（机械电子工程专业论文）基于pxi总线的钢丝绳张力检测系统研究.pdf

摘要 钢丝绳作为提升、运输等设备中承载的关键部件被广泛地应用于许多工程领域，钢 丝绳在工作过程中所承受的张力及其变化是影响其寿命的重要因素，直接关系到人员生 命和国家财产的安全。近年来，钢丝绳在工作过程中突然断裂而造成的重大事故时有发 生。因此，研究钢丝绳张力的在线定量检测的实用技术与方法是十分必要的。 本课题主要以美国n i 公司的p x i 总线为基础，开发一套钢丝绳张力检测装置，实 时在线的对钢丝绳张力的变化进行检测，系统主要包括两大部分：硬件部分和软件部分 硬件部分主要完成的信息的检测与采集，包括检测器的设计、调理电路、p x i 数据 采集硬件的选择和安装及一些主要参数的设置，检测器根据基于股波信号的非接触式钢 丝绳张力检测原理而设计，检测元件为线性霍尔电路，调理电路用来调零放大以达到数 据采集卡的要求与范围，p x i 硬件主要完成数据的模数转换，及后续的信息处理。 软件部分采用图形化语言l a b v i e w 进行编程，以加窗f f t 算法，实现了数据的分 析处理，并结合数据库技术，将m i c r o s o f t a c e s s s 数据库与l a b v i e w 相连接，丌发了数 据库管理系统，实现了数据的实时存储，查询，删除等功能。 本课题所丌发的钢丝张力检测系统具有稳定可靠、操作方便、界面友好、自动化程 度高等有优点，利用p x i 总线的硬件基础和图形化语言l a b v i e w 编程，使用户能够轻 松对系统检测过程进行操作，随时修改各个功能的设计，进行系统的修改和扩展，使检 测系统得到更加广泛的利用。 关键词：钢丝绳；线性霍尔电路；张力检测；f f t ；p x i ，e 2 , 线；l a b v i e w a b s t r a c t a sa k e yp a r to fh o i s t ，t r a n s p o r t i o na n db e a r i n ge q u i p m e n t s ，t h ew i r er o p ei sw i d e l yu s e d i nm a n yp r o j e c tp r a c t i c e s ，i nt h ec o u r s eo fw i r er o p ea r es u b j e c tt oc h a n g e si nt h et e n s i o na n d t h ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h e i rl i f ei sd i r e c t l yr e l a t e dt oh u m a nl i f ea n ds a f e t yo fs t a t e p r o p e r t y i nr e c e n ty e a r s ，am a j o ra c c i d e n to c c u rc a u s e db yt h es u d d e nr u p t u r eo f w i r er o p e d u r i n go p e r a t i o n t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fo n l i n e q u a n t i t a t i v ed e t e c t i o no f w i r er o p et e n s i o n p r a c t i c a lt e c h n i q u e sa n dm e t h o d si se s s e n t i a l t h ep u r p o s eo ft h es u b j e c tw i l ld e v e l o paw i r er o p et e n s i o nd e t e c t i o nd e v i c eb a s e do nn i p x i b u so ft h eu n i t e ds t a t e s ，m a k ej u d g m e n to fr e a l t i m eo n l i n ec h a n g e si nt e n s i o no nt h e w i r er o p e ，t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e st w o p a r t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o n e n t s t h eh a r d w a r ep a r tm a i n l yc o m p l e t et h ed a t ad e t e c t i o na n da c q u i s i t i o n ，i n c l u d i n gt h e d e s i g no ft h ed e t e c t o r ，c o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，p x id a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r es e l