机械毕业设计（论文）-摩檫式提升机钢丝绳张力检测系统设计（全套图纸）

I I 摘 要 提升是煤炭行业里的重中之重。 目前煤矿上大多采用多绳摩擦式提升机。 是依靠钢丝绳与摩擦轮衬垫之间的摩擦力来提升。由于众多因素的影响，在 使用一段时间后,会使各钢丝绳之间受力不均、张力不平衡，这将会造成钢丝 绳的疲劳破坏和摩擦衬垫的早期报废，甚至会造成滑绳、断绳等重大事故。 因此，在线检测各钢丝绳张力的情况一致，保持钢丝绳受力一致对延长钢丝 绳的寿命、减轻衬垫磨损、保证设备安全运行有着很重要的意义。本文在参 考分析其他资料的基础上，设计了摩擦提升机钢丝绳张力监测系统，该测试 系统分为机械装置和信号测试两部分。机械装置是由支架 压轮 底座 轴 轴 承等主要部件组成。并根据实际工作情况等因素，合理选择加工材料，确定 支架和底座的外部尺寸，并对轴及轴承等进行强度校核和寿命计算。以来完 成用直接接触法测量各钢丝绳的张力。测试部分依次由弹性元件 放大装置 滤波装置 信号转换装置 处理装置 显示装置组成。 从而使所测得的张力一步 步由力信号通过弹性元件转换成电信号再通过信号放大 滤波 采集进而显示 出钢丝绳的张力的大小。该测试系统将用于实践，会对安全生产起到积极的 作用。 关键词： 多绳摩擦提升机； 钢丝绳；张力传感器 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 II II Abstract Enhance the coal industry a top priority. Most of the current use of coal on the multi- rope friction hoist. Relying on wire rope and the friction between the friction wheel liner to improve. Because many factors in the use of a period of time, bring the rope were among the Shouli Bu, tension imbalance, which will result in fatigue failure of wire rope and the friction lining of early retirement, or even cause slippery rope, broken rope and other major incidents. Therefore, online detection of the rope tension in line, keeping the same wire by the force of the rope to extend life, reduce pad wear, to ensure the safe operation of equipment has very important significance. Analysis of other information in the reference paper based on the design of friction hoist rope tension monitoring system, the test system is divided into mechanical devices and signal test two parts. Mechanical device is the base from the support roller shaft bearings and other major components. Work based on factors such as actual and reasonable material selection process, make sure the support and the base of the external dimensions, and the shaft and bearing, etc. check the strength and life prediction. Since the completion of direct contact with the wire rope tension measurement. Test parts of this device by the e e el la as st ti ic c element to enlarge the signal conversion device Filter display device component processing device. So that the tension measured step by step from the force signals into electrical signals through the elastic element and then collected by filtering the signal amplification and thus show the size of wire rope tension. The test system will be applied in practice, it will play a positive role safety. III III Key words： multi- rope friction hoist；rope；tension sensor 目 录 摘要 I Abstract . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题的研究意义和内容 . 1 1.2 国内外发展趋势 . 2 第 2 章 钢丝绳张力检测方案系统设计 . 4 2.1 设计方案的制定 . 4 2.1.1 方案一 （三点法） . 4 2.1.2 方案二（直接接触法） . 5 2.2 检测装置部分的设计 . 7 2.3 信号处理部分的设计 8 第 3 章 钢丝绳张力检测装置的结构设计 . 10 3.1 引言 10 3.2 检测装置的结构设计 11 3.2.1 压轮的设计 . 11 3.2.2 轴的设计计算 . 11 3.2.3 轴承的选择设计计算 . 13 3.2.4 弹性元件的设计计算 . 14 3.2.5 支架的设计 . 17 3.2.6 支架的移动和固定 . 17 3.3 力传感器的设计 . 19 3.3.1 传感器的简述 19 3.3.2 应变片的选择 . 20 IV IV 3.3.3 电阻应变片的测量电桥电路 . 22 第 4 章 钢丝绳张力检测处理系统的硬件设计 . 25 4.1 引言 . 25 4.2 传感器信号的前置放大 . 25 4.3 滤波电路设计与分析 . 27 4.4 A/D 转换电路的设计 . 30 4.5 8051 芯片的介绍 . 32 4.6 I/O 口扩展芯片 8155 的介绍 . 33 4.7 操作控制和显示器电路的设计 . 35 4.7.1 操作控制的设计 . 35 4.7.2 显示器接口电路设计 . 36 4.8 打印机接口电路的设计 39 4.9 张力测试系统图 . 40 结 论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 V V Directory Abstract . I Abstract . II Chapter 1 INTRODUCTION The . 1 1.1 The issue of meaning and content 1 1.2 The development trend of domestic and foreign 2 Chapter 2 Design of Wire Rope Tension Detection Scheme 2 2.1 The design of the development. 4 2.1.1 Option One (three- point method) . 4 2.1.2 Option II (direct contact method) . 5 2.2 The detector part of the design . 7 2.3 The design of signal processing . 8 Chapter 3 Structural Steel Design tension detecting device 10 3.1 Introduction . 10 3.2 Detection of Structure Design . 11 3.2.1 Design of the roller 11 3.2.2 shaft design calculation 11 3.2.3 Design and Calculation of bearing selection 13 3.2.4 Calculation of elastic components . 14 3.2.5 Design Support . 17 3.2.6 Support mobile and fixed . 17 3.3 Force Sensor 19 3.3.1 Sensor Description . 19 3.3.2 Strain gage selection . 20 VI VI 3.3.3 Measurement of electrical resistance strain gauge bridge circuit . 22 Chapter 4, Wire Rope Tension Measurement processing system hardware design 25 4.1 Introduction . 25 4.2 Sensor signal preamplifier 25 4.3 Filter Circuit Design and Analysis 27 4.4 A / D converter circuit . 30 4.5 8051 chip introduced . 