（机械设计及理论专业论文）强力输送胶带纵向撕裂监控理论及其系统研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 钢丝绳芯带式输送机常会有石块或金属等硬锐的物体卡在某处并划破胶带而 造成胶带的纵向撕裂，造成很大的直接和间接经济损失。本文对现有胶带纵向撕 裂保护装置进行了综合性研究，在此基础上提出了一种新型非接触式纵向撕裂监 控系统。这种纵向撕裂监控系统主要应用了目前发展较快的射频识别技术和单片 机控制技术。 本文提出的纵向撕裂监控系统主要特点是监控设备与被监控物( 输送胶带) 是非接触的，检测的灵敏度高，误动作少；监控系统在f 常工作时对被监控的输 送胶带的速度，没有影响，无特殊要求；对预先置入胶带中的传感线圈的摆放间 距要求不高；监控装置使用灵活，体积小，成本低廉。 本文首先分析了钢丝绳芯输送胶带纵向撕裂的原因以及纵向撕裂监控系统的 发展现状，提出了基于射频识别技术的纵向撕裂监控办法。 其次，介绍了射频识别系统的基本原理，分析了射频识别系统中的基本组成 及其之间的能量数据传输理论，并通过理论分析验证了其在纵向撕裂监控系统中 的可行性。 第三，基于射频识别的基本理论设计了纵向撕裂监控系统的信号识别系统。 基于单片机控制技术，研制了纵向撕裂监控系统。 第四，分析了纵向撕裂监控系统的多种干扰源，并提出了系统抗干扰的软硬 件措施。 最后，对研制的信号识别系统及纵向撕裂监控系统进行模拟试验，分析试验 数据，对系统进行改进。 关键词带式输送机；胶带纵向撕裂；微机监控；射频识别 童星堡三奎耋三耋堡圭兰堡堡塞 a b s t r a c t w h e nt h es t e e lc o r dt r a n s p o r ti sr u n n i n g ，t h eb i ga n dk e e n e d g e db l o c ko rm e t a l m a yb es e i z e du pi nt h eb e l t t h eb e l tw i l lb et e a r e d ，w h i c hw i l ll e a dt ot h o u s a n d sd o l l a r s o f l o s i n gw h e nt h ec o n v e y e rh a v eb e e nn o th a l t e d t h ep r o d u c tl i n ew i l lb ec o m p e l l e dt o s t o p ，w h i c hw i l ll e a dt ot h o u s a n d sd o l l a r sl o s s i n gt o o s o ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa c r e d i b l ea n da p p l i e ds u p e r v i s i o ns y s t e mw h i c hw i l li n s p e c tt h et e a r i n gs i g n a li nt i m ef o r s t e e l c o r db e l t t h i sa r t i c l ea i m sa tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed e t e c t o rf o rm et e a r i n g s i g n a la n dp r o v i d ean e wu n t o u c h e ds u p e r v i s i o ns y s t e mt ot h el o n g i t u d i n a lr i p t h i s s u p e r v i s i o ns y s t e mm o s t l ya p p l yr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nw h i c hi s d e v e l o p e d q u i c k l ya tp r e