刮板输送机链条张力测控系统设计毕业论.doc

编号： 毕业设计（论文）说明书题 目：刮板输送机链条张力测控系统设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 4 月 23 日摘 要IV刮板输送机是一种以挠性体为牵引机构的连续输送机械，是为采煤工作面和采区巷道运煤布置机械，是目前长壁式采煤工作面唯一的运输设备。可用于水平运输，亦可用于倾斜运输。刮板输送机作为煤炭运输的主要运输设备，在煤炭生产中起着非常重要的作用。目前，我国刮板输送机链条张力的测控系统、制造水平已接近国外同类机型，但与国外相比仍有不少差距。对此，加快研制高可靠性的刮板输送机链条的张力测控系统刻不容缓。随着工作面刮板输送机正逐步向大功率、大运量、大运距和高可靠性方向发展，其性能的要求也在不断的提高。本文针对链条张力的不稳定性，对刮板输送机的链条张力自动控制系统进行了理论分析和研究。 首先，本毕业设计研究了刮板输送机链条张力的预紧力计算，设计了张力自动调节系统，其次在此基础上研究并开发了刮板输送机链条张力的检测系统及其尾部液压自动调节系统。本检测系统是以单片机为核心,并根据检测系统要求设计了传感器系统，单片机外围接口电路和数据传输电路，软件方面完成了数据采集程序以及数据传输程序设计，实现了刮板输送机链条张力的实时检测。本测试系统为分析刮板输送机运行状况，进而对刮板输送机在运行过程中不断加以控制,从而为整个生产的正常运行提供了保障。关键词：刮板输送机；预紧力；数据采集；张力调节系统；液压系统AbstractScraper conveyor is a continuous conveyor machinery, the flexible traction mechanism the roadway the coal layout of machinery to the coal face and mining area, is the long wall coalface only transport equipment. Can be used for the horizontal transport, and can also be used for inclined transport.The scraper conveyor as coal transport transportation equitment, plays a very important role in coal production. At present, China scraper conveyor chain tension measurement and control system, the manufacturing level is close to similar foreign models, but there are still many gaps compared with foreign countries. In this regard, accelerate the development of high reliability scraper conveyor chain tension measurement and control system without delay.With the development of AFC towards long distance, high speed, long carrying capacity and large driving power, the request for its performance is improving constantly too. This paper analyses the AFCs chain tension control system aiming at the instability of the chains tension.First, the graduation design describes how the pre-tightening force of the scraper conveyor is calculated and how the automatic adjusting system is designed. Furthermore it researches and develops the tension measuring system for the conveyor and the tail hydraulic automatic adjusting system. This detection system regards SMC as the core, and designs sensor system, SMC peripheral