32 4.6 I / O port expansion introduction of chip 8155 33 4.7 Design of operational control 35 4.7.1 Design of operational control 35 4.7.2 display interface circuit design 36 4.8 Printer Interface Circuit 39 4.9 Tension test system diagram 40 Conclusions 41 Acknowledgements 42 References . 43 1 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题的研究意义和内容 多绳摩擦式提升机是矿山提升物料的主要设备，它是依靠钢丝绳与摩擦 轮衬垫之间的摩擦力来提升。由于众多因素的影响，在使用一段时间后,会使 各钢丝绳之间受力不均、张力不平衡，这将会造成钢丝绳的疲劳破坏和摩擦 衬垫的早期报废，严重时会造成断绳重大事故。因此，保持各钢丝绳张力的 一致，对延长钢丝绳的寿命、减轻衬垫磨损、保证设备安全运行有着很重要 的意义。根据煤矿安全规程规定，任一根钢丝绳的张力与平均张力之差 不得超过 10%。因此对钢丝绳的承载大小及各钢丝绳之间张力平衡状态进行 在线测量，将有助于及时掌握钢丝绳受力状态的变化，进而做出及时调整， 从而保障提升机的安全工作。 在我国的矿井提升系统中，由于缺乏直接的测量索张力的装置，对于钢丝 绳的受力情况一直以来只是采用标记法 8，或是凭借感官经验来判断，或者 是采用振动法 8，此方法就是在停机状态下，一根一根分别检测，这种方法 效率低、劳动量大，也缺乏科学性,而且检测误差大。 近年来有的科研单位研制了静态装置，但不能实现实时监测。矿井提升 机运行过程中存在着不可预测的潜在危险。例如，提升机运行过程中的可能 出现的卡罐|（或箕斗） ，从而引起钢丝绳松绳或紧绳，突然启动和停止会产生 过大的冲击振动，导致在线断绳，有时还会过载打滑，引起“礅罐“、 “坠斗 “等事故 7。根据我国的矿井提升的状况，急需研制提升机钢丝绳张力在线 监测仪。因此，我们急需在这种情况下研发出一种既可以在线检测各钢丝绳 张力的传感器又可以适应该系列的其他提升设备的钢丝绳的检测，使得在线 检测变的简单可行。况且，要求该检测装置价格廉价，适应性广，并采用计 算机技术明显显示出各绳的张力并加以比较。从而，为监测者提供可靠的依 据，为及时调整各钢丝绳的张力平衡提供可靠的资料，以防止发生事故的发 生，对煤矿安全生产有着重要的意义。多绳摩擦式提升机钢丝绳的张力检测 系统主要是运用于对多绳摩擦式提升机进行在线系统的张力检测。该系统可 以运用于同一系列的不同种类的提升机设备的钢丝绳的张力检测。该钢丝绳 2 2 的检测系统可以在在线状态下检测出多绳提升机的每一根绳的张力大小，并 能通过单片机的对其进行处理，在单片机的显示系统下，能够自动、准确、 可靠指示每一根钢丝绳所受力的情况。让检测人员对每根钢丝绳的张力时时 刻刻都有一个清晰的了解，随时掌握钢丝绳的受力状况，并能够及时地采用 合适的方法对钢丝绳进行张力平衡，以避免发生严重事故。可以说，该系统 可以为以后的钢丝绳防滑及防止出现事故提供可靠的依据和保障。 1.2 国内外发展趋势 现在，国内外己经有同类产品问世，例如煤炭科学总院开发的 RTCA 多 绳提升钢丝绳张力测定仪、 中国矿业大学科技开发中心研制的 LC型提升 机钢丝张力在线检测系统以及瑞典 ABB 公司开发的矿井提升机钢丝绳张力 监测系统等。瑞典 ABB 公司的矿井提升机钢丝绳张力监测系统命名为 ABB DYNAME该系统能对钢丝绳的实际张力进行连续检测，并且该设备己经在 有的矿井投入使用过。但是由于该设备采用有线传输，系统价格昂贵（一套 监测装置 25 万美元） ，而且安装不便且维修费用极高，由于经济原因目前国 内还没有厂家使用 9。 随着信息数字化、控制智能化的发展，国内外的提升设备钢丝绳张力监 测水平已有较大进步，功能和自动化程度都有较大提高。但总体来看，还存 在着两个问题。第一，进口仪器普遍价格昂贵，且功能方面不能完全满足生 产的实际需要，鉴于目前我国矿山企业的现状，这些进口仪器很难得到普及。 第二，国产的在线监测设备整体水平还比较低，不能适应矿井复杂的工作环 境，难以满足现代化生产的要求。针对这种现状，并为满足有关企业的实际 需要，设计了一种新型的提升机钢丝绳张力检测系统。该系统与其它同类产 品相比，具有设计新颖，操作方便、性能稳定、可靠等优点，而且它是在地 面上对钢丝绳进行检测，可以排除其它同类产品因恶劣的工业现场环境的影 响，还便于检测人员的监测 9。 国外虽在 20 世纪 90 年代初研制出钢丝绳张力在线检测系统， 如英国迈 克汗姆煤矿1989年研制成功了将传感器技术与计算机技术相结合的钢丝绳张 力在线检测系统，瑞典、德国、美国也相继研制出类似产品，但价格十分昂 贵， 不宜在我国引起推广 17。 我国自 1985 年以来也开展了钢丝绳张力检测传 3 3 感器的研究，在此基础上，开发出矿井提升钢丝绳张力检测系统。但据调查 煤矿生产实际使用率不高，尤其是在我省四大矿业集团缺乏此类设备 5 。 目前，国内采用钢丝绳的设备和设施，大部分都没有安装张力自动检测 系统。