e c t i o na n d i n s t a l l a t i o na n ds e ts o m eo ft h ek e yp a r a m e t e r s d e s i g no ft h ed e t e c t o ra p p l yn o n - c o n t a c t d e t e c t i o np r i n c i p l eo ft h ew i r er o p et e n s i o nb a s e do nw a v es i g n a l ，t e s t i n gc o m p o n e n t si st h e l i n e a rh a l lc i r c u i t ，p r o c e s s i n gc i r c u i tf o rz e r o a m p l i f i e dt oa c h i e v et h er e q u i r e m e n t sa n d s c o p eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，p x ih a r d w a r ea r ec o m p l e t ea n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o no f d a t at op r e p a r ef o rf o l l o w u pi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s o f t w a r ei sp a r to ft h el a b v l e w g r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e c o m p l e t et h e a n a l y s i so ft h ed a t ap r o c e s s i n ga c c o r d i n gt ow i n d o wf f ta l g o r i t h m c o m b i n e dw i t hd a t a b a s e t e c h n o l o g y , m i c r o s o f ta c e s s sd a t a b a s ec o n n e c t e dw i t ht h el a b v i e wt od e v e l o pad a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e m ，r e a l t i m ed a t as t o r a g e ，q u e r y , d e l e t ea n ds oo n t h ep r o j e c td e v e l o p e db yt h ew i r et e n s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mh a sas t a b l ea n dr e l i a b l e ， e a s y , f r i e n d l yi n t e r f a c e ，h i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n u s i n gh a r d w a r e b a s e dp x ib u sa n dt h e l a b v i e wg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h eu s e rc a nc o n t r o lt h ew h o l ed e t e c t i o np r o c e s s t h r o u g ht h ec o m p u t e re a s i l y b e s i d e st h ed e t e c t i o ns y s t e mc a nb ei m p r o v e da n dm o d i f i e d a c c o r d i n gt ot h eu s e r s a c t u a ln e e da ta n ym o n m e n t ，w h i c hm a k e st h ed e t e c t i o ns y s t e m a p p l i c a b i l i t ym o r ew i d e l y 1 1 k e y w o r d s ：w i r er o p e ；l i n e a rh a l lc i r c u i t ；t e n s i o nd e t e c t i o n ；f f t ；p x ib u s ；l a b v i e w 1 1 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本论文研究的课题来源于国家自然科学基金项目“钢丝绳安全检测新原理与新技术 研究 ( 编号：5 0 4 7 5 1 6 6 ) 和高等学校博士学科点专项科研基金项目“钢丝绳安全检测 理论与关键技术研究 ( 编号：2 0 0 8 0 4 2 9 0 0 0 1 ) 。 