（机械电子工程专业论文）全液压挖掘机工况监视仪的开发.pdf

摘要 曼鼍曼曼量舅i i i1 一- - 一一 i 舅璺曼曼曼皇曼鼍 摘要 液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机械，随着国家经济建设的不断发展， 机电一体化是液压挖掘机的主要发展方向，应用现代化的传感器技术，开发液压 挖掘机工况监测系统，具有十分重要的意义。 液压挖掘机工况监测系统涉及到传感器技术、电子技术、计算机信息处理技 术等多个学科，是一项复杂的处理与实现过程。在液压挖掘机上应用状态监测技 术，可以监测液压系统和发动机系统的运行状态，实时监测工况作业，及时给工 作人员提供信息，提前发现故障苗头，改善作业条件，提高驾驶员的舒适程度， 提高作业效率，能够做到故障迅速定位并提高维修准确性【l 】。 本文主要包括对液压挖掘机发动机和液压系统参数的数据采集、数据处理、 l c d 液晶显示和故障声光预警，分析和设计实现系统功能的硬件电路方案、软件 系统方案，并且介绍了具有重要意义的软硬件抗干扰技术。文章首先对课题的研 究背景进行了介绍，随后探讨了液压挖掘机机载工况监视仪的国内外发展现状、 发展，研究了如何实现工况监视仪的开发。在深入了解液压挖掘机系统工作参数 以及现代传感器技术的基础上，确定了设计要求，给出了工况监视仪的总体方案 设计。完成了系统的硬件电路设计，并针对各个工作参数和系统要求选择了相应 的传感器，讨论了传感器的信号输出处理、阀值设定以及各电路的功能原理与指 标，统一输出电流信号，并采用了高精度和平均面积算法的a d 模数转换芯片， 并详细介绍了实现过程。同时根据工况监视仪的特点设计了相关嵌入式程序，采 用结构化思想，详细阐述了各功能子模块程序的设计及实现方法，绘制了程序模 块实现流程图。数据处理程序主要是数据采样、a d 转换以及l c d 液晶显示实现 监测数据的存储以及报警信息记录，另外系统涉及到阀值报警、自动怠速控制的 输出指令，最后设置串口通讯，可以实现上位机的数据提取，为以后有可能开发 的上位机挖掘机系统故障分析系统和运行状态分析系统做好基础。对监视仪系统 性能进行了考核分析，进一步完善系统设计的正确性与可靠性。最后对整个论文 研究的内容和所做的工作进行了总结，并展望了监视仪的发展前景以及研究方向。 关键词全液压挖掘机；工况监测；集成传感器；声光预警 v a b s t r a c t a b s t r a c t h y d r a u l i ce x c a v a t o r i st h em o s ti m p o r t a n tk i n d o fe a r t h w o r kc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a li n t e g r a t i o ni st h em a i nd e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h e h y d r a u l i ce x c a v a t o r ，n a m e l y , i n t e l l i g e n t i z e dc o n t r o la n da d v a n c e de l e c t r o n i cm o n i t o r i n g s y s t e m i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oa p p l ym o d e m i z e ds e n s o rt e c h n o l o g ya n dd e v e l o pt h e e x c a v a t o rw o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m t h ee x c a v a t o rw o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mr e l a t e st oap l u r a l i t yo f s u b j e c t s l i k es e n s o rt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , a n dc o m p u t e ri n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , e t c ，a n di sac o m p l i c a t e dp r o c e s s i n ga n dr e a l i z i n gp r o c e s s a p p l y i n gt h es t a t u sm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo nt h eh y d r a u l i ce x c a v a t o rc a nm o n i t o rt h e o p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e