为了保证安全，一般采用定期更换钢丝绳或人工的判断更换时间的办 法，不但浪费大量钢丝绳，而且断裂事故时有发生，这主要是由于不能随时 检测钢丝绳张力，而容易引起事故 9。 4 4 第2章 钢丝绳张力检测方案系统设计 2.1 设计方案的制定 2.1.1 方案一 （三点法） 整个测试系统分为传感器部分和数据采集处理部分 6 1、钢丝绳张力测试仪固定在摩擦提升机架上，如图 1 所示。 2、通过在钢丝绳上安放滚轮，使之产生形变，通过水平方向分力来计算 钢丝绳的纵向张力，如图 2 所示。 3、测量时滚轮在钢丝绳水平压力下产生位移，通过传感器将之转化为压 紧力信号。 4、压紧力信号经过放大电路和滤波器后送入 A/D 转换电路，再经接口电 路进入单片机进行处理输出，如图 2- 3 所示。 图 2- 1 机械测试装置 图 2- 2 张力测试传感原理 5 5 图 2- 3 检测流程图 2.1.2 方案二（直接接触法） 该系统的结构设计采用滚轮将钢丝绳所受的力传递个下面起支撑作用 的两根悬臂梁，通过在两根悬臂梁上贴应变片测量该转化的力进而经过换算 6，得到所要检测的钢丝绳的受力的大小如图 1 导向轮 2 滚筒 3 传感器装置 4 推进装置 5 压轮 图 2- 4 钢丝绳的检测装置 一 测量时滚轮在钢丝绳水平压力下产生位移，通过传感器将之转化为压 紧力信号。 张力检测装置 力的信号转换电桥转换 A/D 转换器 信号的采集 滤波器 信号处理 信号显示 6 6 二 压紧力信号经过放大电路和滤波器后送入 A/D 转换电路，再经接口电 路进入单片机进行处理输出，如图 2- 5 所示。 图 2- 5 检测流程图 两个设计方案是经过现场实习调查和查阅许多有关钢丝绳张力检测的相 关资料的基础确定的，对此课题所设计的内容已基本掌握，同时对于目前矿 井提升机钢丝绳在线检测的方法做了初步的调研。在前不久的实习调研过程 中，还曾经到鸡西市杏花矿去现场调查研究，主要是对多绳摩擦式提升机的 结构布局状况及空间位置进行进一步的了解。杏花矿采用的是 JKM- 3.25/4 型 号的多绳摩擦式提升机，该型号提升机的主导轮的直径是 3.25 米，导向轮的 直径是 3 米，钢丝绳所能承受的最大静张力是 450000 牛顿，钢丝绳的最大的 静张力差为 140000 牛顿， 它一共四根绳组成， 钢丝绳之间的间距为 300 毫米， 每根钢丝绳的直径为 32.5 毫米。这些都是设计的基本数据，同时现场技术人 员也为张力检测的结构设计提供了一些思路和建议，为更好的完成设计提供 了保障。从设计方案和技术上看机械部分的结构简单容易加工制造，电路部 分也都是目前成型技术，再加上我的指导老师在测试技术方面有多年的经验 和技术，所以设计方案可行，并能够达到预期的效果。 方案一和方案二不仅可以实现静态检测,也可以在运行状态下对钢丝绳进 行在线检测，它不仅不影响矿井提升机以及其它设备的正常工作，而且该系 统的检测精度高,可以将信息存储,可随时调用， 为检测人员提供可靠有效的信 息。可在实际操作中方案一比较繁琐，容易出错，花费加大，不如方案二简 单方便。故选择方案二。 张力检测装置 力的信号转换电桥转换 A/D 转换器 信号的采集 滤波器 信号处理 信号显示 7 7 2.2 检测装置部分的设计 在煤矿的基建和生产中，连续、实时地检测钢丝绳的载荷重量及钢丝绳 的张力的大小，并根据需要进行数据的分析和计算等，将有利于提高钢丝绳 的安全运行和使用寿命的提高。本论文所提供的钢丝绳的张力检测系统是在 参考其他多种检测方法的基础上，设计的一种较为方便、简单、有效的钢丝 绳张力检测系统。 该系统采用压轮- - 力电转换传感器法 6为原理，具有以下的特点： (1) 检测的总张力范围在 0- 40 吨之间; (2) 可以同时检测 4 根钢丝绳的张力; (3) 可以检测的钢丝绳的直径在22- 50 毫米之间。 鉴于调研的实际情况， 针对型号 JKM-3.25/4 的多绳摩擦式提升机进行本 系统的设计。型号为 JKM- 3.25/4 的主要参数如表 2- 1 所示： 表 2- 1 JKM- 3.25/4 型号的主要参数 主 导 轮 直径 导 向 轮 直 径 钢丝绳 最大张 力 钢丝绳 最大静 张力 根 数 钢丝绳 最大 直径 钢丝绳 之间 间距 最大 提升 速度 3.25m 3m 45t 10t 4 32.5mm 300mm 12m/s 此外，如果对现有的检测装置稍加改进，就可以运用其对多根钢丝绳的 张力检测，且具有测力准确，精度高，在超载或钢丝绳之间的张力不均匀程 度超过一定的范围时还具有报警的功能。 检测系统的组成如下框图2- 6所示 。 力传感器采用的是电阻应变片式的， 它将钢丝绳的张力信号转换成与之成线性关系的电压信号输出，该电压信号 之后进入信号的处理装置进行处理。信号处理装置采用的是单片机，它主要 完成对输入的多路信号进行采集、放大、滤波等各种处理和加工等，并根据 需要输出多种方式的信息，以便使用。本系统的力传感器是根据系统设计的 需要而自己设计制做的检测装置上贴上电阻应变片而自行设计制作的。在把 钢丝绳的张力转化成电压信号之前，通过该结构已经把钢丝绳的张力转 8 8 化成了作用在检测装置压轮上的压力，这一问题将在下一章的钢丝绳的张力 检测结构设计中解决。 