1 2 课题概述 1 2 1 课题的提出 钢丝绳作为工程中应用极为广泛的一种挠性构件，是由多层钢丝捻成股，再以绳芯 为中心，由一定数量股捻绕成螺旋状的绳。这种结构具有强度高、自重轻、工作平稳、 弹性好、承受动载和过载能力强以及在高速工作条件下运行不易骤然整根折断等许多优 点，在矿山、冶金、高层建筑、港口、桥梁等国民经济建设的各个领域得到广泛的应用， 如各类起重机、矿井提升机、电梯、货运客运索道等都大量的使用钢丝绳。然而，钢丝 绳作为一种工程牵引、承载构件，经常受到不确定性载荷及恶劣环境的影响，导致钢丝 绳出现断丝、磨损、锈蚀等各种损伤，随着其强度的降低，必然会造成一些事故的发生， 威胁到财产及生命的安全。为此，美国，德国，英国，俄罗斯，日本，中国及国际i s o 等国家及相关机构对钢丝绳的安全性给了高度的重视，并且针对钢丝绳的使用问题制定 了相应的行业安全规程和国家检测标准 卜4 】，以防患于未然。 纵观国内外钢丝绳报废与安全规程实施的历史【5 0 】，其在使用与维护过程中，虽然 有相应的规定和标准，但是由于目前尚缺乏可靠科学的钢丝绳运行状态下的检测方法和 评价标准，以及现有检测设备的准确性和精度不够高等原因，导致断绳等事故仍然不断 的发生，另一方面，为避免事故发生将有使用价值的钢丝绳提前报废而造成了大量浪费。 据日本的统计表明【8 】更换的钢丝绳中，有5 0 以上其强度仍然达到新品的9 0 以上， 有的甚至超过1 0 0 ，即他们还在磨合期就被更换下来。因此，为确保钢丝绳安全、经 济运行，急需新的检测技术与方法，能够对运行过程中的钢丝绳做出正确的安全性评价， 青岛理工大学工学硕士学位论文 研制先进的钢丝绳安全检测技术与设备，不仅蕴减着巨大的经济效益，而且能够防止事 故的发生，减少人身安全的威胁。 现有关于钢丝绳的行业安全规程及国家检测标准，大多数是根据钢丝绳损伤检测结 果制定的。而钢丝绳的安全检测不仪包括钢丝绳损伤的检测，还包括钢丝绳在工作过程 中的张力检测，在安全问题上，张力检测对钢丝绳也起着相当重要的作用。近年来，人 们一直在探索用什么有效的方法进行钢丝绳张力检测，来完善钢丝绳安全检测标准及规 程，保证安全的情况下，使钢丝绳尽可能延长使用寿命。但是由于钢丝绳复杂的结构， 多样的工作环境，有限的检测方法，使得钢丝绳张力检测显得尤为困难。目前已有的钢 丝绳张力检测方法存在的主要问题足检测的智能化程度低，检测结果的精确程度不高。 因此，迫切需要研究高性能、高可靠性、实时检测的智能化仪器。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称为v i ) 是日益发展的硬件、软件和总线技术在 向其他相关技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器仪表技术密切结合共同孕育 出的一项全新的成果。在硬件平台确定以后，就有“软件就是仪器 的说法。在虚拟仪 器系统中，信号的获取和采集由以计算机为核心的硬件平台来完成。在此硬件平台的基 础上，利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等基本智能化功 能，通过测试软件完成某种功能的测试任务，便构成该种功能的虚拟仪器【9 j 。随着虚拟 仪器的发展，美国n i 公司推出一系列用于信号测量的设备，基于不同i o 接口设备， 可以根据实验要求构建不同的数据采集系统，同时n i 公司还开发了图形化编程语言 l a b v i e w ，用软件代替原先必须用硬件实现的信号分析和处理功能，例如信号的滤波， 放大，求取信号的特征值( 峰值、均值、方差、频谱) 等，因此虚拟仪器与传统仪器相 比，具有的绝对优势，因而将张力检测仪器与虚拟仪器相结合具有重要的意义。 基于上述技术现状与发展的需求，本论文在国家自然科学基金和高等学校博士学科 点专项基金的资助下，选定“基于p x i 的钢丝绳张力检测系统研究”为研究课题，开 展基于虚拟仪器的钢丝绳张力在线检测系统的研制。重点研究了基于股波信号的非接触 式钢丝绳张力检测原理，利用加窗f f t 算法求解相位差，设计了检测器的结构，并基 于p x i 总线设汁了钢丝绳张力检测系统的软、硬件。 1 2 2 课题的目的和意义 钏。对日疔 钢丝绳张力检测技术在原理上存存的问题，对钢丝绳结构特点进行研究分 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 析，并以此为基础，结合虚拟仪器，开发钢丝绳实时张力检测系统，实现检测过程的智 能化，提高钢丝绳张力检测精度，尽量避免人为因素的影响，进一步完善钢丝绳的安全 检测研究。 本课题的意义在于以下几个方面： ( 1 ) 本课题的研究是以无损检测技术为基础，结合机械电子学、计算机及虚拟仪器 技术，对交叉学科的发展起着重要的作用。 ( 2 ) 本课题的研究以工程应用为背景，对开发和研制钢丝绳安全检测设备具有一定 的指导作用，促进了钢丝绳安全检测与评价方法的发展，为钢丝绳使用管理部门提供一 定的参考依据，从而使钢丝绳的使用管理更加科学。 ( 3 ) 能够防止钢丝绳在使用过程中因损伤和张力变化而造成事故，减少人员伤亡和 设备的破坏，减少经济效益的损失。同时减轻检测人员的劳动强度，减少人为原因产生 客观因素的影响，保证检测的准确性，提高劳动效率。 