ma n dt h ee n g i n es y s t e m ，m o n i t o rt h e w o r k i n gc o n d i t i o no p e r a t i o ni n r e a lt i m e ，s u p p l yi n f o r m a t i o nt om i s s i o n a r y , f i n dt h e c a u s e so ft h et r o u b l e ，i m p r o v et h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dc o m f o r t i n gd e g r e eo fd r i v e r s ， a n di n c r e a s et h ew o r k i n gp e r f o r m a n c e ；a n di sc a p a b l eo fr a p i d l yl o o m i n gt h et r o u b l ea n d i m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h em a i n t e n a n c e 1 1 t h i sp a p e rm a i n l yc o n t a i n sd a t ac o l l e c t i o no ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o re n g i n ea n d t h eh y d r a u l i cs y s t e mp a r a m e t e r , d a t ap r o c e s s i n g ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , a c o u s t o - o p t i c p r e w a r n i n go ft r o u b l e s ，a n a l y z i n ga n dd e s i g n i n gs c h e m e sf o rs o t t w a r es y s t e ma n d h a r d w a r ec i r c u i t r e a l i z i n gs y s t e mf u n c t i o n b e s i d e s ，s i g n i f i c a n ta n t i - j a m m i n g t e c h n o l o g yo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei si n t r o d u c e d f i r s tt h er e s e a r c h i n gb a c k g r o u n do f t h es u b j e c ti si n t r o d u c e d ；t h e nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p i n gc o n d i t i o n ；h o wt o r e a l i z et h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o ri sr e s e a r c h e d o nt h eb a s i so f d e e p l yl e a r n i n gt h ew o r k i n gp a r a m e t e ro ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o rs y s t e ma n dm o d e m s e n s o rt e c h n o l o g y , t h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t sa r ea s c e r t a i n e da n dt h eo v e r a l ls c h e m e d e s i g no ft h ew o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o ri sp r o v i d e d d e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i to f t h es y s t e mi sa c c o m p l i s h e da n dac o r r e s p o n d e ds e n s o ri sc h o s e na i m i n ga te a c hw o r k i n g v i i 山东大学硕十学伊论文 p a r a m e t e ra n ds y s t e mr e q u i r e m e n t ；t h es i g n a lo m p