interface circuit and data transmission circuit according to the detection system. The software system designs the program of data gathering and data transmission, and realizes the measure of the chain tension. This detection system for analyzing the scraper conveyer operation conditions, and then controlling the scraper conveyer constantly, provides safeguard for the normal running of the whole production.Key words: AFC；Pre-tightening force；Data gather；Tension Control System；Hydraulic Pressure System目 录1 引言12 刮板输送机的整体发展状况22.1 国外刮板输送机的发展现状22.2 国内刮板运输机的发展概况33 方案的选择与原理分析53.1 方案的选择53.2 系统原理分析64 链条预紧力分析与计算84.1 链条预紧力分析84.2 链条预紧力计算95 链条张力检测系统115.1 传感器系统设计115.1.1传感器的选择115.1.2传感器的设计145.1.3电阻应变片电桥电路165.2传感器的标定185.2.1传感器标定的意义与方法185.2.2传感器的静态标定195.2.3传感器的动态标定205.3 放大电路的设计216 电路系统的设计256.1 C8051F020单片机的简介256.1.1数据存储单元的选择276.1.2数据传输方式的选择286.2 数据采集电路及程序设计296.3 单片机与PC机通信电路图326.3.1通讯程序设计336.3.1.1PC机的通信程序设计346.3.1.2单片机的通信程序设计357 液压系统设计367.1 传动方式选择367.2 明确设计依据377.3 液压系统的拟订377.4 液压系统的基本计算388 结论40谢 辞41参考文献42附 录43桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第49页 共48页1 引言长壁综采系统技术是支持,挖掘、装载、运输和整体推进的机械化的生产技术,国外称它为长壁工作面全盘机械化。在近半个世纪的发展,它创造和保持一个数量的世界纪录,是世界上最先进的地下采矿技术,新技术革命在最近几年的影响下,正在经历转型进展的影响。目前全自动无人采煤的机械化开采工作面技术,是美国、德国和其他国家科研的重要工作的内容。矿山设备是机械化开采技术的核心部分，工作面的输送机是一个关键的采矿设备。面对输送机自成立以来,经历了各种类型的发展和变化。刮板链条类型的变化经历了“单边中链式边双链式三链式中双链式或单中链式”和“环链紧凑链”的发展；槽式经历了“滚动风格压迫整个铸造焊接或积分卷焊”和“整体铸焊式或整体轧焊式” 及“敞底封底”的发展。工作面的刮板输送机,大约每十年有一个大的发展,促使采矿设备每10年左右有一个很大的进步,综采工作面生产收益率相应级别,每10年水平就要翻一番了。我国综采工作面刮板输送机，取得了很大的进步，因为自70年代中期来，综采工作面的机械化水平和工作效率的提高增长起到了很大的作用。然而，与一些发达国家相比，仍然有很大的差距。近年来，一些外国制造商为了满足市场的需求，不断增加输送功率，采用新结构，新技术，飞速发展机电一体化的技术，使我们的产品不断更新，不断提高生产能力，技术性能改进，不断提高系统的可靠性，并且寿命也显着增加。目前，生产的刮板输送机输送能力，也远远低于发达国家，不能满足生产的需求，整机的性能，没有任何监控设备，使故障频繁发生，停机维护频率高，造成的伤害非常严重。国内刮板输送机已不能满足国内许多高产高效矿井高产高效矿井需要，目前已经向大家介绍了国外生产的刮板输送机，因此，必须结合我国国情和需求，并找出与国外的差距，实现了高功率，高效率的生产刮板输送机，不断以提高其性能，并大力开发机电一体化技术，对刮板输送机的技术改革。2 刮板输送机的整体发展状况输送机在20世纪50年代广泛的使用型号为SGD-11、 SGB-11。但是其不能横向弯曲的自我推进，工作面推进后需要重新安装，要的时间长，劳动强度大，加上缺乏强度，功率小，甚至沿工作面分段爆破，经常发生超载事故。在逐步换用SGD-20 型和SGS-30 型型刮板输送机，工作面的生产能力虽然好转，但仍不能弯曲自移，由人类携带非常沉重，输送机和煤壁的距离比较远，需要人类霍煤。