1 3 钢丝绳张力检测技术的研究现状 在钢丝绳运行过程中，其承受的张力因受到各种外在因素的影响会产生一定的波 动，而张力过大会使钢丝绳加剧磨损，产生断丝，严重时还会导致钢丝绳的突然断裂， 造成重大生产事故的发生。因此，钢丝绳张力检测是评价钢丝绳安全性的一个重要方面。 国内外许多学者及钢丝绳使用与管理部门都十分重视对钢丝绳张力检测技术的研 究和设备的开发。典型的成果有： 美国矿业局推出的s o r p s 型提升钢丝绳拉力检测仪【1 0 】，它将拉力传感器串接于钢 丝绳与提升容器之间，检测信号经无线发射装置传送到位于地面的信号接收装置，并对 信号进行分析处理，实现在线检测，当载荷大于钢丝绳限定值，自动发射报警信号。 德国g h h 公司研制成功了十绳感应式环状槽形测力计，它由罐笼站和地面站两部 分装备组成。罐笼站有感应线圈式环状槽形测力计、放大器、多路调谐转换器、模数 转换器、控制器和发射器；地面站具有数字信号分析处理系统，实时显示并记录钢丝绳 在运行过程中的张力变化情况，同时具有载荷超限报警功能。 瑞典a s e a 公司研制出h a m a 、h a m b 型动态张力测定仪【1 1 1 ，它是将电阻丝应变 片粘贴在专门设计的、与钢丝绳串接的销轴式弹性元件上，该仪器具有信号的无线发射 与接收、模数转换、微机定量处理、数字显示和打印功能。 3 2 0 世纪8 0 年代后期，我国将钢丝绳张力检测仪的研制列为“七五”国家科技攻关 项目，国内钢丝绳张力检测技术的开发研究进入了一个崭新的阶段。在此期间，煤炭科 学研究总院扰顺分院研制了f 4 4 型钢丝绳张力测定仪，它由与钢丝绳串接的双剪切梁式 销轴测力传感器、数据采集和处理器、直流电源三大部分组成。山西矿业学院研制出压 轮式钢丝绳张力检测装型1 2 】，该装置采用三滚轮方式人为使钢丝绳产生弯曲，通过测定 钢丝绳对中间滚轮产生的横向力推算钢丝绳张力的间接检测方法。 到9 0 年代中后期，随着无损检测技术的进步，钢丝绳的张力检测也出现了新的方 法。青岛理工大学利用钢丝绳具有捻制股波的特点，以电磁检测原理为基础，开展了钢 丝绳张力检测新方法的研究，以非接触方式实现钢丝绳张力的实时、在线检测开辟了一 条新的技术途径，使得钢丝绳张力的检测由接触式向非接触式方向发展。 综上所述，目前钢丝绳张力的检测方法大体说来有如下几种： 1 接触式张力检测 在实际的使用中，现在的钢丝绳9 长力检测装置，大部分是采用接触式的应变测量原 理，大体分为两种，一种是将测力传感器串接在钢丝绳与提升设备之间，通过函数记录 仪将测力传感器的受力状念等信息记录下来，如图卜l 所示。通过分析记录信息便可得 知钢丝绳的张力大小情况。 测 力 传 感 器 图卜1 传感器串接测量法示意图 f i g 1 1t e s t i n go fs e r i e s m o u n t i n gs e n s o r 4 图1 - 2 三滚轮测量法原理图 f i g 1 2p r i n c i p l eo f “t h r e ei d l e rw h e e l 青岛理工大学工学硕士学位论文 利用这种方法简单可行，既可以测量钢丝绳上的静态张力，也可以测量使用过程中 的动态张力情况，而且测量精度比较高，但是该种方法只能测量钢丝绳末端情况，而对 于钢丝绳其余部分不能进行有效测量，对于一些无法完全卸载或是处于运动中的承载钢 丝绳也不能使用，所以此种方法存在一定的缺陷，一般无法满足现场检测的要求。 另一种为采用三滚轮方式检测钢丝绳横向力从而推导出张力的方法，所以此种方法 又称为间接测量法，如图1 - 2 所示。即在钢丝绳的侧面某一固定位置安装一个张力检测 设备，记录尸的值，经过数据处理便可得到钢丝绳的张力及其变化规律，此种方法对检 测设备的安装精度及中间滚轮的横向位移量的测量要求非常严格，故安装非常麻烦，且 测量精度不高。 2 非接触式张力检测 非接触式检测方法是利用电磁检测原理，根据钢丝绳具有捻制股波的特点，利用磁 敏元件检测钢丝绳运行过程中的股波信号的变化。从而推算钢丝绳的张力。与传统方法 相比，这种检测方法系统简单、安装方便、检测精度高，可以实现非接触式实时在线定 量检测。 1 4 本论文的主要研究工作 本论文在学习前人研究理论的基础上，从三个方面对非接触式钢丝绳张力检测装置 进行研究：非接触式钢丝绳张力的检测原理；钢丝绳张力检测系统的硬件实现方法； 钢丝绳张力检测系统的软件设计。 具体章节安排如下： 第一章介绍了本课题来源、课题研究目的意义，目前国内外研究现状和课题的主要 研究工作。 第二章论述了钢丝绳结构特点，根据钢丝绳具有股波的特点，研究非接触式钢丝绳 张力检测原理，推导了张力与股波信号相位差的数学关系式，并针对相位差的求解设计 了加窗f f t 算法。根据以上原理设计了钢丝绳检测器。 第三章提出了基于p x i 总线的钢丝绳张力检测硬件平台，包括信号的调零、放大及 滤波处理，数据采集卡及其附件的选择、安装、配置和数据采集任务参数的设计，完成 采集信号的模数转换。 第四章利用l a b v i e w 软件设计了钢丝绳张力检测软件系统，结合数据库技术，实 。量坠坠三垒耋星塑墼量墼垒鎏二一 现了l a b v i e w 与m i c r o s o f ta c c e s s 数据库的连接。 第五章在实验室条件下对所设计的非接触式钢丝绳检测系统进行试验，并对结果进 行分析，以验证钢丝绳张力检测系统的可行性。 第六章总结了本课题的主要内容，给出了本文研究的主要结论。