u tp r o c e s s i n go ft h es e n s o r , t h r e s h o l d s e ta n df u n c t i o np r i n c i p l ea n di n d e xo f e a c hc i r c u i ta r ed i s c u s s e d ；o u t p u tc u r r e n ts i g n a l s a r eu n i f i e d ；a da n a l o g yd i g i t a lc o n v e r s i o n c h i pw i t hh i g ha c c u r a c ya n da v e r a g es u r f a c e a r i t h m e t i ci sa d o p t e d ；t h er e a l i z i n gp r o c e s si si n t r o d u c e di nd e t a i l r e l e v a n te m b e d d e d p r o g r a mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r ； t h es t r u c t u r a l i z e dt h o u g h ti sa d o p t e d ；d e s i g na n dr e a l i z i n gm e t h o do ft h es u b m o d u l e p r o g r a mo fe a c hf u n c t i o ni ss t a t e d i nd e t a i l ；t h ef l o wc h a r to fr e a l i z i n gt h ep r o g r a m m o d u l ei sd r a w n t h ed a t ap r o c e s s i n gp r o g r a mm a i n l yc o n s i s t so ft h ed a t as a m p l i n g ， a dc o n v e r s i o n ，a n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y m o r e o v e r , s t o r a g eo ft h em o n i t o r i n gd a t a a n dt h er e c o r do ft h ea l a r m i n gi n f o r m a t i o na r ea c c o m p l i s h e d ；t h es y s t e ma l s or e l a t e st o t h et h r e s h o l dv a l u ea l a r m i n ga n dt h eo u t p u to r d e ro ft h ea u t o m a t i ci d l i n gc o n t r o l ；f i n a l l y , t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni ss e tu pw h i c hi sc a p a b l eo fr e a l i z i n gt h ee x t r a c t i o no ft h e u p p e rm a c h i n ed a t a ，t h u sl a y i n gaf o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gt h ed e f e r e n t i a la n a l y s i s s y s t e ma n dt h ew o r k i n gc o n d i t i o ns y s t e mo ft h eu p p e rm a c h i n ee x c a v a t o rs y s t e mi nt h e f u t u r e a p p r a i s a la n a l y s i so ft h em o n i t o r i n gi sc a r r i e do u to nt h es y s t e mp e r f o r m a n c et o f u r t h e rp e r f e c t i n gt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e md e s i g n i nt h ee n d ，a s u m m a r yi sd o n et ot h ec o n t e n ta n dt h ew h o l er e s e a r c ho ft h et h e s i s ；t h ed e v e l o p i n g p r o s p e c ta n dr e s e a r c h i n gd i r e c t i o no ft h em o n i t