在到70年代，由于采煤的机器大量的使用，于是就出现了SGW-40、SGW-44 型弹性可弯曲刮板输送机，采煤机实现了不解体和不停运的自移，运输能力可达200吨/小时。自80年代以来，采煤运输设备发展很快，由于出现了各种新型采煤机，刮板输送机已经发生了很大变化。由于煤炭采矿机在传送带上行走，不仅需要输送强度，保证采煤机工作的稳定性，并匹配采煤机的生产能力，刮板输送机不断的向重型化方向发展不断。代表型有SGW -150和SGW-250型。出现了一些与大功率采煤机，刮板输送机已达到400500千瓦的电力，运输能力为1000吨/小时，能适应采煤工作面的150 万t/a的规模生产要求的产量。2.1 国外刮板输送机的发展现状自从世界上第一个自诞生的刮板输送机,在历经半个世纪的不断研究、测试、改进,刮板输送机已经成为煤炭运输,特别是长壁输送机运输不可替代的输送设备。近年来,美国、澳大利亚和其他发达国家为代表的集约化高产、高效矿井开采迅速发展,带动了机械化采矿设备向高端的机电一体化技术开拓，构建了生产容量大、自动化程度高,安全可盘, 产量指数增加和效率成倍提高的新一代高收益机械化采煤工作面设备,实现和促进了一矿一井一面的一个高度集约化生产。随着集约化高产机械化长壁开采设备和技术不断向高端发展,为了满足生产能力大,自动化程度高、安全性和可靠性高的生产要求, 几个外国著名的刮板输送机公司不仅专注于改善关键元素零件材料强度来提高其使用寿命,但也非常注重刮板输送机软启动,过载保护以及一个可伸缩的机尾链张紧装置的开发,如提高刮板输送机机电控制水平的发展。现在各种输送机使用的模型形式的软启动、过载保护已经有限矩形液耦合,CST可控驱动安装,变速型流体耦合,文流电机调速等,外国公司他们所研究的紧链器液压马达和可伸缩的尾部调整链条张力紧链系统,既保证输送机链超重型紧面操作安全、可靠、易于控制,还可根据负载情况随时调整刮弹性板链条,以确保刮板链总是能够运行在其最好的状态,避免链条太松而造成悬链跳链的事故。 在刮板输送机的运行当中，为保证正常的圆环链和链轮啮合，防止链条在分离点堆集或者垂过大，而导致链条的卡链和掉链，必须对传送链施加预加张力。预张紧力选定时最好是在分离点处的张力的大小必须大于零，以确保不脱链，这个时候的预紧力为（为链条组的空载运行单位阻力，煤运行时的单位阻力，为铺设长度）。显然，在实际操作中，煤的运行阻力不断变化的，因此，使用人工预装方法是无法使得F能够保持在最好的状态，链条不是太松就是太紧。如果链条过紧都会使运行阻力增加，使刮板输送机的功率消耗过大，元部件过度的磨损；如果链条太松，就会使得链轮和链条啮合时受到破坏，导致链的冲击振动或掉链。理想的方式是开发一个自动控制装置，可以实时监测链条预紧力，实现自动调整张力的大小。在这个方面国外开发出来的自动调节系统比较早。下面是国外主要研发出的几种链条张力自动控制系统：1. 英国 MECO 公司研发了一种利用功率的变化来改变张力的大小的监控原理自动调节张力。这个技术是英国 MECO 公司（现在改名为国际长壁公司）研究出来的，它是利用张力与所耗功率之间的特定关系来对链条张力实施监测并进行自动调节的系统。2. 德国威斯特伐利亚贝考瑞特公司研发了一种利用悬垂量的变化来改变张力的大小的监控原理自动调节。这个技术是德国威斯特伐利亚贝考瑞特公司研究出来的。它是利用监测链条节距的变化来间接测量出链条张力的大小，再利用某种特殊的传感器监测下链分离点的悬垂量。这样采用该系统使链条的张力明显的下降了,因而减少了很多无用功率的损耗,避免了链条与链轮的过早磨损,延长了链条的寿命。 英国伽立克公司（现已并入国际长壁公司），它通过测量伸缩油缸的压力值的大小而间接获得链条张力的大小，进而研发出来了自动控制链条张力的装置。跟据网上资料了解到这个技术精度略差。2.2 国内刮板运输机的发展概况 长壁综采煤炭矿井机械化在中国开始于1970年后期，随着其进一步推广和发展，已经具有一定的研发，生产和制造输送机的能力，并成功地开发了一系列更适应中国的国情的综采综放工作面输送机设备，这样就基本上可以满足国内市场的需求。现在我们国家的中，小功率刮板输送机已经有成型技术，并拥有先进的制造能力，可以输送的量小于150吨/小时，装机功率小于800千瓦的中型和重型输送设备方面和国外同类产品水平相当。近年来通过引进，消化，吸收，设备国产化，我国还开发了如槽1.2米，2X700kw装机功率，运输能力可达2500吨的大功率刮板输送机，并已在一个大型煤矿投入使用中。其中，各种各样的交叉侧卸式机头，材料的强度级别可达到70公斤的浇铸槽超重型工作面刮板输送机和中小板以及必要的一些应用结构部件都得以推广和应用。我国综采工作面生产对于刮板输送机链条张力的测控，一般都是根据经验，观察刮板输送机在运行过程中链条的松紧程度而人为的调整。但是往往通过经验来监测由于它是直观的控制，并且每个人的经验都存在着差异，所以对于把握刮板链条预紧力是有一定的限制性的，而不是量化控制。