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 第二章钢丝绳张力检测原理与传感器的设计 2 1 钢丝绳结构 钢丝绳起到承受载荷的作用，其性能主要由钢丝决定。钢丝是碳素钢或合金钢通过 冷拉或冷轧而成的圆形( 或异形) 丝材，具有很高的强度和韧性，并根据使用环境条件 不同对钢丝进行表面处理。绳芯是用来增加钢丝绳弹性和韧性、润滑钢丝、减轻摩擦， 提高使用寿命的。常用绳芯有机纤维( 如麻、棉) 、合成纤维、石棉芯( 高温条件) 或 软金属等材料。其结构如图2 - 1 所示。 l 一绳股；2 一钢丝；3 一绳芯；4 一钢丝绳 图2 - 1 钢丝绳结构 f i g 2 1w i r er o p e s s t r u c t u r e 这种结构钢丝绳的易弯性比用相同拉伸强度的钢棒制作的构件高4 0 0 1 2 0 0 倍，可 以绕成卷，方便运输；另一方面，其弹性系数约为钢的1 3 ，具有吸收冲击的特性。为 适应各种用途的需要，钢丝绳的结构形式多种多样，且强度和粗细规格也很多。 钢丝绳在各工业国家中都是标准产品，可按用途需要选择其直径、绳股数、每股钢 丝数、抗拉强度和足够的安全系数，它的规格型号可在有关手册中查得。钢丝绳除外层 钢丝的磨损外，主要因绕过滑轮和卷筒时反复弯曲引起金属疲劳而逐渐折断，因此滑轮 或卷筒与钢丝绳直径的比值是决定钢丝绳寿命的重要因素。比值大，钢丝弯曲应力小， 寿命长，但机构庞大。必须根据使用场合确定适宜的比值。钢丝绳表面层的磨损、腐蚀 程度或每个拧距内断丝数超过规定值时应予报废。钢丝绳的结构多种多样，按照分类依 据的不同主要有以下两种分类方法： 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 根据钢丝绳捻绕次数不同，可把钢丝绳分为单绕绳、双绕绳和三绕绳。 ( 1 ) 单绕绳：由若干细钢丝一根金属芯拧制而成，挠性差，反复弯曲时易磨损折断， 主要用于不运动的拉紧索。 ( 2 ) 双绕绳：由钢丝拧成股后再由股围绕绳芯拧成绳双绕绳挠性较好，制造简便， 应用最广。 ( 3 ) 三绕绳：以双绕绳作股再围绕双绕绳芯拧成绳，挠性好；但制造较复杂，且钢 丝太细，容易磨损，故很少应用。 2 根据钢丝绳中钢丝相互接触状态的不同分为点接触绳、线接触绳、面接触绳三类1 5 】。 ( 1 ) 点接触绳：股中钢丝直径均相同。为使钢丝受力均匀，每层钢丝拧绕后的螺旋 角大致相等，但拧距不等，所以内外层钢丝相互交叉，呈点接触状态。 ( 2 ) 线接触绳：线接触的钢丝绳：股中各层钢丝的拧距相等，内外层钢丝互相接触 在一条螺旋线上，呈线接触状态。线接触钢丝绳的性能比点接触的有很大改善，所以使 用广泛。 ( 3 ) 面接触绳：股内钢丝经预变形处理后形状特殊，各层钢丝呈面接触。 2 2 钢丝绳张力检测原理 2 2 1 基于股波信号的非接触式钢丝绳张力检测原理 由于钢丝绳表面具有凸凹不平的捻制股波，被磁化后，在其表面将形成与股波变化 相对应的磁感应强度大小交替变化的磁场。若在钢丝绳表面附近沿着长度方向相距为 d ( d = n a ，以为股波数，九为相邻股峰间距) 的两个位置，分别安装彳、b 两组相同的磁 敏检测器，如图2 - 2 所示，当钢丝绳相对两组检测器移动时，彳、口两组检测器将输出 频率、幅值和相位分别相同的两列类似于正弦波的电压信号；当钢丝绳因张力作用而产 生应变s 时，相邻股峰间距由元变为( 1 + 占) a ，两检测器之间长度为d 的钢丝绳段将产 生h e 2 的变形，此时，两检测器输出的两列信号频率相同、幅值相同，但却带有一定的 相位差p 。如图2 - 3 所示。可见，该相位差与被测钢丝绳张力之间存在一定数学关系， 因此，通过检测两列股波信号的相位差，即可获得钢丝绳的张力【1 4 】。 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 - 2 检测器安装示意图 f i g 2 2 s c h e m a t i co fd e t e c t o ri n s t a l l a t i o n 图2 3 钢丝绳受力变形后a 、b 两检测器输出信号的波形 f i g 。2 3a a n dbd e t e c t o ro u t p u ts i g n a lw a v e f o r ma f t e rw i r er o p ed e f o r m a t i o n 检测器与钢丝绳相对移动时，两检测器检测到股峰信号的时间差为f 。经过相邻的两 个股峰时间为丁，假设钢丝绳运动速度为v ，4 ，b 两检测器之间的距离为栅，钢丝绳 受拉力产生的应变为占。则由图2 3 可得应变与检测信号相位差的关系式： f ：型 ( 2 一1 ) 丁：螋( 2 - 2 ) 手= 等( 2 - 3 )r2 石 由式( 2 - 1 ) 和式( 2 - 2 ) 得： 9 ；2 而n s 2 ( 2 _ 4 ) 一= 一 i 二- r ， 丁 1 1 + 占l 旯 由式( 2 - 3 ) 和式( 2 - - 4 ) 得： s ：一生( 2 - 5 ) 2 n n 一妒 以上分析的是两检测器之间是为整数个股波，应变与相位差之间的关系，在试验的 过程中，调整两检测器间距正好为股波的整数倍相当困难。为了消除检测器间距带来的 误差，继续讨论一般间距情况下，应变与相位差之间的关系。