o r i sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：w o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r ；m i c r os i n g l e - c h i p ；s e n s o r ；l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ；a c o u s t o o p t i cp r e a l a r m i n g v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：白盆苤 二 e t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：牡导师签名：名让鸟丑一日 期： 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 第1 章绪论 挖掘机是工程机械领域中种典型的土石方施工设备，在现代化建筑施工中 起着十分重要的作用。随着高新技术不断发展，自动化程度不断提高，同时为了 适应大型运装汽车的需要和满足节能高效及驾驶人员的工作的要求，挖掘机正在 朝着大型化和智能化的方向发展。随着美国卡特公司1 9 9 1 年进入该设备领域后， 更加加剧了市场竞争，促进了技术进步。与其他大型施工设备一样，挖掘机因其 技术含量高、投资大、订单少、利润大、生产周期长等原因，造成了市场集中垄 断局面。这几家大公司如美国卡特彼勒、日本日立及小松、德国特雷克斯等，配 备节能柴油发动机，空调驾驶室，触摸屏操作与实时监控系统，以及相配套的故 障检测与分析系统，提高了生产效率，延长设备使用寿命，并且降低事故发生的 几率，引领着世界挖掘机行业的发展方向。近年来随着新技术的不断应用，挖掘 机得到了迅速发展，与此同时，由于全球经济一体化与市场竞争的加剧，导致了 主要生产厂商不断推出系列产品，加紧研制和更新技术，积极扩展全球市场。2 0 世纪9 0 年代中期，国内制造的液压挖掘机性能和质量不能满足用户的需求，国 外品牌的挖掘机制造企业强势进入，国内市场逐渐被国外品牌挖掘机占领，国内 各个挖掘机生产企业销量直线下降，市场占有率跌至5 以下。2 0 0 6 年工程机械 行业在一系列利好因素的激励下，出现了整体复苏，销售收入和利润都获得了大 幅增长。在众多的工程机械产品中，挖掘机的增长率为9 5 。近几年，柳工、玉 柴、山河智能、三一重工和徐工在近三年的时间里占据了市场2 0 的份额。但是 国内挖掘机产业与国外相比差距仍较大，面临着系列的严峻问题，例如国内技 术自主研发能力不足，部分元件仍然依靠进口，未能掌握核心部件的关键技术， 产品结构单，缺少知名品牌。 作为高新技术的应用，挖掘机产业必然引进计算机技术，推进自动化甚至智 能化控制，以及节能高效的发展进程。在液压挖掘机上配备状态监测仪器，可以 实现监测机器运行的状态，显示其状态参数。通过对这些工况参数的自动分析与 山东大学硕十学何论文 诊断，进而确定机器局部或者整体是否运行正常，可以提早发现故障隐患，查明 原因和掌握故障发展的趋势，大大缩短故障停机时间，提高挖掘机的经济效益， 同时也为开发自动控制系统那个打下数据基础。国内挖掘机行业为了加速产品的 升级换代，提升产品的竞争力，必然要认清国际该技术领域的发展趋势，配备先 进的监控系统，展开挖掘机机电一体化的开发与研究，大大提高挖掘精度与可靠 性，降低驾驶员的劳动强度，降低危险作业和提高设备维护效率。 1 2 研究现状与发展趋势 1 2 1 研究现状 感受众多主机厂家的产品不断更新发展的同时，经过对现场产品细致的参观 与分析，发觉一种技术机电一体化，在挖掘机上也逐步显示了其地位。广泛 应用微电子技术与信息技术，完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊 断系统；消除或降低机器噪声；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机 的尾气排放量；研制无污染、经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感 元件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高整机的机电一体化水平。各种传感器、 控制器遍布挖掘机每个角落，电子技术的发展使控制芯片的体积更小，功能更强， 在挖掘机上几乎不占任何空间，能完全嵌入到各种部件内部，这也是将来挖掘机 控制系统的发展方向。 我国工业装备自动化系统自主创新能力低下，自主知识产权匮乏。具体表现 在国产高端自动化产品奇缺，市场竞争力不强。目前，我国国产高端成套专用控 制系统或优化系统几乎为零。我国大部分控制系统由于在高可靠性、高稳定性、 高环境适应性，以及数字化、智能化、集成化等方面，与国外先进产品存在较大 差距。国产控制系统进入我国重大工程的关键装备、核心装备、主体装备十分困 难，绝大部分被国外控制系统所垄断，国内外工程机械发展的总体趋势是发展快、 水平高、产品更新换代频繁。长期以来，资金投入不足，研发力量薄弱，缺乏现 代控制理论、方法、技术的融入。