刮板链条的摩擦损失和拉伸变形，减少预紧力，当再一次预紧时，被截断的合理的刮板链条的数量和截链环后刮板链的预紧力是否适宜都把握不准。因此，对于这种技术，我国与一些发达国家相比还有很大的差距。鉴于上面提到的国内和国外刮板输送机的发展现状的比较，随着煤炭工业对运输设备的可靠性和工作性能上的要求不断提高，我们要对刮板输送机链条张力进行自动控制系统的研究设计意义深远。然而对于在现场上对刮板输送机链条张力的运行状况进行实时监测与控制，并对刮板输送机的一些检修和维护、增强工作的安全性和可靠性、可以很大程度上避免和减少事故发生。3 方案的选择与原理分析3.1 方案的选择 鉴于上面提到的国外研究出来的三种方案，分别对它们的合理性进行分析，接着讨论下它们各自的优缺点。如图 3-1 为刮板输送机尾链轮的受力分析图，它是根据液压缸的伸缩来改变链轮之间的距离，从而改变链条张力的大小。图3-1刮板输送机尾链轮的受力分析图其中F1上链链条的张力；F2 下链链条的张力；V 刮板运行的速度；T油缸的推力，T=PS，P代表油缸压力，S代表油缸有效面积。则有： (3-1) (3-2)其中N所耗功率；驱动装置的传动效率；油缸的机械效率。由上面的公式（3-1）和（3-2）可见刮板机链条张力与刮板输送机的功率以及油缸的压力都有关系，即： (3-3) (3-4)然而刮板机下链相遇点的链条张力大小F2非常大，它的最大值可以达到几十吨，但刮板机上链分离点的链条张力F1则相对就很小了，它可能就有几百牛顿甚至还要小，所以我们可以得出这样一个结论所耗功率 N 和油缸压力P 的变化主要是受到下链链条的张力F2 影响，上链链条的张力F1对它们的影响就相对很小。如果F1有一个变化量 F1，相应产生的 P 和 N相对于原来的值是相当小的，所以这个研发通过测量功率和油缸压力获得刮板输送机链条张力的值的大小，其精确度很低。下面是德国威斯特伐利亚贝考瑞特公司研发了的利用悬垂量的变化来改变张力的大小的监控原理自动调节。监测链轮分离点悬垂量，链条由于在运行过程中的堆积，打结，或堆煤的过程中导致链条悬浮，以上的种种原因说明了间接地测量链条的悬垂量方案不够精确。所以本文采用应变片直接粘贴在链条上，可以直接的反应链条张力的大小的解决方案。以下各节将进行详细的分析。刮板链作为弹性体，运行时会产生弹性伸长，伸长量会使刮板链条驱动链轮分离点的地方松弛，堆积，甚至导致断链，链条卡死或断齿而导致危险事故的发生。为了防止这种现象，在早期安装刮板链或运行一段时间后，会给它一个初始张力，使其产生预加弹性伸长。初始张力（刮板输送机静止时的封闭链式内的张力）的形成，是靠拉紧设备实现了的。虽然目前使用的液压缸链条紧链器，液压马达链条张紧链器和盘式紧链器等，都可以准确地反映拉紧力的大小，但对于一个特定的刮板输送机，究竟要有多大的拉力以满足要求，需要进行专门的计算。为了保证刮板输送机在不同负载的工作条件下能正常工作，必须使刮板输送机链条张力在一定范围内。因此，结合实际情况和地下采煤工作面以及刮板输送机的特点，设计了刮板输送机链条张力自动控制系统，它主要包括两部分：一个是链紧张力的实时检测系统，可以实时检测和分析张力的输送机链条的计算，其次，根据改变链条的张力，调节输送机尾部，使得链条张力的变化在控制范围内工作，以保证刮板输送机的正常工作。刮板输送机链条张力测控系统见图3-2。电源单片机数据存储器尾部液压控制系统张力数值分析处理串行口输出应力传感器链条张力图3-2刮板输送机链条张力测控系统3.2 系统原理分析 对于本检测系统所用到的是单片机，因为单片机体积小，功能强大，可靠性好，性价比高的突出优势，发展成为研究信号处理装置不可或缺的关键环节和一个重要组成部分，由此单片机信号处理系统及其他相关装置。因此在系统软件的支持下，可以完成链条张力检测的任务。系统原理示意图如图3-3所示:图3-3张力检测系统原理示意图这个工作系统可以分为：传感器及放大电路部分,模数转换及数据的采集和存储,数据的传输及其计算机部分的分析装置。 传感器和放大器电路部分主要由传感器将运行中的链条张力变化转换为电信号。电阻应变片力传感器安装在链条上，将链条的张力值按照一定的规则通过电桥电路变换成线性关系的电信号输出。但是因为此时的信号弱，无法满足模数转换处理的要求，因此在信号转换之前，必须首先通过放大电路，将弱信号放大，滤波处理，以满足A/D转换的要求。 数据的转换、采集及存储。由放大电路输出的电信号进入单片机后,首先经过单片机内部的A/D转换系统,对信号进行滤波、采样处理,进行数据的采集。这样,原本模拟信号就转换为离散的数值,此时的数值与各个对应点的链条张力数值存在对应关系。把这些数值存储到数据存储器芯片中。数据的转换，采集和存储。通过放大电路输出的电信号到微控制器中，首先，通过单片机内部A/D转换系统，对信号进行滤波，采样处理，最后在数据采集。因此，原来的模拟信号转换为离散值，此时，各个对应点的链条张力的大小有对应的关系。再把这些数值存储在存储器芯片内。