图 2- 6 钢丝绳检测系统框图 2.3 信号处理部分的设计 单片机因为具有体积小、功能强、可靠性高、性能价格比高等许多优点， 因而成为研制信号处理装置 中不可缺少的主要环节和重要组成部分， 以实现 以单片机为中心部件，与其他相关部分的结合共同组成整体装置，在软件的 支持下，完成检测、分析等各种任务 10。其本装置的组成框图如图 2- 2 所示。 图 2- 7 信号处理装置组成框图 单 片 机 显示器 放大、A/D 转换 键盘 电源 打印机 钢 丝 绳 压 轮 力 传 感 器 信 号 处 理 装 置 9 9 装置具有以下的主要功能特点： （1）系统具有自动检测的功能； （2）本系统可以同时对多路信号进行采集、检测和处理； （3）可以显示出当前所检测的钢丝绳的张力值； （4）本系统还可以通过微型打印机将各根钢丝绳的张力打印出来为以后 的调用做准备； （5） 在一根钢丝绳的张力超出允许范围时或系统出现问题时具有报警功 能； （6）允许技术操作人员通过键盘进行人机通讯。 10 10 第 3 章 钢丝绳张力检测装置的结构设计 3.1 引言 本检测装置的结构部分包括有总体支架、压轮、弹性元件、安装压轮的 轴、滚动轴承等几部分组成，如图 3- 1 所示。下面针对几部分做详细的设计 论述 1 2 3 4 5 1. 钢丝绳 2.轴 3.轴承座 4.压轮 5.弹性元件 图 3- 1 检测装置结构简图 设计的主要参数 检测钢丝绳数：4 根 钢丝绳直径小于或等于 50 mm 最大测力 F=10 吨 检 测装置高度不超过 1.5 M 11 11 3.2 检测装置的结构设计 3.2.1 压轮的设计 钢丝绳直径为 32.5 mm 取压轮直径为 200 mm 。压轮沟槽取 64 mm 两边边 宽为 8 mm 压轮与钢丝绳的夹角设为5。压轮沟槽取 64 mm 可放置直径为 30 mm-50mm 的钢丝绳。 P T G 图 3- 2 压轮简图 图 3- 3 压轮受力简图 3.2.2 轴的设计计算 根据压轮的宽度选择轴和压轮配合处的长度为 80 mm。为使压轮在轴的 轴向方向上很好的固定在轴上可设置一轴肩。选取轴受力点到轴承中点的距 离为 L=60 mm。轴的直径可根据以知条件进行计算选取。 12 12 图 3- 4 轴的结构简图 最大张力为 10000 9.898000FmgN= （3- 1） 选取倾角为 =5选取轴受力点到轴承中点的距离为 L=60 mm sin98000 0.08718535.8PFN= （3- 2） 3 8535.8 60 10512.1MPLN m = （3- 3） ( ) 1 3 32 M d = （3- 4） 39 512.1 0.09810d = 最大许用应力 180Mpa = 11 1 6 39 512.1 100 10 0.09810d 37.4dmm 故 d=40mm 13 13 a 轴的径向力图 b 剪切力图 c 扭矩图 图 3- 5 轴的受力简图 3.2.3 轴承的选择设计计算 3.25/ 4JKM 提升机提升速度选取为6/m s 6/vm s= vw r= （3- 5） 6/0.160 /wr s= / 2nw= （3- 6） 60 573.3 / min 6.28 nr= 14 14 初选轴承/276GB T轴承为 6206 62Dmm=30dmm=16Bmm= 由前面计算得知：轴承所受径向力4267.9 r FN=基本额定动载荷 C = 19.5KN 按文献查 3的，冲击负荷系数 0.3 p f = r P4267.9 0.31262.4 rp F fN= （3- 7） 1/ r1/r 6 60 60000 573.3 PP 10 js CL = （3- 8） 1607016.07 js CNKN= js CC故满足要求 根据要求选轴承座 GB7813- 87 2 3035dmmdmm=为了设计的需要需对 轴承座进行进一步的加工改进，以至更方便于应用。 取钢 45 做简支梁，作为应变片的粘贴处 3.2.4 弹性元件的设计计算 1、弹性元件的刚度要求的计算 运用力学的方法，我们可以把放置应变片的弹性元件简化成两端支撑的 简支梁，进而来计算它的变形量。 运用叠加法求弯曲变形可得，弹性元件的最大变形量（挠度）为： 3 48 PL y EI = （3- 9） 15 15 弹性元件的最大转角为： 2 16 PL EI = （3- 10） 其中 y - - 弹性元件在力 P 作用下的变形量； - - 弹性元件的在力 P 作用下的转角； E材料的弹性模量；在这里取钢的弹性模量为 E=216GPa； I弹性元件的转动惯量；其中对于横截面为矩形的元件则 3 12 bh I =； L弹性元件的长度； P作用在弹性元件中点即 L/2 处的力； 要满足弹性元件的刚度要求，则需要满足： max yy （3- 11） max （3- 12） 其中 y 0.0003l0.0005l 00.025radl 现设定弹性元件的长度 L=480 毫米，横截面的宽度 b=60mm、厚度 h=35mm； 则弹性元件的转动惯量为 33 60 35 214375 1212 bh I =； 当作用在单根钢丝绳上的力 F=10T 时，经过钢丝绳检测装置的转化，则 作用在每个弹性元件上的力 P=0.44T；则此时弹性元件的变形量为： 33 0.44 480 0.02222 4848 216 214375 PL ymmu EI = （3- 13） 在 y 的范围内； 扭转角为 16 16 22 0.44 480 0.00014 1616 216 214375 PL rad EI = 所以有上述可知该弹性元件满足刚度的要求。 