么，召两检测器的距离为 d = ( n + r ) 2( 2 - 6 ) 式中咒为正整数，为小数，_ o 5 ，o 5 。 当钢丝绳受到拉力，产生应变占，假设检测器与钢丝绳之间的相对速度为仍然 为1 ， f ：坠尘璺丝( 2 - 7 ) 丁：生塑( 2 - 8 ) 由式( 2 - 3 ) ，( 2 - 7 ) ，( 2 - 8 ) 得： s ：垒竺生( 2 9 ) 2 7 r n 一缈+ 2 7 r r 、 由式( 2 - - 9 ) 可以看出只要知道r ，妒便可以求出钢丝绳的应变，在测量过程中 只要知道股波大小和两检测器之间的距离就可以求出n ，只要测量出相位差缈，就 能求出应变，而不受钢丝绳与检测器之间的相对速度影响。 2 2 1 张力与相位差的关系 根据虎克定律，有：仃= e 占。则钢丝绳的张力可表示为： f = e a 占 ( 2 一1 0 ) 式中，e 为钢丝绳弹性模量，彳为钢丝绳有效横截面积。对于确定的钢丝绳，二者均为 常量，可通过查阅钢丝绳技术规格表得到。 当两检测器为整数股波时，将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 - 1 0 ) ，可得钢丝绳张力f 与检 测信号够的关系为： l o 青岛理工大学工学硕士学位论文 ，：娑 ( 2 1 1 ) 2 册一 、7 当待测钢丝绳和检测器安装位置确定后，式( 2 - 5 ) 中的参数e 、a 、咒一定，钢 丝绳的张力只与两检测信号的相位差有关。即，通过测量的两列信号的相位差就可计算 钢丝绳的张力。因此，可以实现钢丝绳张力的非接触式在线定量检测 1 5 】。 2 3 股波信号的加窗f f t 算法 由上述分析可知，钢丝绳张力定量检测的关键是获取两列检测信号的相位差。相位 差数字测量按实现路径可分为硬件法和软件法两大类，硬件方法包括乘法器法、二极管 鉴相法等，软件方法有过零检测法，相关分析法，f f t 谱分析法等。本文结合虚拟仪器 技术，利用加窗f f t 谱分析算法由软件获得检测信号的相位差。 2 3 1 窗函数 由于计算机只能处理有限长度的信号，因此原始信号x ( o 要以t ( 采样时间) 截断， 即有限化，成为矗( f ) 后作进一步处理。信号的有限化也称加窗处理，当窗函数在边缘 处将信号突然截断，窗外时域信息全部消失，导致在频域增加了频率分量的现象( 旁瓣) ， 称为信号的频谱泄露，避免泄露的最佳方法是对信号进行整周期采样，但在实际操作中 是不可能实现的。对于非整周期采样的情况，为了尽量减少加窗时造成的泄露误差，就 需要使用合理的窗函数，使信号截断的锐角钝化，从而使频谱的扩散减到最小。一个合 适的窗函数应具备以下特性：窗谱主瓣宽度应尽可能窄，且能量集中在主瓣内，以获得 较陡的过渡带；窗谱旁瓣与主瓣相比应尽可能小，旁瓣能量衰减要快，有利于增加阻带 衰耗【1 6 1 。 由于矩形窗函数是其它窗函数的基础，所以在此对其进行傅里叶变换。 矩形窗函数 州= 器巍州。 c 2 吨， 对矩形窗函数进行傅里叶变换为 w ( e 脚) = d 卵玎以，z ) 】 舯荆蔷 ：形( 国) p 叫争 2 3 2 股波信号的加窗f f t 算法 ( 2 1 3 ) 设两幅值频率相同的两列信号为x ( t ) ，y ( f ) ，其幅值是彳，频率为f o ，相位分别为 口，其分别表示为： x ( t ) = ac o s ( 2 r r f o f + 口) y ( t ) = a c o s ( 2 万f o t + ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 则他们相位差是0 = 口一。 首先考虑x ( f ) 中相位口的求解，根据奈奎斯特抽样定型1 7 1 ，以采样频率z ( z 2 a ) 对信号进行抽样，得到离散信号x ( 珂) = a c o s ( c o o n + a ) ，其中= 2 万五i f , ，x c x ( n ) 加长 度为n ( n 取2 的幂数，以利于快速傅里叶变换) 的矩形窗函数w ( n ) ，得： x w ( n ) = x ( n ) w ( n ) 0 n n 一1 ( 2 1 6 ) x c lx ( n ) 进行傅里叶变换得： x ( p 归) = 罢e 归万( 国一) + 罢p 。口万( 缈+ ) ( 2 - - 1 7 ) 对k ) 进行傅里叶变换，即信号频谱函数与窗函数的频谱函数做卷积： e ( p 问) = x ( e 弘) 引矿( e 归) ： 争跏训+ 争僦国+ 酬咿( 咖叫学】 = 詈帅训p 卅钞删+ 兰2 帅p 咩( 2 1 8 ) 式中两项分别对应于窗函数的频谱职纱) 沿频率轴右移和左移吼，由于窗函数的幅 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 值特性类似于低通滤波器u 驯，截止频率约为窗谱主瓣宽度的一半，故当c o o 大于截止频 率时，这两项之间的相互影响很小，当仅考虑0 c o 7 g 时，认为： 昂( e 弦) _ a - r v ( c o - o b o ) e s t - - 竿( 蛐川( 2 - - 1 9 ) 对x w ( n ) j 谨行快速傅里叶变换，l ( 七) 实际上就是从缈= 0 到c o = 2 r e 之间的n 个均匀 频率点上( 以2 x n 为间隔) 对k ( e j 。) 