经过了一段时间数据存储器芯片中的数据,再通过串行口通信输出到上位机PC机上,最后进行模态分析,这样就可以全面的了解和掌握刮板输送机链条张力的运行状况,来指导整个运煤工作的正常进行。4 链条预紧力分析与计算4.1 链条预紧力分析刮板输送机链条是一种弹性体的链条, 在受到拉力的情况下就会产生弹性伸长量。刮板输送机链条在额定负载下的张力分布如图4-1所示,图中所示刮板输送机的链条预张力用虚线表示,它是按等高线的高度均匀分布在链条上；图中所示刮板输送机运行中的链条张力用实线表示。图4-1刮板链在额定负载下的张力分布图对于综采工作面, 链条的微元伸长量与其张力、微元长度、链条弹性模量E、刮板链的横截面积A 等诸量之间的关系服从虎克定律。输送机在额定负载下工作, 链条总弹性伸长量可以用下式表达: (4-1)式中 - 刮板输送机链条数目； S(x)-点x处的链条张力值大小,N； L- 刮板输送机的总长度, m； C0- 刮板输送机上链条的阻力系数； C- 刮板输送机下链条的阻力系数； -刮板输送机链条的摩擦系数； a-刮板输送机的弯曲的角度；-刮板输送机上链条阻力值大小, N；-刮板输送机下链条阻力值大小, N。伸长量可以导致悬链松动，堆积，甚至使链扭结而导致故障的发生，因此必须拆除伸长量，或者将输送带伸长/2，两种方式和整个刮板链分布恒定的预紧力FV产生相同的变形量是一样的效果。由得到刮板链条在额定负载下工作所需的预紧力： (4-2)对水平放置的刮板输送机刮板链需要的预紧力是上式中当a趋于0时取其极限值： (4-3)式中-刮板输送机下边链条与机尾啮合点的张力值, N； -刮板输送机下边链条与机头分离点的张力值, N； -刮板输送机上边链条与机头啮合点的张力值, N； -刮板输送机上边链条与机尾分离点的张力值, N。通过上面的式子可以得到, 对于水平放置的刮板输送机刮板链条需要预紧力的大小为刮板输送机刮板链条上下边链条与机头机尾分离啮合点四个张力值的算术平均值。4.2 链条预紧力计算不同驱动装置的输送机，刮板链运行阻力大小和分布也不同，因此，刮板链条预紧力要求也不等的。下面将介绍几个不同的驱动方式时的刮板链预紧力的计算分析。1) 当装驱动装置只安装在机头部位时, 经过简化后的预紧力为: (4-4)2) 当驱动装置只安装在机尾时部时, (4-5)3)当驱动装置安装在机头尾都有时, 而且各自克服上下链阻力时: (4-6)4)当驱动装置安装在机头尾，并且功率相同时, (4-7)5) 当机尾安装一个,机头安装两个, 三等功率驱动装置时 (4-8)由以上的5个计算公式我们可以得出, 不管输送机是平直铺设的还是弯曲工作的, 第3)种驱动装置安装在机头尾都有时输送机刮板链条需要的预紧力最小, 第2)种驱动装置只安装在机尾时部时预紧力最大, 还可以看出刮板输送机弯曲铺设时比平直状态所需要的刮板链条预紧力要大。如果给额定负荷施加在输送机刮板链条上预紧, 当在空载工作或欠负荷时, 输送机刮板链条的张力不再按空载或欠负荷分布, 在每个位置上要附加一个力差, 但对于平直铺设的输送机其值为额定负荷下的预紧力与欠负荷或空载时所需预紧力之差, 对弯曲铺设的刮板输送机该力之差为链条运行中的位置函数。这里有一点要注意的是：虽然大的预紧力提高了链的负载能力，但不利于链的使用寿命，增加功率消耗，降低链条与链轮之间的传输效率。如果链的预紧力可以自动根据负载调整，那么，不管负载是怎么样的，总是等于零，那是再好不过了。经过一个预紧的刮板链条，刮板输送机运转前可以得到并且保留非常的均匀的预紧力和总弹性伸长。所以在负荷下运行时，链条张力和变形随负载再分布。5 链条张力检测系统因为链条张力的测试系统是采集刮板输送机链条张力的变化过程，因此整个数据采集系统必须跟随链条一起运转，这个就要要求检测装置应该被固定在链条上，然后一起运行。因此，设计一种特殊的设备，把它固定到链条上，传感器和数据采集系统放到装置里面，这样就可以进行实时的数据采集，如图5-1所示：图5-1链条张力检测系统示意图传感器系统主要分为链条张力值的采集和数据转换以及存储2个大的部分。为了保持整个系统的密封性能，在链条和传感器组件与密封盖之间加上密封圈，也在外界的接口通道与内部的电路板同样用了密封圈。封闭电路板的盖也与刮板密封垫相连,所有这些都是为了保证电路板及传感器严格密封,以防止煤粉进入,保证系统的正常运行。应变片粘贴在链上，应变片粘贴的链条部分的直径小于原来的圆环链的直径，这个是为了使得输送机链条的应变更大，以便于采集数据的测量，提高测试数据精度。再把电阻应变片连入到电桥电路中去，以实现应变片的温度补偿的目的，四个桥臂都采用相同的应变片。在此电桥电路中,桥路接成单臂,这是因为链条主要承受拉力变形。此时桥路输出的微弱电信号与链条的张力变化存在着一定的线形关系,但这时还不能就此保存数据,因为此时信号非常微弱,里面存在着很大的干扰成分,另外电量是模拟信号,无法进行直接的存储。把微弱的电信号经导线传入电路板,经过放大电路后,微弱电信号得到放大, 后传入单片机内部的模数转换器,进行采样保持,转换后所得的数据存入数据存储器。