2、弹性元件的强度要求计算 弹性元件长为 1 L =240mm宽为B =60mm厚为H =35mm 3 max11 / 28535.8/ 2 235 10MFL = （3- 14） 1003N m= 22 6 0.06 0.035 12.25 10 66 bh W = （3- 15） max max 6 1003 81.88 12.25 10 M Mpa W = （3- 16） max 。 如果用这个力拧紧12M以下的钢制螺栓时， 就很可能过载 拧断。 故尽可能不采用直径过小的螺栓。 该测试中所用的预紧力大于15000N。 故采用12M以上的螺栓。 螺栓的剪切强度条件为 19 19 2 4 F d = () 2 8535.8 27.2 3.14 0.02 4 MPa = =190250MPa,故20M的螺栓符合要求。 3.3 力传感器的设计 3.3.1 传感器的简述 1. 传感器的构成 传感器是一种以一定精确度把被测量的物理量（主要是非电量）转换为 与之有响应确定关系的、便于应用的某种物理量（主要是电量）的测量装置。 传感器一般由敏感元件、转换元件、和转换电路三部分组成 12。 敏感元件 敏感元件是直接感受被测量量，并输出与被测量量成确定关 系的某一物理量的元件。 转换元件 敏感元件的输出就是转换元件的输入，转换元件不输入转换 成电路参数。 转换电路 将转换元件所输出的电路参数接入转换电路，便可以转换成 电量输出。 实际上，并非所有的传感器都有这些部分组成。有些部分简单，有些则 较为复杂。在目前，各式各样的传感器已经被广泛的使用到各个领域。传感 器由于种类繁多，分类方法也多种多样，按照传感器的工作机理，可将它分 为物理型、化学型、生物型等；按照构成原理，可分为结构型和物性型两大 类；按照传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传 感器；按照物理原理分类，可分为电参量式传感器（包括电阻式、电感式、 电容式等） 、磁电式传感器、压电式传感器、光电式等；按照传感器的使用分 类，可分为位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等。 20 20 2、应变式传感器简介 电阻应变式传感器由于具有结构简单、 体积小、使用方便、性能稳定、 可靠、灵敏度高、动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度高等诸多优 点，因此是目前应用最为广泛的传感器之一。电阻应变式传感器有弹性元件 和电阻应变片构成。当弹性元件感受被测量物理量的时候，其表面产生应变， 粘贴在弹性元件表面的应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应发生变 化。通过测量电阻应变片的电阻值的变化，可以用来测量位移、加速度、力、 力矩、压力等参数。 3.3.2 应变片的选择 1、金属电阻应变片的工作原理 电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所 受到的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象称为金属的 电阻应变效应 13。设一根金属电阻丝，其电阻值设为 R，电阻率为 ，截面 积为 A，长为 L，则电阻值的表达式为 L R A = （3- 17） 当电阻丝受到拉力作用时将沿轴线伸长，伸长量设为L ，横截面机相应 减小 A ，电阻率的变化设为 ，则电阻的相对变化量为 RLA RLA =+ （3- 18） 对于半径为r 的圆柱体， 2, 2 Ar Ar Ar =。又由材料力学可知，在弹性 范围之内，, Lr Lr = = ，则可得 (12) R R =+ （3- 19） 式中， 为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； 为 电阻丝材料的泊松比，一般金属的0.30.5;=:为压阻系数，与材质有关； 21 21 为应力值；E 为材料的弹性模量。(12 ) +表示由于几何尺寸变化而引起 变化量，不同属性的导体，这两项所占的比例相差很大。 通常把单位应变所引起的电阻值相对变化称为电阻丝的灵敏系数，并用 0 表示，则 0 12 R R = + （3- 20） 0 与金属材料和电阻丝形状有关。显然， 0 越大，单位纵向应变所引起的 电阻值相对变化越大，说明应变片越灵敏。大量实验证明，在电阻丝拉伸极 限内，电阻的相对变化与应变成正比，即 0 为常数。