换芯片和用于信号处理的单片机，所述数据采集模块的显示分辨率为0.01kg，采样速率为5次/s。

优选地，所述无线通信模块包括2.4G无线通信单元和USB通信接口，所述USB通信接口布置在保护壳一侧。

优选地，所述无线测量装置的外部尺寸为长宽高为200mm×30mm×40mm，量程为100kg。

优选地，所述上承载板和下承载板均由厚度为9mm的钢板制成，所述可充电电池为7.4V/1000mAh锂离子电池，所述数据采集模块包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

本发明的另一个方面，一种利用所述的用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置的测量方法步骤包括：

第一步骤中：将所述无线测量装置的下承载板放置在平整承载表面上，相似材料模型铺设在上承载板上。

第二步骤中：按开关按钮启动传感器，所述传感器基于变形生成测量信号，数据采集模块采集所述测量信号，无线通信模块无线传输测量信号。

第三步骤中：计算机接收并解析测量信号，生成所述测量信号的表格显示图、曲线显示图、数据保存和/或历史数据回放。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置的主视图；

图2是根据本发明另一个实施例的用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置的左视图；

图3是根据本发明一个实施例的用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置的俯视图；

图4是根据本发明一个实施例的用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置的截面示意图；

图5是根据本发明一个实施例的适用用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置的测量方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1-4是根据本发明一个实施例的用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置的主视图、左视图、俯视图和截面示意图，一种用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置包括用于承载相似材料的上承载板4、提供平整承载表面的下承载板6和设在所述上承载板4和下承载板6之间的保护壳10，所述保护壳10内设有传感器7、数据采集模块8和无线通信模块9，所述传感器7包括与所述上承载板4和下承载板6紧密接触的弹性元件14和检测所述弹性元件14变形的变形检测元件15，所述上承载板4和下承载板6分别通过连接螺栓2与所述弹性元件14定位使得施加在所述上承载板4上的载荷作用于弹性元件14，所述变形检测元件15生成测量信号，数据采集模块8连接所述传感器7以采集所述测量信号，带有天线1的无线通信模块9连接所述数据采集模块8以无线传输测量信号，所述天线1从上承载板4和保护壳10之间伸出，用于指示通信是否正常的信号指示灯11连接所述无线通信模块9，用于复位的复位按钮12和用于开关的开关按钮13电连接传感器7，所述信号指示灯11、复位按钮12和开关按钮13设在保护壳10一侧。

在一个实施例中，用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置中，当传感器7承载时，粘贴于变形区的电阻应变计随变形而发生电阻变化，进而输出电压信号，数据采集模块8将传感器的模拟信号转换为数字信号，并进行控制及转换后经无线通信模块9与计算机测控软件进行通信，计算机测控软件对测量数据进行解析、显示及处理。内置锂电池3为传感器7及数据采集模块8、无线通信模块9提供电源。充电插座5用于电池充电用，同时，当实验过程中电池电量不足时可供交流电用。长按开关按钮13至指示灯亮后传感器即可上电工作，按复位按钮12传感器关机。信号指示灯11用于提示传感器通信正常或异常，当传感器通信正常时信号指示灯11显示为绿色，且呈闪烁状态，当传感器通信异常时信号指示灯显示为红色。

在一个实施例中，所述保护壳10内设有可充电电池3，所述可充电电池3电连接传感器7、数据采集模块8和无线通信模块9。

在一个实施例中，保护壳10的一侧设有充电插座5，所述充电插座5电连接所述可充电电池3。

在一个实施例中，所述弹性元件14为铝合金板，所述变形检测元件15为电桥式力敏传感器，所述电桥式力敏传感器包括分设在上承载板4和弹性元件14之间的第一半桥电阻应变计和设在弹性元件14和下承载板6之间的第二半桥电阻应变计。

在一个实施例中，所述铝合金板的宽度不大于所述上承载板4的宽度，所述铝合金板的宽度小于所述上承载板4的长度，第一半桥电阻应变计和第二半桥电阻应变计为45度丝栅的半桥电阻应变计，所述电桥式力敏传感器的输出灵敏度为2.0mV/V,综合精度优于0.05％F.S。

在一个实施例中，所述数据采集模块8包括用于将测量信号由模拟信号转换为数字信号的A/D转换芯片和用于信号处理的单片机，所述数据采集模块8的显示分辨率为0.01kg，采样速率为5次/s。

在一个实施例中，所述无线通信模块9包括2.4G无线通信单元和USB通信接口，所述USB通信接口布置在保护壳一侧。

在一个实施例中，所述无线测量装置的外部尺寸为长宽高为200mm×30mm×40mm，量程为100kg。

在一个实施例中，所述上承载板4和下承载板6均由厚度为9mm的钢板制成，所述可充电电池3为7.4V/1000mAh的锂离子电池，所述数据采集模块8包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

图5为本发明的一个实施例的利用所述的用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置的测量方法的步骤示意图。

如图5所示，利用所述的用于矿山开采相似材料模拟实验的无线测量装置的测量方法包括：

第一步骤中：将所述无线测量装置的下承载板6放置在平整承载表面上，相似材料模型铺设在上承载板4上。

第二步骤中：按开关按钮13启动传感器7，所述传感器7基于变形生成测量信号，数据采集模块8采集所述测量信号，无线通信模块9无线传输测量信号。

第三步骤中：计算机接收并解析测量信号，生成所述测量信号的表格显示图、曲线显示图、数据保存和/或历史数据回放。

本发明的无线测量装置及其测量方法具有以下优势。

1.该无线测量装置减少了线缆对模型铺装的影响，简化了模型铺装工艺，使模型铺装方便易行。

2.该传感器无需每次实验前进行标定，只需通过测控软件进行重置即可，操作简单快捷，大大降低了实验人员的工作强度。

3.该传感器外部仅需一个数据接收器与计算机测控连接即可完成数据传输，减少了外部采集仪及连接线，系统结构简单，降低了设备故障。

4.该传感器尺寸相对较小，与相似材料能够实现较好的耦合，减少了模型内部测试元件对实验结果的影响。

5.该传感器线性度好，测量精度高，测量数据真实可靠。

6.该传感器配有信号指示灯，可提示通讯是否正常，节约故障排查的时间。

7.该传感器供电方便，即可用内置锂电池为其供电，当电池电量不足时，也可采用交流电供电。

8.该传感器表面做了防水处理，以防生锈和相似材料模型中水对传感器性能的影响。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。