进行抽样，即： k ( 七) - - x w ( 扩) 彩= 百2 t t k ( 2 - 2 0 ) 如果时域信号为非周期截断，则：o ) o = 2 2 x 乃f o t , = 等也不为整数，这里假设 己冗| n。k 堕= + a 5 旯o (2一af * l k- 0 5 21)aco 最接近第k 条谱线，用f f t 计算第k 条谱线的频谱， 2 1 ) 知： 那) = 詈阶等妙棚 所以，信号x ) 的相位角为： q = 口+ 2 x 同理得到信号j ，( f ) 的相位角为： 由式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 、( 2 一 ( 2 2 2 ) ( 2 - - 2 3 ) 0 2 = p + 2 x( 2 - - 2 4 ) 所以相位差： 0 = 舅一b = 口- , e ( 2 - - 2 5 ) 若采样为非周期采样，即旯0 时，从式( 2 - - 2 3 ) 、( 2 - - 2 4 ) 可以看出，加窗信号的 相位误差是相同的，进行相位差运算时可相互抵消，所以此算法求得的相位差理论上没 有误差。 由于h a n n i n g 窗、h a m m i n g 窗、b l a e k m a n 窗等都是由矩形窗加不同的系数演化而 来，所以当对检测信号加上述不同的窗函数时，本算法仍然适用。 当信号中有谐波时，谐波的存在会引起基波的畸变( 包括相位) ，如果选用的窗函 数频谱能量集中于主瓣中，信号中基波与任意谐波分量频率之间的间隔远大于窗函数频 青岛理工大学工学硕士学位论文 谱主瓣的宽度，最低频率远大于主瓣宽度的一半，则基波受谐波成分影响很小，为了进 一步减小测量误差和泄漏，还可以采用多次加窗的办法，效果会更好。不过，多次加窗 会使频率分辨力降低，且要进行相应的对方差减小的修正。因此算法依然适应信号含谐 波的情况【1 9 】。 2 3 3 仿真计算 仿真试验通过l a b v i e w 软件来完成，l a b v i e w 是由美国国家仪器( n i ) 公 司研制开发的一种程序开发环境，使用图形化编辑语言g 编写程序，产生的程序 是框图的形式。由于基于股波信号检测钢丝绳张力的关键就是要精确的求出相位差的 大小，所以本程序着重研究检测信号相位差的计算。实际检测过程中由于钢丝绳的应变 很小，所以相位差变化也很小，故仿真过程中应取较小相位差。 根据非接触式钢丝绳检测原理，设计程序框图如图2 4 所示【2 0 】。 选定仿真信号的频率为= 1 0 0 h z ，幅值彳= 5 ，分别改变检测信号的相位、窗函数、 频域抽样点数，应用上述程序进行计算，得仿真结果如表2 - 1 ，表2 - 2 ，表2 - 3 所示： 图2 - 4 张力检测程序框图 f i g 2 4t e n s i o n t e s tp r o g r a md i a g r a m 1 4 表2 - 1n = 2 0 4 8 、h a r m i n g ，不同0 时的仿真结果 t a b 2 1 n = 2 0 4 8 、h a n n i n g ，s i m u l a t i o nr e s u l t so f d i f j f e f e n t0 - l - - _ _ _ _ l _ l _ _ - - - - i l _ i - _ - - - _ - 一一 州a 州b 仿篙器始相笔嚣计 误差 16 015 9 1 0 9 9 9 9 9 8 o 0 0 0 2 0 初 相 位 1 6 0 1 6 0 1 6 0 1 5 8 1 5 6 2 4 1 9 9 9 9 9 6 3 9 9 9 9 9 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 17 1 5 4 6 5 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 1 6 1 6 0 1 5 2 8 7 9 9 9 9 8 7 0 0 0 0 1 6 1 6 0 1 5 0 1 0 9 9 9 9 9 8 5 0 0 0 0 1 5 _ 一 表2 2 n = 2 0 4 8 、0 - - 4 和8 ，加不同窗函数时的仿真结果 t a b 2 2 n = 2 0 4 8 、0 - - 4 和8 ，s i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n tw i n d o wr u c t i o n _ _ _ - 一_ 相位差 窗函数 相位翟计算 误差 - _ - - _ 一_ h a r m i n g4 0 0 0 010 0 0 0 0 2 5 4 h 觚吼i n g3 9 9 9 5 0 9 0 0 1 2 7 5 b l a e k m a n 4 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 10 b l a c k m a n h a r r i s 3 9 9 9 9 6 5 0 0 0 0 8 6 h a n n i n g 8 0 0 0 0 1 9 0 0 0 0 2 4 8 h a m m i n g 7 9 9 9 0 1 9 0 0 1 2 2 6 b l a e k m a n 8 0 0 0 0 0 8 0 0 0 0 1 0 一 b l a c k m a n - h a r r i s 7 9 9 9 9 3 0 o 0 0 0 8 7 - _ _ 一l _ 表2 - 30 - = 4 和8 、h a r m i n g ，不同n 时的仿真结果 兰生：! 