故此，上式可表示为 0 R R = （3- 21） 对于金属电阻就应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可以忽略不计， 因此， 0 (12 ) R R += （3- 22） 由此可见，应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对于 同一种的电阻材料， 0 12 = +是一常数。一般用于制造电阻丝应变片的金 属丝的灵敏度系数大多在 1.73.6 之间。 2、应变片的选择 在实际运用中，在选择应变片的时候，要考虑应变片的性能参数，主要 有：应变片的电阻值、灵敏度、允许的电流和应变极限等，而金属电阻应变 片的电阻值已经趋于标准化，主要规格有好几种，阻值有 120、24、360 等，使用最为广泛的为 120。因此在本系统的设计中选用 BE120- 10AA 型电 阻应变片，其电阻值 120、栅长 10mm、材料为康铜。 （1）应变片的灵敏度系数 将电阻应变丝做成电阻应变片后，其电阻应变特性与金属单丝时是不一 样的，因此必须通过实验重新测定。经过大量的实验证明， R R 与 的关系在 22 22 很大范围内仍然有很好的线性关系，即： R R = （3- 23） 式中，K 为电阻应变片的灵敏度系数。 实验证明，应变片的灵敏度系数 K 恒小于电阻丝的灵敏度系数 0 ，其原 因主要在于在应变片中存在着所谓的横向效应。选择康铜材料的金属丝应变 片，则其灵敏度系数2 =。 （2）有关应变片的温度补偿 应变片由于温度变化所引起的电阻的变化与试件（弹性元件）应变所造 成 的电阻的变化几乎具有相同的数量级，如果不采取必要的措施，测量的精 度将无法得到保证。温度补偿的方法很多。主要有电桥补偿法和自动补偿法。 在该测量系统当中，我们采用应变片的自动补偿的方法。应变片的自动补偿 运用的是粘贴在被测部位上的是一种特殊的应变片，当温度变化时，产生的 附加应变为零或相互抵消，这种应变片被称为温度自补偿应变片。在设计和 制作本传感器的时候。我们采取在弹性元件变形量最大部位上下对称贴片的 方式，并且采用全桥式测量电路，也就是说，我们在制作本传感器的过程中， 采取的是温度自动补偿的方式，而不需要再加其他的温度补偿电路。 3.3.3 电阻应变片的测量电桥电路 应变片可以将应变转换成为电阻的变化，为了显示记录应变的大小，还 要把电阻的变化再转化为电压的变化，因此，需要有专门的测量电路，我们 通常采用直流电桥或者是交流电桥 11 。下面简单介绍一下有关电桥电路的工 作原理： 如图 3- 8 所示，电桥的各臂的电阻分别为 1234 ,R R R R 他们可以全部或部 分是应变片。 则电桥的输出电压为 1423 0 1243 ()() R RR R UU RRRR = + （3- 24 ） 23 23 当 1423 R RR R=时，电桥处于平衡状态，输出电压 0 0U =。若电桥的 各臂均有相应的电阻增量 1234 ,RRRR，则由式（3- 18）得 图 3- 8 直流电桥的电路 图 3- 9 电阻应变片在弹性元件上的布置图 11442233 0 11223344 ()()()() ()() RRRRRRRR UU RRRRRRRR + = + （3- 25） 在实际所使用的电桥中，往往采用等臂电桥，即： 24 24 1234 RRRRR=。此时，式（3- 19）可写为 14231423 0 1234 () (2)(2) RRRRRRRRR UU RRRRRR + = + （3- 26） 当(1,2,3,4) i RR i=时，略去上面的高阶微量 3124 0 () 4 RRRRU U RRRR =+ （3- 27） 利用式（3- 17） ，式（3- 21）可写为 01234 () 4 UK U=+ （3- 28） 上式表明： （1） i RR时，桥路的输出电压与应变成线性关系。 （2） 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压 为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同时，则输出电压为两者之和。 （3） 电桥的供电电压越高，输出电压 0 U 就越大。 （4） 增大电阻的应变片的灵敏度系数，可以提高电桥的输出电压。 由于全桥电路具有电桥灵敏度高，并且采用全桥差动电路还可以减小或消除 非线性误差。所以我们在设计制作本系统时采用全桥电路。 将变形量带入 01234 () 4 UK U=+ 01234 () 4 2 5 (22222222)22 4 UK U u =+ =+= 0 0.22Umv= 25 25 第 4 章 钢丝绳张力检测处理系统的硬件设计 4.1 引言 钢丝绳检测系统通过检测装置所检测的信号最终要通过信号处理装置进 行处理。在这一系统当中，我们首先将传感器所得到的信号进行放大，然后 又考虑到在检测信号的过程中所引入的噪声信号，因此又将其通过二阶低通 滤波器进行滤波，然后才进行模数转换，并将转换后的数字信号传送到以 MCS- 8051 为核心的单片机中进行处理， 再通过显示器显示出各根钢丝绳的张 力。 