我国自行设计制造的大型挖掘机控制系统绝大 部分由国外提供。国内市场提出的要求是构建高端工业自动化硬件平台，提高新 2 第1 罩绪论 一代主控系统产品质量。面向大型工业过程瓶颈制约的关键装置关键性控制与优 化系统。紧密结合生产工艺，解决长期以来困扰相关工业生产的关键性检测技术、 控制技术和优化技术，是高端工业自动化技术产业化的重要实施内容，许多大专 院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，不取 得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。为了方便操作手查看机器 的重要参数，实时的了解整机的状态，仪表技术已经广泛的应用到液压挖掘机中， 只是出于成本的考虑，不同吨位的挖掘机采用不同层次的仪表。一般说来，1 0 吨 以下的小型履带式挖掘机多采用机械式仪表或者黑白液晶显示屏。仪表整体效果 好，显示监控系统界面直观，简洁，标识准确，易懂，便于进行操作。在仪表方 面，国内厂家都均已采用；但国外产品仪表的高品质性，值得国内的挖掘机生产 厂家学习。应开发对挖掘机各种工况可进行监测、控制并改善操作人员劳动条件 的挖掘机。虽然国内外平地机的基本结构和功能没有根本性的差异，但由于中国 挖掘机行业起步较晚，技术发展缓慢，其技术水平落后于国外发达国家。目前我 国挖掘机产品的技术主要来自国外，多数制造企业没有自己的核心技术和专有技 术，对引进国外技术的消化吸收也仅仅是实现部分国产化这样一个较低的层次上。 近年的发展，也是通过综合集成、类比设计或移植国外一般成熟技术，通过二次 开发设计出的产品，多数企业的技术创新能力不足【2 j 。 以现代微电子技术为代表的高科技正越来越普遍地用来改造工程机械产品的 传统结构。成熟技术的移植应用已大大促进了挖掘机综合技术水平的进一步提高。 在满足新的技术要求前提下选择合理的价位，适应不同档次的用户需求是目前挖 掘机的发展方面。中国市场与国外市场不同，中国是发展中国家，经济实力等远 远落后于发达国家，多种因素决定了现阶段的中国市场对挖掘机不需要很高的技 术含量和高的配置，只要具有同样的作业功能和较好的可靠性，具有性能价格比 的优势，就会有高的市场份额。 随着微电子技术向工程机械的渗透，现代挖掘机日益向智能化和机电一体化 方向发展。自2 0 世纪9 0 年代以来，国外工程机械进入了一个新的发展时期，在 广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构和新产品。继完成提高整机可靠性任 务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信息技术含量和智能化程度，努力 山东大学硕十学何论文 完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员的工作条件，向节能、环保 方向发展。总而言之，细节决定品质，智能化独领风骚，有特色才有品牌。 1 2 2 发展趋势 机电一体化是液压挖掘机发展的必然趋势。具体的来讲，液压挖掘机的机电 一体化的应用包括很多内容，例如电子监控系统、节能、遥控以及故障智能分析， 其中电子监控系统是其它技术的基础，只有掌握了设备实时工况参数，才能根据 数据来调节挖掘机的运行状态，达到节能高效的目的。国外的挖掘机如日本小松、 美国卡特等都有各自风格的监控装置，不仅具有显示功能，还具有提高发动机功 率利用以及故障自诊断功能，而国内生产的挖掘机多处于起步阶段，工作参数采 用仪表显示，智能化程度不高。比如徐州矿山机械厂生产的挖掘机配套的状态监 测装置，是以美国卡特3 2 0 b 挖掘机为蓝本，经过改进而综合设计的一套适合国产 挖掘机的监控装置。为了改变国内挖掘机行业的现状，各大公司以及研究机构正 在努力开发具有自主产权的电子监控系统，从国内外发展状况来看，液压挖掘机 有以下发展趋势【3 1 。 1 ) 智能化控制在挖掘机上应用计算机控制技术，计算机自动监测液压系统和 柴油机的运行参数，如压力、柴油机转速等，并根据这些参数自动控制整个挖掘 机动力系统运行在高效节能状态，。例如，凯斯挖掘机的发动机采用了f a d e c 全 权数字控制电喷技术，这种智能发动机与p c s 精确液压系统联合控制，根据工况 自动调整动力输出，伎作业效率与燃油消耗最佳匹配。6 缸2 4 气门f a d e c 数字 式电控直喷发动机，可以做到节油3 0 以上。f d a e c 发动机具有信息全面监控系 统，能对发动机全面监控，譬如：当进气含氧量不足，柴油水含量超标、机油压 力低、进气管温度偏高等情况会提前报警并且自动降速，全面保护发动机，降低 故障发生率，大大延长发动机的使用寿命。 2 ) 配备先进的监测系统利用电子技术、传感器技术开发的监测系统，对液压 挖掘机的工作状态、工作参数进行监测，随时掌握挖掘机的各个状态参数，为发 动机控制与执行机构提供所需的基础数据，在操作者与挖掘机之间建立信息交流 的通道，它能及时给司机提供各种信息，实时监控作业工况，预报故障苗头并及 4 第1 章绪论 时排除，还可以改善作业条件，提高司机的舒适程度，提高作业效率，还能够提 高维修准确性和减少维修时间。 