s e n ta n ds i n g l e c h i pt e c h n o l o g y t h e m a i np o i n to ft h es u p e r v i s i o ns y s t e md e s c r i b e di nt h i sa r t i c l ei st h a tt h ed e t e c t e q u i p m e n ta n dt h eb e l ti su n t o u c h e d ，t h ei n t e l l i g e n td e g r e ei ne x a m i n a t i o ni sh i g h ，t h e m i s t a k ea c t i o ni sl i t t l e t h e r ei sl i t t l ei m p a c tt ot h es p e e do ft h eb e l ta n dl i t t l ed e m a n d w h e nt h es u p e r v i s i o ne q u i p m e n ti sc i r c u l a t i n g t h es e n s e w i n d i n gw h i c hi se m b e d e di n t h eb e l tc a np u tr a n d o m t h ee q u i p m e n tu s e sc o n v e n i e n t ，t h ep h y s i c a lv o l u m ei ss m a l l ， t h ec o s ti sc h e a p t h i st e x ta n a l y z e sf i r s tt h er e a s o nt h a tt h es t e e l c o r db e l tl o n g i t u d i n a lr i p sa n dt h e d e v e l o p m e n tc o n d i t i o no ft h es u p e r v i s i o ns y s t e ma tp r e s e n t t h et e c h n i q u eb a s e do n r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nf o r t e s t i n gl o n g i t u d i n a lr i p s e c o n d ，t h et e x ti n t r o d u c e st h ek e y s t o n eo ft h et e c h n i q u er a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o na n da n a l y s e sb a s a l c o m p o s i n go f t h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n s y s t e ma n dt h ee n e r g yt r a n s m i s s i o ni nt h es y s t e m t h i r d ，s i g n a li d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi ns u p e r v i s i o ns y s t e mb a s e do nr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e di n t h i st e s t s u p e r v i s o ri s d e v e l o p e db a s e do n s i n g l e c h i pt e c h n o l o g y f o u r t h ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e sm a