这样通过一定的转换,存储到链条的张力变化值的数据,并进行分析和处理。5.1 传感器系统设计对于非电量如力不能直接转换成电能，通常需要通过弹性敏感元器件，首先把它们变换成应力、应变、或位移，然后再次通过传感元件将其转换成电量。这些中间体的量通常是通过变形得到的。5.1.1传感器的选择 由于链条张力测量要在刮板输送机链上安装传感器，这个部分是非电量的测量，于是可以用到传感器技术对其进行测量，并将其转换成电能。如下图5-1的检测系统图：链条张力传感器放大电路信号处理数据采集、存储电源图5-1 张力检测系统图传感器在这个系统中的主要功能是被测量到的物理量转换与具有一定关系的电量，传感器在非电量检测系统中占有重要地位，它得到的信息正确与否，直接关系到测量结果以及整个控制系统的可靠性。测量电路的信号处理系统主要用于将传感器的输出的电信号进行处理和变换并记录。从测量电路输出的信号直接将其存到数据存储器里面。电阻应变片具有独特的特点，得到广泛的应用，其优点如下：a.灵敏度和精确度高：能测12微应变，误差一般小于1%；b.测量范围大：从弹性变形一直可测至塑性变形；c.尺寸小，重量轻，对试件工作状态和应力分布影响很小；d.具有良好的动态响应；e.能适应高温、高压、强磁场以及辐射等恶劣环境；f.价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。12345图5-2 电阻应变片1-敏感栅；2-引线；3-粘结剂；4-覆盖层；5-基底电阻应变片的结构及工作原理如下：电阻应变片的结构如图5-2所示，其中，敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。引线是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。(1)粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结材料，用它将敏感栅固定在基底上。 (2)覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的绝缘层。 (3)基底：用以保护敏感栅，并固定引线的几何形状和相对位置。 电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应变电阻效应。我们知道，金属导线的电阻R与其长度L成正比，与其截面积A成反比，即 (5-1)式中是导线的电阻率。如果导线沿其轴线方向受力产生形变，则其电阻值也随之发生变化，这一物理现象被称为金属导线的应变电阻效应。为了说明产生这一效应的原因，可将式（5-1）取对数后进行微分得 (5-2)式中，为金属导线长度的相对变化，用轴向应变e来表示，即；是截面积的相对变化。（r为金属导线的半径），是金属导线半径的相对变化，即径向应变er。导线轴向伸长的同时径向缩小，所以轴向应变e与径向应变er有下列关系： (5-3) m为金属材料的泊松比。根据实验，金属材料电阻率相对变化与其体积的相对变化之间的关系为，C为金属材料的一个常数，如铜丝C=1 。由 我们可导出与e、er之间的关系。由此得出代入式（5-2）得 (5-4)Ks称为金属丝灵敏系数，其物理意义是单位应变引起的电阻相对变化。由式（5-4）可见Ks由两部分组成，前一部分由金属丝的几何尺寸变化引起，一般金属的m在0.3左右，因此，后一部分为电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属丝几何尺寸有关外还与金属本身的特性有关。Ks对于一种金属材料在一定应变范围内是一常数，于是得出 (5-5) 为表示应变片的电阻变化与试件应变的关系，引入应变片的灵敏系数K，定义为：试件受到一维应力的作用时，如应变片的主轴线与应力方向一致，则应变片的电阻变化率和试件主应力方向的应变 之比称为应变片的灵敏系数，即 (5-6)由于粘结剂传递形变的失真与应变片的横向变形等因素的影响，应变片的灵敏系数K总是小于金属丝的灵敏系数Ks。K值由生产厂家给出。 由式（5-6）看出，应变片的敏感栅受力后使其电阻发生变化。将其粘贴在试件上，利用应变电阻效应便能把试件表面的应变量直接变换为电阻的相对变化量，电阻应变片就是利用这一原理制成的传感元件。对于刮板链条，链条横截面上的应力为：在由胡克定律：当应力不超过材料的比例极限时,应力与应变成正比,即所以可以得到： （5-7）将式（5-7）代入（5-5）可以得到电阻变化与链条张力的关系：式中E为链条的弹性模量，A为链条的横截面积。5.1.2传感器的设计 传感器的设计可以利用导电性金属丝中的应变电阻效应，可制成测量试件表面应变的敏感元器件。若要在比较小的尺寸范围内就能感觉到有比较大的输出应变值，通常把应变丝制成栅状应变式元件，把它称为电阻应变片，简称应变片。