3 ) 能够完成一些半自动操作如平地、斜坡的修整，虽然对驾驶员的要求降低， 但是工作质量和效率将大幅度提高，如专门为挖掘机配套的挖掘机坡度控制系统 t r i m b l eg c s 6 0 0 ，可以轻松实现工程施工中的土方挖掘、沟渠挖掘、坡度和造型， 自动精确控制挖掘坡度和高度，即使新手驾驶员也能从容操作。该控制系统具有 四种模式：深度控制、斜破、造型控制、激光控制模式。 机电一体化技术融合了电子器件的信息处理和控制功能，为液压挖掘机行业 提供了新的技术思路，是挖掘机技术的又一次飞跃。电子监控是利用电子技术、 传感器技术对挖掘机的工作状态进行监测，以便能够随时掌握系统的工作状态。 电控节能是机电一体化技术在挖掘机上的进一步应用，对监测到的数据进行计算、 分析，然后控制挖掘机的状态，使之运作在节能高效的状态下。轨迹控制是使挖 掘机的挖掘轨迹按照预计要求进行，是液压挖掘机的深层次要求。智能机器人是 机电一体化在液压挖掘机应用的最终目的，在控制过程中实现体力和脑力劳动自 动化，实现无人驾驶和遥控，以便在人们在无法接近的危险条件下工作。 1 3 本课题研究内容 通过查阅挖掘机发展关键技术以及机电一体化应用的相关文献资料，研究和 开发了全液压挖掘机工况监视系统，为研究挖掘机故障分析系统奠定了技术基础。 本文的主要研究内容如下： 1 ) 简单介绍了挖掘机工况监视仪的工作原理、发展趋势以及通过比较国内外 该领域的发展现状，掌握领域主导技术的发展方向，并在此基础上开发适合国内 挖掘机行业的配套监测仪器。包括功能原理、工况参数选择及其对于掌握设备运 行的意义、测量原理与传感器技术的应用。 2 ) 详细介绍了监视仪系统的总体方案结构，包括功能原理、工况参数的选择 及其各自的监测意义、测量原理与传感器技术的应用。这里涉及到传感器的选择、 数据信号采集、模拟和数字信号的处理、a d 数据转换等技术。 3 ) 介绍了工况监视仪的硬件电路设计，包括主处理电路、数据采集电路、数 山东大学硕十学伊论文 据处理电路、l c d 显示及报警电路、电源模块和通讯电路设计等，通过硬件电路 模块原理图详细阐述了各个电路模块的主芯片选型、外围器件数值计算、功能实 现原理，从而实现了现场数据的采集，通过l c d 液晶显示屏动态显示。 4 ) 工况监视仪软件程序开发，主要包括主程序、数据处理以及串口通讯等源 程序。主程序实现对系统的初始化和函数模块调用，数据处理模块负责w d 转换、 转速脉冲信号采集等功能，串口通讯是提取工况参数数据的通道，也为下一步开 发故障分析系统做好准备。 5 ) 由于挖掘机工作环境比较复杂，监测系统除了要具有防振、防尘等措施外， 另外分别从硬件和软件方面简单介绍了采取的抗干扰措施。 6 第2 章挖掘机t 况监视仪的总体方案设计 曼皇曼皇量舅曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼 -, i i i | 皇曼曼皇曼曼曼 第2 章挖掘机工况监视仪的总体方案设计 经过对国内外液压挖掘机工况监视系统的研究以及关键技术的发展趋势，制 定了本系统的总体方案，它包括以下几部分。 2 1 传感器技术的应用 2 1 1 测量原理 数据采集就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信 号，然后送入计算机，根据不同的需要由主处理器进行相应的计算和处理，得出 目的数据，以便实现对设备某些物理量的监视，并且利用个别数据实现通过执行 器对设备进行控制【4 1 。数据采集是测量、控制、仪表等领域的基础。本系统是以 a t 8 9 c 5 2 单片机为核心，实时监测发动机转速、柴油油量、水温等设备运动参数， 在液晶显示屏上显示模拟量或频率量参考值【5 】。信号采集系统的功能就是完成信号 的变换与反变换，具体基本功能模块分为检测元件、数据采集、 模拟信号处理、 数字信号处理。本课题选择下面的结构，实现对挖掘机设备各路参数的采集，为 以后数据的显示与分析做好基础并且关键的一步【6 】。后面对这些结构的电路做详细 的介绍，在此仅对其功能和原理作简要说明，原理框图如图2 1 所示。 图2 1 系统结构原理框图 7 山东大学硕十学位论文 2 1 2 工况特征参数及其测量 ( 一) 柴油发动机系统参数及其传感器应用 传感器是由物理模拟量到电信号模拟量或数字量转换的关键器件7 1 ，本课题将 实现对发动机转速、机油油量、柴油油量、发动机负荷率、冷却水温度等物理量 的转换，对于传感器的选择和应用原理将在下面做详细介绍。 ( 1 ) 发动机转速 转速属于常规电测参数，测量转速时常采用磁阻式传感器进行非接触性测量。 根据课题要求选择由飞利浦公司生产的k m l l 5 1 6 系列磁阻式转速传感器【8 1 ，如图 2 2 所示。 磁钢 磁敞电戳传感器 c = 07 9 c m 3 ( 柴油密度在08 4 o8 5 之间) ，耐温1 5 0 c ，测量 距离0 6 0 0 0 m m 可任意选择柱长度，选择8 0 0 m m 量程，输出信号为4 2 0m a d c ， 供电电压+ 2 4 v d c ，符合课题要求。 液位变送器安装在油箱上方( 顶装式) ，采用对接法兰安装。 ( 3 ) 冷却水温度 发动机冷却系统工作状态的主要参数是冷却水温度，并且发动机水温数据是 汽车电控系统使用的主要数据之一，也是发动机暖机情况的主要指标。冷却水温 的过高过低都会对发动机的工作状况造成破坏，本课题对发动机水温数据进行自 动检测，对提高发动机的性能发挥有重要意义。 选择w g 2 7 0 4 系列水温传感器例，设定报警点9 7 ：i ：2 c ，如图2 - 3 所示。 图2 - 3w g 2 7 0 4 水温传感器 传感器本身带有m 1 4 x l5 螺纹连接，方便可靠 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 冷却水位 挖掘机发动机的水冷系统是强制循环水冷系统，即利用水泵提高冷却水的压 力，强制冷却液在发动机中循环流动，监测冷却系统的水位才能保证发动机运行 系统的冷却质量，防止机体温度过高，造成设备损坏。 选择y h b t 型投入式液位变送器，采用投入式，易于安装。量程0 3 0 0 0 0 m m ， 精度0 2 05 级，温度- 4 0 c + 1 2 5 c ，输出信号为4 2 0 m a ，供电电源d c 2 4 v 2 v 。 液位变送器安装在水箱顶端，采用杆式法兰安装。 ( 5 ) 机油压力 机油压力是保证工程机械柴油发动机的正常运行的重要参数之一。机油压力 对于零件的润滑状况影响较大，过高、过低都会引起配件，特别是主轴瓦、连杆 瓦及各轴承、铜套润滑、冷却不良造成剧烈磨损，甚至烧坏及更严重的事故。 因此我们要对发动机机油压力进行实时监测，减少机器故障率，提高系统故障诊 断效率。正常工作状态下发动机机油压力0 2 0 4 m p a ，主油道安装油压传感器， 低于02 m p a 压力时，便触发报警器。 。钐6 图2 48 0 3 1 型传感器 压力变送器也称差变送器，主要由测压元件传感器、模块电路和过程连接件 等组成。压力变送器的测量原理是流程压力和参考压力分别作用于集成硅压力敏 感元件的两端，其差压使硅片变形( 位移很小，仅g r a 级) 以使硅片上用半导体 技术制成的全动态惠斯登电桥在外部电流源驱动下输出正比于压力的m v 级电压 信号。由于硅材料的强性极佳，所以输出信号的线性度及变差指标均很高。工作 时，压力变送器将被测物理量转换成m a 级的电流信号。并送往放大倍数很高而 叉可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。放大后的信号经电压电流转换变换成 相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入压力成线性对应关系的标 准电流电压信号。压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器( 00 0 1 m p a 第2 章挖掘机丁况监视仪的总体方案设计 2 0 m p 3 ) 和微差压变送器( 0 - - 一3 0 k p a ) 两种。 本课题采用深圳安泰测控仪表有限公司所生产的8 0 31 型机油( 空气) 压力传 感器，如图2 - 4 所示。8 0 3 1 型传感器采用m e m s 和专用集成电路( a s i c ) 技术设 计制造而成。它特别适用于恶劣的工业环境中，可在高低温、振动、热冲击和机 械冲击以及化学污染等恶劣环境中使用。产品主要部分技术参数如下：供电电压 5 4 - 0 5 v d c ，输出电压信号4 - - - 2 0 m a ( 5 vd e 供电) ，工作温度范围4 0 - + 1 3 0 ， 防护等级i p6 5 ，压力接口n p t1 8 2 7 ，可测水、润滑油等介质【1 0 1 。由机油压力值 范围选择变送器量程为0 一- - 1 0 m p a ，完全能够满足机油压力的变化。 机油压力传感器通过螺纹联接方式安装在柴油发动机的主油道中。在实测中， 压力测量装置即可根据设定检测柴油机的机油压力，然后将压力变送器输出的电 压信号送至信号调理电路，再经a d 模数转换电路送入单片机进行显示处理。 ( 6 ) 机油温度 机油的黏度会随温度的变化而变化，黏度是机油的一项重要指标，只有采用 黏度合适的机油，才能在摩擦表面间形成油膜，以保证机件的良好润滑并带走摩 擦而生的金属屑末，冷却那些无法靠水或气流冷却的一些零件( 如活塞、轴承) 。 润滑油的冷却能力，并不单纯依赖于它的导热性等性质，而主要是靠通过摩擦表 面的机油流量【1 1 , 1 2 】。黏度过小，则机油易从配合间隙流失。因此保持机油合适的 粘度是极其重要的，而黏度主要是受温度的影响，所以保持正常的油温是保持机 油粘度的重要条件。通过转子的机油的黏度和压力，对转子转速影响很大，所以 机油温度对转速起很大影响。可以看出机油温度是判断发动机运行状态的重要指 标之一。 本文选择带温度变送器热电阻h r - w z p b ，测量范围2 0 0 - + 5 0 0 ，精度等级 b 级，允许偏差4 - ( 0 1 5 + 0 0 0 2iti ) ，供电电压+ 2 4 v d c u 引。热电阻在工作状态 下所测得的热电势( 电阻) 的变化，经过温度变送器的电桥产生不平衡信号，经 放大后转换成4 - - - - 2 0 m a 的直流电信号，经单片机接收后能显示出所对应的温度值。 