n yd i s t u r b a n c ef a c t o r si ns u p e r v i s i o ns y s t e ma n d b r i n g sf o r w a r ds o m ea n t i - j a m m i n gm e a s u r e si ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e l a s t ，t h i sa r t i c l ee x p e r i m e n t so nt h es u p e r v i s i o ns y s t e md e s c r i b e di n t h i st e x ti n l a b o r a t o r ya n dr e c o r d st h ee x p e r i m e n t sr e s u l t sa n da n a l y z e st h i sr e s u l t 童里堡三奎耋三耋堡圭耋堡堕圣 k e yw o r d s ：b e l tt r a n s p o r t ；b e l t sl o n g i t u d i n a lr i p ；m i c r o c o n t r o l ；r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题来源 本学位论文的课题来源于山东省教育厅科技计划项目“强力输送胶带纵向撕 裂监控理论及其系统研究”( 项目编号：0 3 a 0 8 ) 。 1 2 课题概述 1 2 1 课题的提出 钢丝绳芯带式输送机以其强度高、运量大和运距长等优点，受到了各企业的 青睐，从而得到了越来越广泛的应用，尤其是煤矿，使用数量甚多。 钢丝绳芯带式输送机的强力输送胶带之所以抗拉强度高，是因为输送带内沿 其纵向布置了许多钢丝绳。但在其宽度方向抗拉强度是非常低的。正因为强力输 送胶带的这一结构特点，使得强力输送胶带在发生纵向撕裂事故时会造成重大直 接或间接经济损失。 输送带是输送机的重要组成部分其成本占整机的4 5 之多，近年来输送带 纵向撕裂事故时有发生，价值数十万元( 甚至数百万元) 的输送带因纵向撕 裂在几分钟之内就会全部损坏，造成很大的经济损失。即使能够修补，也需要相 当长的时间。我国长距离胶带输送机也多有输送带的纵向撕裂的情况发生。使用 带式输送机的企业长期以来一直被输送胶带纵向撕裂事故所困扰，迫切需要一种 能及时可靠诊断输送胶带纵向撕裂故障的处理装置。 基于以上原因，本课题选定“强力输送胶带纵向撕裂监控理论及其系统研究” 作为研究方向。 1 2 2 课题研究的目的和意义 出于运输物料不规则性和带式输送机接受物料的不均匀等因素的影响，带式 输送机的输送胶带可能发生胶带纵向撕裂事故，影响生产顺利进行。 近年来，有许多相关防输送胶带纵向撕裂保护装置的研究，其研究方向大致 分为基于撕裂原因的以预防为主的超前保护装置和基于撕裂后输送胶带变化的各 青岛理工大学工学硕士学位论文 种物理量的监控装置【”。超前保护装置能够有效地减少发生撕裂状况的可能性，是 输送机安全运行的重要保护装置。但现有的超前保护装置多有其局限性，一般只 能针对可能引起撕裂的一种原因，很难完全解除所有能够引起撕裂的隐患，因此 也很难完全防止撕裂发生，所以超前保护装置的作用通常是有限的。目前国内主 要应用的监控装置还是以刺破胶带后输送带外表面突起，带动其他机械装置动作 或胶带破裂后，有物体漏下掉到感应装置上产生报警信号。这种监控装置还不能 从根本上保护输送带，其原因在于输送带的撕裂会产生外部形态的变化，但并不 是一次撕裂各种形念都会出现，而且这种变化是很微小的，而无论是输送带还是 整机的制造，安装和运行都是不能十分精确的，因而就必然造成检测装置的误动 作或灵敏度差。因而，研制出一种能够及时准确地发现输送带撕裂的装置是非常 必要的。 1 2 2 1 本课题的目的 ( 1 ) 深入研究利用射频识别技术检测胶带纵向撕裂的方法。在此基础上，研制 检测撕裂信号的信号识别系统，信号识别系统包括作为撕裂信号载体的传感线圈 和能够接收传感线圈发出的信号的信号识别器。 