应变片的分类可以分为金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又可分为金属丝应变片和箔式应变片。电阻应变片是应用很广的力转化为电的转换元件,通常它需要和电桥电路一起使用,但是因为它输出信号微弱,需要经过放大器将电信号放大。使用时应变片可以比较理想地粘贴在被测试件的各个部位。它也可以与弹性元件制成专用的力学传感器使用。电阻应变片用途非常广泛,它可以检测机械装置各部分的受力状态,如应力、振动、冲击、离心力及不平衡力大小等等。电阻应变片的种类金属电阻应变片种类繁多，形式多样，但常见的基本结构有金属丝式应变片、金属箔式应变片和薄膜式应变片。其中金属丝式应变片使用最早、最多，因其制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴而被广泛使用。电阻应变片的结构金属丝式电阻应变片由敏感栅、基底、盖层、黏合层和引线等组成。其中敏感栅是应变片内实现应变电阻转换的最重要的传感元件，一般采用的栅丝直径为0. 0150.05 mm。敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，L为栅长，n为基宽。根据不同用途，栅长可为0.2200 mm。基底用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置，并将被测件上的应变迅速、准确地传递到敏感栅上，因此基底做得很薄，一般为0. 020.4 mm。盖层起防潮、防腐、防损的作用，用以保护敏感栅。用专门的薄纸制成的基底和盖层称为纸基，用各种黏合剂和有机树脂薄膜制成的称为胶基，现多采月后者。黏合剂将敏感栅、基底及盖层黏合在一起。在使用应变片时也采用黏合剂将应变片与被测件黏牢。引线常用直径为0.100.15 mm的镀锡铜线，并与敏感栅两输出端焊接。箔式应变片其敏感栅是由很薄的金属箔片制成的，厚度只有0. 010.10 mm，用光刻、腐蚀等技术制作。箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减少横向效应，且敏感栅的粘贴面积大，能更好地随同试件变形。此外与金属丝式应变片相比，金属箔式应变片还具有散热性能好、允许电流大、灵敏度高、寿命长、可制成任意形状、易加工、生产效率高等优点，所以其使用范围日益扩大，已逐渐取代丝式应变片而占主要的地位。但需要注意，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式的大，有的能相差几十欧姆，故需要作阻值的调整。对金属电阻应变片敏感栅材料的基本要求如下。 灵敏系数K。值大，并且在较大应变范围内保持常数。 电阻温度系数小。 电阻率大。 机械强度高，且易于拉丝或辗薄。 与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触热电势小。薄膜式应变片与丝式和箔式两种传统的金属粘贴式电阻应变片不同，它采用真空蒸发或真空沉积的方法，将金属敏感材料直接镀制于弹性基片上。相对于金属粘贴式应变片而言，薄膜式应变片的应变传递性能得到了极大的改善，几乎无蠕变，并且具有应变灵敏度系数高、稳定性好、可靠性高、工作温度范围宽（一100180）、使用寿命长、成本低等优点，是一种很有发展前景的新型应变片，目前在实际使用中遇到的主要问题是尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系。 经过比较，本次传感器选用箔式应变片，其结构如图5-2：(a) (b) (c)(d) (e) (f)图5-2箔式应变片从应变片的结构可见，应变片的应变传递系统实际上是试件（或弹性体）、胶粘剂、基底、胶牯剂、敏感箔栅、胶粘剂、覆盖层等组成的层状结构，为此其性能不仅取决于所用的胶粘剂、基底、敏感箔栅、覆盖层等材料的本身性能，而且还与固化温度、时间压力等工艺条件直接有关。应变片或传感器的稳定性取决于敏感箔栅、胶粘剂、基底等本身性能及系统的工艺条件。金属箔式应变片的工作原理是建立在电阻应变效应的基础上。电阻应变片的粘贴电阻应变片用黏合剂粘贴到试件表面上，黏合剂形成的胶层必须准确、迅速地将被测试件的应变传到敏感栅上。黏合剂的性能及黏结工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数、线性，以及它们受温度影响的程度。可见，在粘贴时，必须合理选择黏合剂，遵循正确的黏结工艺，保证粘贴质量，这与电阻应变片的测量精度有着极其重要的关系。选择黏合剂必须适合应变片材料和被试件材料，不仅要求黏结力强，黏结后机械性能可靠，而且黏合层要有足够大的剪切弹性模量、良好的电气绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿、耐油、耐老化，动应力测量时耐疲劳等。