二! 臼= 4 和8 、h a n n i n g ，s i m u l a t i o nr e s u i t so fd i f f e r e n tn 。= 二一 相位差 频域抽样数n 相位差譬计算结 误差 _ _ - i - 一 51 2 3 9 9 9 9 6 1 0 0 0 0 9 6 2 0 4 8 4 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 5 51 2 7 9 9 9 9 2 3 o 0 0 0 9 6 8 1 0 2 4 7 9 9 9 9 2 3 0 0 0 0 9 6 2 0 4 8 8 0 0 0 0 0 8 0 0 0 010 - - _ l i _ l - - _ l _ i _ - - - 一 由仿真计算结果可以看出，仿真程序能够较精确计算出检测信号的相位差，且检测 信 x - 丐r - - i 的相位差越大，仿真计算结果的误差愈小；b 1 a c 蛔锄窗跟其他窗函数相比能更好 的抑制谐波和频谱泄露；随着抽样数n 的增大，相位差仿真计算结果的误差减小。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 4 检测器的设计 钢丝绳张力检测传感器的核心是霍尔检测元件。霍尔元件能对微弱的磁场变化进行 追踪检测，并将磁信号的变化转换成电信号。 2 4 1 霍尔效应原理 若将金属或半导体薄片垂直置于磁感应强度为口的磁场中，当垂直磁场方向上有电 流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场，此种物理现象称为霍尔效应【2 ， 如图2 - 5 所示。 图2 5 霍刃i 效应原理图 f i g 2 - 5d i a g r a mo f h a l l - e f f e c t 霍尔电压翰的大小与半导体上流过的电流，和外加磁场强度召成正比， 材料的厚度d 成反比，即 u 日：r _ n l b 口 令如：阜，则 d 与半导体 ( 2 - - 2 6 ) u h = k h i b q - 2 7 、) 式中r n 为霍尔系数，由材料的掺杂浓度决定，反映材料霍尔效应的强弱；k h 为灵敏度 系数，他与材料的掺杂浓度和几何尺寸有关。元件的厚度d 越小，单位体积中的载流子 越少，元件的霍尔灵敏度就越高。在半导体材料中，一般电子的迁移率大于空穴迁移率， 所以霍尔元件一般采用型半导体材料。常用的霍尔元件材料有硅、锗、锑化铟、砷 化铟和砷化镓等。 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 当控制电流，的方向或磁场的方向发生改变时，霍尔电势的值会减小。当磁感应强 度召与元件平面法线成一角度口时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即 b c , o s o e ，这时有： uh=khibcosa(2-28、) 2 4 2 霍尔集成电路 霍尔集成电路是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和放大电路集成制造在一个半导 体芯片上。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。 从外形结构上看与分立型霍尔元件完全不同，它的引出线形式由电路功能所决定。此外， 它具有重量轻、体积小、功耗低，温度稳定性好，灵敏度与磁场移动速度无关等优点， 正越来越受到广泛应用【2 2 1 。 图2 6 线性型霍尔传感器的构成 f i g 2 6s t r u c t u r eo fl i n e a r i t yh a l ls e l l s o r 霍尔线性集成传感器是输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系的磁电传感器，一 般由霍尔元件、差分放大器、输出器和电压调整器组成，它是一种高灵敏度的磁敏器件， 可以准确跟踪高斯级的微弱磁场变化。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往 往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路，其电路如2 - 6 所示， 与分立元件传感器相比，线性霍尔元件，灵敏度高，线性度好，工作范围宽，失调 和漂移小，对外围电路要求简单。 本文设计的钢丝绳张力检测器采用线性霍尔电路c s 3 5 0 3 2 3 】。其外形封装图如图2 7 所示。 1 7 电源地输出 图2 - 7 线性霍尔电路c s 3 5 0 3 封装外形图 f i g 2 7l i n e a rh a l l - c i r c u i tc s 3 5 0 3p a c k a g eo u t l i n ed r a w i n g c s 3 5 0 3 的电磁特性如表2 - 4 所示，根据其电磁特性选择励磁材料为铁氧体磁铁， 其主要成分为m o * 6 f e 2 0 3 ，剩磁在2 0 0 m t 以上2 4 1 。 表2 - 4 c