f 2 ) 研究单片机控制技术在胶带纵向撕裂监控系统中的应用，结合信号识别系 统，研制能够及时地发现输送胶带撕裂状况的并能准确地发出控制命令的非接触 式胶带纵向撕裂监控系统。 1 2 2 2 本课题研究的意义 ( 1 ) 本课题首次提出将射频识别技术应用在输送带纵向撕裂的检测方面，对研 制可用于生产实际的高可靠性和自动化程度的胶带纵向撕裂监控系统进行了有益 的探索。 ( 2 ) 在实验室条件下检验了基于射频识别技术和单片机技术研制的非接触式 强力输送胶带纵向撕裂监控系统，为系统的工业实验奠定了理论和实验基础。 ( 3 ) 提供的非接触式输送胶带纵向撕裂监控系统是一种对输送机正常运行时 影响较小的，误动作很少的，新型的监控方法，具有技术上的创新性。 f 4 ) 利用单片机智能监控，令非接触式输送胶带纵向撕裂监控系统向多功能， 智能化，强适应性方向发展。 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 国内外发展现状 1 3 1 输送带产生纵向撕裂的原因 输送带发生纵向撕裂原因是多方面的，主要有： ( 1 ) 在装载点因外来大块金属或木材落入输送带刺入带内，将输送带刺穿2 1 。 如某矿d x 型钢丝绳芯胶带输送机运行中，一段钢轨卡在漏斗与胶带之间，未及 时发现，将胶带纵向撕裂1 9 1 4 m 。 胶带撕裂处 缓 t 托滚 图1 - 1 物料卡压撕裂示意图 ( 2 ) 由于装载点处给料突然增大，使输送带装料堆积堵塞，引起输送带撕裂。 如某矿因机尾转载漏斗煤量突然增大，煤与矸石挤住胶带，矸石将胶带撕裂8 2 m 。 ( 3 ) 输送带跑偏后，被托辊端盖或机架割丌。如某矿胶带长时间跑偏，被固定 于机架上的角铁磨透，致使胶带边部撕裂2 9 6 m 。 ( 4 ) 大块矸石或煤块卡在漏斗挡板导料槽内或托辊架与回程段胶带之间，逐渐 磨透胶带造成撕裂。如某矿胶带输送机运行中，有块5 0 0 m m x 3 0 0 m m x l 5 0 m m 的矸 石堵死在导料槽内，矸石穿透胶带，撕裂5 1 8 m 。 ( 5 ) 漏斗或挡板磨损过限，致使矸石或金属物卡在胶带上磨透胶带造成撕裂 【3 】。如某矿漏斗挡板磨损，矸石卡在给煤机漏斗与胶带问，造成撕裂胶带1 3 1 8 6 m 。 ( 6 ) 机头部清扫器刮板兴挂住胶带表面的金属丝，把胶带磨透f 4 】。如某矿机头 部清扫器刮板夹住一根道钉，磨透胶带撕裂5 4 m 。 ( 7 ) 托辊端盖未焊好，自由旋转的端盖就像旋转的刀片一样把胶带割开。如某 矿输送机回程段一平托辊端盖未焊好与托辊管体脱离，将胶带靠边部磨透撕裂 1 0 6 m 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 8 ) 长条金属物夹在带槽与承载托辊之问，而在承载托辊处把胶带撕裂5 1 。 1 3 2 输送带纵向撕裂的预防与检测方法 1 3 2 1 预防输送带撕裂的超前保护装置 ( 1 ) 去除外来异物 造成输送带纵向撕裂的原因主要是外来异物的质量大，落差高，以较大的动 能向输送带坠落，有的带有锐角或锐边，有的尺寸太大，把漏斗或转接溜槽出口 卡住 6 】o 因此把混入物流的大块、长件异物分离，是预防输送带发生撕裂的重要环 节。传统方式为在进料斗处加格筛【7 】北仑港埠公司采用倾斜定角度放置，可以 使大块物料自动分离出来【8 1 ；在初始进料皮带上方安装钢梳板；上海华能石洞口电 厂使用摆动梭式分离装置分离出大块异物。 ( 2 1 去除铁磁杂物 原煤中经常混有金属杂物或铁杆，很容易把输送带戳穿或撕裂。因此可以采 用金属分离器把金属杂物捡出，如图1 2 所示。可在金属分离器前面加装金属检测 器，当检测到金属块后，发出信号，才开动分离器并把金属物件拣出来。我国沈 阳低压电器厂也有生产，并已在宝山钢铁厂安装使用。芬兰o u t o k u m p u 公司制造 磁性滚筒 图卜2 金属分离器原理示意图 的m e t o r1 1 7 型金属检测器是目前国外较新的一种金属检测器。当有金属通过它时 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 可以识别出并报警【9 】。若未能拣出，发出停车信号。 ( 3 ) 改善溜槽的通过能力 用格筛或摆动梭式分离装置能把9 5 以上的大块异物分离出去，但电磁除铁 器不能把全部细长铁件吸出。这些细长铁件通过溜槽拐角处或出口处有可能被卡 住。因此可以通过增加溜槽的高度使大型物料顺利通过；通过改善溜槽中易于卡 住细长异物的结构，消除隐患；通过改变溜槽出口导料槽的结构，减小异物落到 胶带上的冲击力( 如广州港新沙港务公司把出口垂直的导料槽改为倾斜3 5 5 0 度； 又如霍林河煤业集团在导料槽出口处接出一个平台，起到缓冲速度的作用) 1 0 l ： 在溜槽出口处安装限位器，如图1 3 所示，当物料高度高于溜槽而不能通过时报警 1 1 j 。 溜槽大块物料限位开关导料槽胶带 图1 - 3 安装限位开关的纵向撕裂超前保护装置 1 3 2 2 及时发现输送带撕裂的检测装置 因重型输送带的价格昂贵，如能及时发现输送带撕裂，即可避免巨大的经济 损失。在安装预防性检测装置的同时，很有必要加装及时发现撕裂装置。几种常 用的发现输送带撕裂的检测装置有【1 2 】： ( 1 1 渔线式检测装置 它由若干根金属线或尼龙线分别沿槽形输送带的外廓小孔穿过。它装在装料 站下面输送带的正下方，线的一端装有一个弹簧型限位开关，一旦金属棒戳穿输 送带，将会很快碰到紧靠输送带的渔线而使丌关动作，从而避免输送带的继续撕 裂。图l 一4 为此种装置的示意图。r 本、澳大利亚己获得浚项发明专利权。 f 2 ) 棒型检测器 它是有一根弯成输送带截面形状的棒或管予组成。此棒安装在输送带与缓冲 托辊之间。如物料戳穿输送带则使该棒偏斜，许多这样的棒由杠杆连接在一起， 青岛理工大学工学硕士学位论文 控制输送机停车的传感器。棒型检测器现己广泛用于澳大利亚西部铁矿的带式输 送机系统。我国石臼港的带式输送机也安装这种检测装置。但该装置并非十分可 靠，容易检测失效。 限位开关胶带撕裂胶带异物 鱼线拉线 撑架 图1 4 鱼线式检测装置 ( 3 ) 接触型带式丌关 日本桥石轮胎公司开发一种接触型带式开关。它以两片弹性金属片为主体制 成相互绝缘的带芯，用橡胶做覆盖层，其巧妙的结构保证金属物在输送带上下左 右任意方向都能使两金属片接触并发出报警信号。我国北仑港，石臼港的带式输 送机上装配了这种开关。我国沈阳外围设备研究所已研制这种开关。 ( 4 ) 摆动框架式检测装胃 r 本横滨橡胶公司研发一种磁性传感器的检测装置，它安装在多个缓冲托辊 组成的框架上。承载带一旦发生撕裂，其水平方向受力比正常状况下的受力要大， 传感器因此发出报警信号。 ( 5 ) 测震式检测装置 该装置分为起震和测震两部分。在装载站下面运行的输送带- - n 装一个偏心 轮，偏心轮紧压在输送带上，随带的运行起震，测震器装在输送带的另一侧。一 旦输送带发生撕裂，检测器就不能收到偏，t i 轮发出的振动信号。图1 5 为这种检测 装置的示意图。 ( 6 ) 漏料检测装置 这种装置的工作原理：当输送带撕裂后，其上输送的物料将通过裂口泄漏， 所漏物料堆积在托盘上，待达一定重量后将压其下方的开关，发出停机信号。图 1 6 为此装置示意图。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 振动器 执行继电器放火器辊子振动接收器 图1 5 测震式检测装置 为了解决灰尘堆积引起漏料检测装置失灵，澳大利亚西部铁矿，对盘式漏料 检测器进行改进。在该装置上改用一块与水平面成3 0 度角的薄橡皮，在其下方安 装了许多微型限位丌关。如输送带撕裂，有大量的物料散落到橡皮上，就把橡皮 压下，触动限位开关。在输送带正常运行时，倾斜的橡皮随风摆动，把落在椽皮 上的灰尘抖掉，避免了灰尘堆积造成的误触发。 图卜6 漏料检测器 ( 7 ) 带宽检测器 在有些情况下，输送带被撕裂后可能出现两半边的输送带互相重叠起来，把 裂口封住，物料不能漏到漏料检测器的托盘中，便起不到检测作用。在这种情况 下，可安装一种带宽检测器。它是利用与输送带边缘相接触的检测辊或利用超声 波距离测量来检测输送带宽度的。 带宽检测器，需要安装可调的时问继电器，以防止某段边缘被磨损的输送带 通过检测器时，发生误动作。这种装置的特点是，只有当被撕裂的输送带两半边 重叠起来时才起作用。