图 4- 1 检测系统简图 4.2 传感器信号的前置放大 在数据采集系统中，被检测的信号经过传感器变换后，往往是很微弱的 毫伏级的电压信号（如本系统中的压力传感器所输出的电压信号就是这样） ， 因此我们必须利用放大电路将这个微弱的电压信号放大至 0 到 5V， 这样才能 26 26 由单片机对其进行 转换。由于通用的运算放大器一般都具有毫 伏级 的失调电压和每度数微伏的温漂 15，因此不能直接用于放大微弱信号。 为了解决微弱信号的放大问题，我们采用了仪表放大器。仪表放大器是 一种带有精密差动电压增益的器件，由于它具有高输入阻抗、低输出阻抗、 强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点 16，使其在检 测微弱信号的系统中被广泛地用作前置放大器。仪表放大器的电路原理图如 图 42 所示。仪表放大器由三个运放构成，并分为两级：第一级是两个同相 放大器，第二级是普通的差动放大器，把双端输入变为对地的单端输出。仪 表放大器的增益可用下列公式确定： () 1 12 2 1 c G R UUU R =+ （4- 1） 1 2 1 G R K R =+ （4- 2） 49.4 1000 1 G K R = （4- 3） 图 4- 2 仪表放大器原理电路 所 以为提高共模抑制比和降低温漂影响，仪表放大器采用对称结构，即取 R1=R2，R3=R4，R5=R6，根据以上各式， 从 （43）式中可以看出，通过 27 27 调节外接电阻 G R 的大小可以很方便地改变仪表放大器的增益。 图 4- 3 AD620 的封装图 本系统采用 AD620 仪表放大器来放大传感器所输出的信号。AD620 是 根据典型的三运算放大器改进而成的一种单片仪表放大器，适用于精密的数 据采集系统，例如传感器接口。它具有低价格、高精度、低噪声、低输入偏 置电压、低功耗的优点 17。图 4- 3 是 AD620 的芯片封装图。AD620 相对参考 端电压产生单端输出， 所以只要使 AD620 的参考端接地， 传感器承受的压力 和 AD620 的输出电压就成线性关系，可以方便地进行压力检测。AD620 内部 增益电阻 R1 和 R2 设置为 24.7 千欧姆，可以通过一只外接电阻 G R 精确地调 节11000:之间的任何增益。在本系统中，考虑到后面还有二阶滤波电路，还 可以将信号再放大两倍，所以在放大电路中只需将信号放大 999 倍，就可以 满足 A/D 转换的要求。根据公式（43）可以计算出 49.4 0.05 1000 1 G K RK= （4- 4） 4.3 滤波电路设计与分析 该测试系统所加是直流电压理想状态下所输出的信号是没有频率的，但 在实际中由于压轮随着提升机上滚筒的转速运动会产生震动，振动频率与滚 筒转速有关大约是 10HZ，电磁干扰频率约为 50HZ。在实际工业现场有着各 种各样的干扰，对采集的信号有一定的影响。由于外部干扰的影响，被测电 28 28 压或电流的信号上会叠加上干扰信号，通常把这种信号称为噪声。噪声对被 测信号存在严重的干扰，当被测信号很微弱时，就会被干扰信号 “淹没”掉， 导致很大的数据采集误差。为了能精确地采集数据，需要消除和抑制系统中 的噪声。在本系统中，主要是抑制传感器信号输入通道的噪声。 由 RC 元件和运算放大器组成的滤波器称为 RC 有源滤波器， 其功能是只 让一定频率范围内的信号通过，抑制或衰减频率以外的信号。因受运算放大 器带宽的限制，这类滤波器仅适用于低频范围。根据频率范围的不同，可分 为低通、高通、带通和带阻 4 种滤波器 15。 本系统中设计的滤波器是二阶 RC 有源低通滤波器，电路原理图如图 4 4 所示。运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一 个电压源。其优点是电路性能稳定、增益容易调节。 根据该滤波电路的电压、电流和开环增益0，我们可以得到传递函数的 表达式 图 4- 4 二阶 RC 有源低通滤波器 如上图所示为一个简单的二阶有源 RC 低通滤波器，下面分析我仍然用拉 氏变换的方法来分析其低通滤波特性 利用放大器的虚短和虚短特性来分析电路 即从电流上看，放大器的输入和输出端为断路特性 从电压上看，放大器的输入和输出端为短路特性 可以对点列出节点电流方程式： 29 29 945RCC III=+ （4- 5） 即： ()()() 945 / 1/ 1/ iBAB UURUSCUSC= （4- 6） 利用虚断特性，可知 A U 为 o U 在 A R 上的分压，可列出方程 () 111112 / Ao UR URR=+ （4- 7） 同时，利用虚短特性来看，又可知 A U 为B在2 上的分压，可列出方程 () () 1044 1/ 1/ BA UURSCSC=+ （4- 8） 将方程（4- 5），（4- 6），（4- 7）联合成方程组，可以得出传输函数： ( )( )( ) 1 / o H SUSUS= （4- 9） 0 0 2 959410495105 ( ) 1 (1) K H S R CKR CR C SR C R C S = + （4- 10） 94105 1 R C R C 0 = （4- 11） 0 12 11 1 R K R = + （4- 12） 条件：截至频率 c f 6Hz，放大倍数 0 K