此外，还要考虑应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性、粘贴时间长短的要求，以及贴片固化时加热加压的可能性等。常用的黏合剂类型有硝化纤维素型、氰基丙烯酸型、聚酯树脂型、环氧树脂类和酚醛树脂类等。粘贴工艺包括刮板输送机链条表面处理、贴片位置的确定、贴片干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定，以及防护与屏蔽等。5.1.3电阻应变片电桥电路由于机械应变一般都很小, 要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来, 同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化。因此, 需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路, 通常采用电桥电路。但由于检测系统自身受到外部环境的制约，不得不使用一个直流放大器将信号放大。根据不同的读数方法，该桥分为平衡电桥和不平衡电桥两种。平衡桥几乎适合用于测量静态参数，不平衡电桥适于测量的动态参数，所以测试系统采用不平衡电桥电路。图5-3直流不平衡电桥其中 （5-1-3）当电桥平衡时, =0, 则R1R4 = R2R3或 （5-1-4）式（5-1-4）称为电桥平衡条件。这就表明要想使电桥平衡，相邻的两臂阻值的比值应该是一样的，或者相对两臂电阻的阻值相乘是一样的。电阻应变片在工作的时候变化是非常小的，所以电器相应的输出电压也是非常小的，需要添加放大器来放大。由于放大器的输入阻抗远高于输出阻抗，所以还是根据条件把电桥看作是开路的。如果受到应变，当应变片电阻变化R，其余的桥臂固定没有改变，电桥输出电压0，输出电压为：设桥臂比 ，由于，分母中可忽略，并考虑到平衡条件，则上式可写为 （5-1-5）电桥灵敏度定义为 （5-1-6）上式说明：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压E，E越高越高，但E的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要做适当选择。是桥臂电阻比值n的函数，恰当的选择n值，保证电桥具有较高灵敏度的电压灵敏度。这时电桥输出的微弱的电信号和链条张力的变化存在着一定的线性关系，但现在仍不能保存数据，这是因为信号非常弱，还存在着大量的干扰，另外电量属于模拟信号，并且不能被直接存储。所以我们把微弱的电信号放大电路后，通过导线输入电路板，微弱的电信号被放大，然后被传入到单片机内部的A/D转换器，在进行采样保存，转换后的数据转存到数据存储器里面。所以，我们就把链条的张力变化情况通过一定的转换,将其数据进行存储,以方便后面的分析。此时，链条张力的变化虽然记录了下来，可在单片机是不能进行分析的。这要求我们存储的数据传输出去，在电脑上分析整理，将详细阐述在下一章。5.2传感器的标定所谓传感器的标定，是指通过试验建立传感器输出与输入之间的关系并确定不同使用条件下的误差的这样一个过程。一般来说，对传感器进行标定时，必须以国家和地方计量部门的有关检定规程为依据，选择正确的标定条件和适当的仪器设备，按照一定的程序进行。5.2.1传感器标定的意义与方法传感器标定的意义：（1）对出现故障的传感器，若经修理还可继续使用，修理后也必须再次进行标定试验，因为它的某些指标可能发生了变化。 （2）传感器使用、存储一段时间后，也须对其主要技术指标进行复测，称为校准（校准和标定本质上是一样的），以确保其性能指标达到要求。（3）对新研制的传感器，须进行标定试验，才能用标定数据进行量值传递，而标定数据又可作为改进传感器设计的重要依据。 （4）是设计、制造和使用传感器的一个重要环节。任何传感器在制造、装配完毕后都须对设计指标进行标定试验，以保证量值的准确传递。传感器标定的基本方法： 把已知的被测量当作准备标定传感器的输入，同时把输出量测量环节将待标定传感器的输出信号的测量和显示（待测量传感器本身包括后续测量电路和显示部分的时候，标定系统可以不要输出量测量环节）;把得到的传感器的输入和输出信号进行处理和比较，得到了一系列的对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。5.2.2传感器的静态标定1.静态标定的条件与仪器精度(1)传感器静态标定的条件传感器的静态标定是在静态标准条件下进行的。静态标准条件是指无加速度、振动与冲击（除非这些参数本身就是被测物理量），表定时周围的温度大约实在室温（205C）的条件下进行，相对湿度小于或者等于85%都可以，大气压力为101.327.999kPa。(2)标准器具精度的选择 为了确保标定精度的准确性，必须选择和被标定的传感器的精度要求必须是适应的一定等级的标准设备