所以，这种装置与漏料检测器配合使用，将有较显著的效 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 果。 ( 8 ) 金属线圈检测器 金属线圈检测器于1 9 7 0 年首次在美国投放市场后，许多橡胶公司根据该原理 各自做些改进，并取得专利权。 该检测器是在胶带两侧装有信号发生器和信号接收器，在胶带中每隔一段距 离埋入线圈，如果胶带完好，当有线圈通过时，信号接收器可收到脉冲信号；如 果胶带撕裂，线圈也被破坏，接收器收不到信号，则报警。图1 7 为此装置示意图。 电磁波发射器胶带电磁波接收器 图卜7 金属线圈检测器 目前制造这种装置的有美国b e g o o d r i c h 公司，19 7 5 年起批量生产s e n t r ei 型撕裂检测装置：1 9 8 1 年起生产s e n s ei i 型检测装置。同本横滨橡胶公司自1 9 7 3 年以来生产yi i 型共振线路检测装置。另外美国g o o d y e a r 轮胎和橡胶公司也生产 这种装置。金属线圈型检测器检测准确度高，但价格很贵。早期的金属线圈型检 测器使用寿命较短，由于冲击载荷或金属线圈在成槽弯曲处或绕过滚筒的弯曲致 使线圈损坏。 1 3 3 输送带纵向撕裂监控技术的历史及现状 近几年来，国内也有一些单位研制了输送胶带纵向撕裂保护装置，多数为物 料泄漏器一类。有弦线式，杠杆式，带条压敏式等。如我国石臼港的带式输送机 安装了棒型检测器装置。棒型检测器也已广泛用于澳大利亚西部铁矿的带式输送 机系统。我国沈阳外围设备研究所已研制了接触形带式开关。国内的多数企业采 用物料泄漏式，即输送带撕裂后，其上输送的物料将通过裂口泄漏，所漏物料堆 积在托盘上，待达一定重量后将压其下方的丌关，发出停机信号。这一类检测器 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 的优点就是结构简单，安装使用方便，价格便宜，维修量少。但这类装置需在胶 带撕透，物料落到传感器或从侧面碰到传感器时才投入保护，并且容易出现误动 作。 目前国外较为先进的检测方法有超声波扫描技术、x 光探伤、原子物理方法、 嵌入法等。比较这几种方法，超声波技术在使用上有局限性，只能用于地面的输 送机上。而且中问环节多，系统设备多，耦合问题较为复杂。x 光探伤检测精度 较高，但不宜在恶劣环境下操作，要求带速不可过高，且费用较高。原子物理法 还在研究讨论中。嵌入法应用较多，嵌入法是在胶带中埋金属导线或导电橡胶【1 8 】， 光导纤维等，当胶带被撕裂后，嵌入胶带中的物体也被撕裂，检测信号中断，控 制停机。埋设导电橡胶，光导纤维工艺复杂，成本高。另外，从某种意义上说， 由于嵌入物与橡胶之问有一个相容性问题，如果处理不善，会降低胶带的强度【1 9 1 。 预埋金属导电线圈在国外应用比较广泛，虽然理论上可以达到较高检测精度，实 现无损检测，但由于其电磁信号的检测需要发射和接受两部分组成，现场操作比 较困难，成本也比较高。 1 3 4 射频识别技术的特点 射频识别( r f i d ) 技术是从上世纪8 0 年代走向成熟的一项自动识别技术，近 年来发展十分迅速。r f i d 技术可以用来识别和跟踪几乎所有物理对象，并由此可 以构建一个容纳和连结世界上所有物品的广泛的智能网络，r f i d 技术发展带来的 影响将改变我们的生活，给全世界带来一场新的技术革命b 。 r f i d 技术的覆盖范围广范，许多正在应用中的自动识别技术虽然都可以归于 r f i d 技术之内，但它们的工作原理、工作频率、技术特点、适用领域以及遵循的 标准却是不同的。可以说未来r f i d 技术是由一系列不同特点的自动识别技术有机 组成的，这些不同的技术在应用中相互竞争的同时相互弥补。 与传统的自动识别系统( 如条形码) 相比，r f i d 技术具有很多优势：可以定 向或不定向的远距离读取或写入数据，无需保持对象可见；可以透过外部材料读 取数据；可以在恶劣环境下工作；可以同时处理多个电子标签；可以储存的信息 量很大；可以通过r f i d 标签对物体进行物理定位等等。币因为r f i d 技术有如此 多的优点，所以它得到了广泛的应用【2 2 1 。