该器件两线制输出电流信号，抗干扰能力强，节省补偿导线及安装温度变送器费 用，测量范围大，冷却温度自动补偿，非线性校正电路。般柴油发动机的机油 正常温度为7 0 。c - 一9 0 ，完全满足本文要求。 传感器安装在发动机进油口，固定螺纹安装。 山东大学硕十学何论文 毫量曼量曼曼曼皇曼孽n n m i l 曼曼皇曼曼曼量曼量曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼皇! 曼曼曼舅量舅曼曼曼皇曼量鼍曼曼曼鼍曼皇皇量曼舅曼曼曼曼曼曼 ( 7 ) 低机油位报警传感器 该传感器是为了在发动机机油缺失，而驾驶员忘记察看机油标尺，为了保护 发动机系统机件而设【1 4 】。其实对于发动机机油的缺失也能够从机油压力传感器检 测出来，考虑到系统的可靠性原则，添加此装置仅为一个液位开关，及时的提醒 驾驶员添加机油。系统采用y c 系列磁力液位开关 1 5 , 1 6 】，如图2 5 所示，性能稳定 可靠，其工作原理是当磁浮式液位计浮子随液位上下浮动时，浮子里的磁力对开 关的作用被液位开关记忆，并由液位开关转换为开关量信号输出。液位开关不仅 可以在断电情况下记忆液位状态，而且可在无源的条件下工作，当系统断电后重 新上电后，无需任何调整，该开关即刻开始工作并正确输出实时的液位开关量信 号。 动作缝 露魏j 西 图2 - 5 磁力开关示意图 在机油壳内底部装上该磁力开关，磁力开关由装在干簧管内部的两片金属条 和机油浮子组成，磁力开关的通断由浮子控制。当液位较高时，浮子高出其感测 面，永磁铁离开干簧管，管内的两片金属条分开，继电器不通电，常开触点断开， 报警电路不通。机油位处于临界状态时，浮子会上下晃动，即永磁铁在于簧管附 近摆动，金属条会时开时闭，报警装置会断续报警，这样会提醒驾驶员及时加油。 当液位低于感测面时，永磁铁靠近干簧管，继电器接通，常开触点闭合，指示灯、 扬声器报警。通过继电器的通断输出一个开关量，送给单片机，当继电器持续报 警达4 分钟后，则单片机发出指令，控制发动机熄火。 1 2 第2 章挖掘机t 况监视仪的总体方案设计 安装时一定要使感侧顽朝下，即将磁力开关的感测面对向机油，将开关固定 在机油壳内部即可。安装后应用万用表测量其输出状态，使其输出状态符合要求， 实际上就是调试确定其报警线。 ( 8 ) 发动机负荷率 功率是发动机技术状况诊断的一项综合指标。由于动力机械的发动机输出轴 功率正比于转矩与转速的乘积，因此采用间接测量法，分别测量转矩和转速( 前 面已叙述) ，再求得功率，功率的测量重点在于转矩的测量。 转矩传感器采用电阻应变片作为敏感元件，按与轴线成规定的方向粘帖4 片 电阻应变片，组成应变电桥【1 7 】。当扭转轴发生扭转变形时，各应变片的阻值即随 之发生变化，电桥输出的不平衡电压与转矩成比例。由于传感器是在连续转动， 所以应变电桥供电和信号输出需要用滑环、电刷或旋转变压器、无接触信号传输 器，这种方法能测量动态转矩，测量精确度可达士1 士o 2 。应变片的分布与组 桥如图2 6 所示。 1 1 捌4 5 1 2 n | 5 0 | 3 烈4 5 - i t 4 n 4 5 l 量 图2 - 6 应变片的分布与组桥示意图 假如4 个桥臂上的电阻为r l = r 2 = r 3 = r 4 = r ，桥臂上的电阻变化量为a r i 、a r e 、 r 3 、r 4 ，则输出电压 矾= 竺( 些一竺一些+ 坐)( 2 2 ) 4 、尺lr 2a r 3a r 4 77 若4 个桥臂上的应变片的灵敏系数为k ，则 【i j 东大学硕十学伊论文 = 等k h ：_ 蝎) ( 2 - 3 ) 应变仪的输出应变 占= 等咱_ 吲毛 ( 2 - 4 ) 作用于轴上的扭矩 坛：竿占 ( 2 - 5 ) 式中g - 一剪切弹性模量5 w p 为轴截面的抗扭模数( 对于实心轴而言w p = o 2 d 3 ) 。 把式( 3 ) 代入式( 4 ) 得 彪：g w p 4 u o ：2 g w p u o ( 2 - 6 ) 2 戮kk h 可见，扭矩与桥路的输出电压成正比。 设f 胁、岛、分别代表由扭矩、弯曲、拉伸和温度引起的应变，各个 应变片的应变为 占1 = 占 砌+ 占吖+ 占7 - i - e t ( 2 - 7 ) o c 2 = 一o f m n 一+ 占r + q ( 2 8 ) 3 。一s m n 七m 七t + s 1 s 42 渤一m 七s 七t ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 可得 s = s l 一一毛+ 占4 = 4 毛拥 ( 2 1 1 ) 由此可见，这种贴片方法既能增大读数应变，又能消除附加拉伸、弯曲和环 境变化的影响，从而实现扭矩的精确度。由于扭矩传感器与传动轴固定在一起旋 转，所以必须采用非接触式信号传输。先将直流电源经过电源逆变模块中的振荡 电路产生4 0 0 h z ，+ 8 5 v 交流电源，然后采用电感耦合方式给应变片电桥供电：电 桥输出电压经预处理电路中放大器放大之后，经过光电耦合取出信号进入处理部 1 4 第2 章挖掘机t 况监视仪的总体方案设计 分。其原理图如图2 7 所示。 图2 7 测量转矩原理框图 应变测量电桥的开路输出电压一般较小