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 4 输送带纵向撕裂监控系统分析 输送带纵向撕裂监控系统主要要求监控的实时性，准确性，无损性。纵向撕 裂监控系统主要应用了电磁波传播理论、天线理论、无线电理论【2 4 1 、射频识别 技术、雷达技术和单片机控制技术【2 ”。 图卜8 输送带纵向 斯裂监控系统 图1 - 8 为本文设计的非接触式胶带纵向撕裂监控系统，主要由信号识别系统 ( 其中包括预埋入强力输送胶带中的传感线圈，信号识别器) 、长度测定系统、单 片机系统、串行通讯、电源、报警系统、显示系统、存储器系统、驱动系统、监 控系统、串行通讯组成。 胶带纵向撕裂监控系统工作过程为首先把带有不同识别信息的传感线圈预先 埋入胶带中，如图i - 9 所示。纵向撅裂监控设备放置在输送胶带的正下方，容易撕 裂的地方可以多放置几个。传感线圈随输送胶带移动方向移动，当传感线圈从纵 向撕裂监控设备上方通过时，纵向撕裂监控设备通过信号识别器检测到并接收传 感线圈的识别信息。长度测定系统的测量信息以脉冲形式发送给纵向撕裂监控设 备的单片机系统。单片机系统记录两个传感线圈之涮的长度脉冲数，用来计算传 感线圈之间的距离。记录完一圈传感线圈之f n j 的距离后，把计算得出的数据存储 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 到存储器系统中并开始监控，当长度测定系统的脉冲计数超过所记录的相应传感 线圈之间脉冲数还没检测到下一个传感线圈则报警、控制停机、显示撕裂长度。 在第一圈记录时，也设定计数器的计数为传感线圈之间的最大距离，防止在第一 圈记录时有撕裂状况发生。 强力输送胶带 预埋传感线圈 纵向撕裂监摔设备 带柯磁铁的检测托滚 测定系统 图卜9 输送带纵向撕裂监控系统示意图 信号识别系统是纵向撕裂监控系统的重要组成部分，它主要用来把胶带的撕 裂信号转换成单片机能够识别的数字信号。信号识别系统主要应用目前发展较快 的射频识别技术，此技术在信号识别系统中应用的可行性分析在第2 章中详细讨 论。信号识别系统主要由信号识别器和传感线圈组成。传感线圈作为胶带是否撕 裂的信息载体，预埋在胶带内，当其完好的通过信号识别器，信号识别器能够检 测到传感线圈并读出其中的识别码，信号识别器能够把检测到的信号通过转换电 路，传送给单片机系统。信号识别系统的研制在第3 章中描述。 为了确定输送带所埋线圈之问的距离和撕裂后的撕裂长度，该系统需要引入 长度测定系统。测量输送带长度的传感器有很多种，其中利用霍尔元件测量长度 可靠性较高，装置体积小，结构简单，信号处理较为方便，较适合用于煤矿等环 境较差的地方。此种测量长度的传感器利用霍尔元件的原理，实现检测长度非接 触化，对输送带传送系统及其他重要设备几乎没有影响。霍尔元件传感器接收到 交变的磁信号，把这种磁信号转换成单片机系统能够识别的信号传送给单片机系 统【2 6 1 ，在第4 章的4 1 6 节中，设计了氏度测定系统。 在纵向撕裂监控系统获得信号识别系统的信号和长度测定系统的信号后，单 青岛理工大学工学硕士学位论文 片机系统要对这些信号进行分析，处理，来判断胶带是否撕裂及撕裂长度，并且 根据分析结果对显示系统、驱动系统、报警系统发出命令。在单片机系统的工作 过程中要把一些信息存储到存储器系统中，并且，单片机系统的工作还要受监控 系统的监控，防止程序跑飞。电源用来给整个系统供电，串行接口用来向外传输 系统中的数据。这些系统在纵向撕裂监控系统中都非常重要，它们应用了单片机 控制技术，第4 章研制了这一部分并开发了相应的软件系统。 1 5 本文的主要研究工作 本文主要进行了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 深入研究已有的纵向撕裂监控技术，提出了基于射频识别技术和单片机技 术的纵向撕裂监控办法。从理论上验证监控系统的可行性，确定传送电磁波的方 向、频率。 ( 2 ) 根据射频识别技术研制信号识别系统，其中包括传感线圈和与之相应的信 号识别器。做试验测量检测的信号，确保接收到的信号抗干扰能力强，易识别， 灵敏度高。 ( 3 ) 研制纵向撕裂监控系统的硬件系统和软件系统，能够对接收到的数字信号 有效的记录、判断、及时输出正确的报警或停机信号，并能输出撕裂的大致长度。 ( 4 ) 组装监控系统，在实验室条件下，进行试验。对信号识别系统和纵向撕裂 监控系统进行检验，对监控系统进行改进，加强抗干扰能力。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章射频识别技术应用可行性分析 2 1 射频识别技术应用系统组成 本论文研制的非接触式纵向撕裂监控系统的信号识别系统应用了射频识别技 术，实现了非接触检测撕裂信号。预埋入胶带中的传感线圈作为胶带是否有撕裂 情况的信息载体，此信号全部由无线电传播给信号识别器。 在传感线圈结构完好的情况下，当传感线圈进入信号识别器的响应范围内， 传感线圈可咀同信号识别器进行无线数据传输。当胶带有撕裂状况发生时，信号 识别器没有接收到传感线圈传输的数据，信号识别器则判定输送胶带撕裂。 信号识别系统是由预埋入胶带中的传感线圈和信号识别器组成的。 2 1 1 信号识别器的组成 信号识别器可以用于读写电子数据载体( 本文中的传感线圈是电子数据载体 的一种) ，取决于所使用的结构和技术。信号识别器通常由m c u 、r f 模块、 e e p r o m 、电源电路、时钟产生电路、时间电路、l e d 、g a l 、r s 2 3 2 接口以及 天线等部分组成，如图2 1 所示。 图2 - 1 信号识别系统的组成 m c u 用来控制和协调信号识别器的各功能模块的工作； r f 模块和天线实现了和传感线圈之间的通信； e e p r o m 作为m c u 的扩展存储器，用于存放指令和数据； 电源电路、时钟产生电路供给系统f 常工作所需的电压和时钟信号 青岛理工大学工学硕士学位论文 时间电路向系统提供时间信息； l e d 是系统的可视接口； r s 2 3 2 实现系统与p c 机之间的通信； o r f 模块包含有高频发射器和接收器、与天线系统连接的耦合器件等。 2 1 2 传感线圈的原理与组成 传感线圈是信号识别系统真正的数据载体。传感线圈由耦合元件( 即作天线 用的大面积线圈) 以及微电子芯片组成。在信号识别器的响应范围之外，传感线 圈处于无源状态。传感线圈没有自己的供电电源，只有在信号识别器的响应范围 之内，传感线圈才是有源的。天线是传感线圈和信号识别器之间信号和能量传递 的中介。传感线圈的微电子芯片根据信号识别器的指令，做出相应的操作和响应， 其结构如图2 2 所示。 射频接 2 1 数字部分 电源产生稳压调节控制模块运算模块 信号解调数据调制加密单元校验单元 时钟提取复位产生 防冲突e e p r o m 接口 e e p r o m 系统 图2 - 2 传感线圈中微电子芯片的内部结构 微电子芯片主要由射频接口电路、数字电路、和e e p r o m 系统三个部分组成。 射频接口电路主要有四个功能：一是为传感线圈内部各部分电路提供工作时 所需要的能量，这是通过电源产生电路和稳压调节电路完成的：二是从载波中提 取电路正常工作所需要的时钟信号，由时钟提取电路实现；三是将调制在载波上 的指令和数据解调出来供数字部分处理以及对待发送的数据进行调制，这由调制 和解调电路实现：四是在传感线圈进入场区或是在工作电压过低时，为防止出现 逻辑混乱而采取的上电复位和下电复位，由复位电路实现。 数字部分由控制模块、运算模块、解密单元、校验单元、防冲突控制单元和 e e p r o m 接口等部分组成。各模块在控制模块的有限状念机的控制下，通过软件 硬件相结合的手段确保信息的安全性和数据的完整性，并对信号识别器的指令进 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 行响应。 e e p r o m 存储电路用于对微电子芯片中的关键数据进行存储，它通过 e e p r o m 接口电路与数字部分进行通信，为数字部分提供必要的数据以及存储某 些指令执行后的结果。由于e e p r o m 存储单元在执行写操作时需要1 0 v 2 0 v 的 高压，因此系统内含有高压产生和控制电路。 2 2 信号识别器与传感线圈之间的能量传输 2 2 1 信号识别系统能量传输 传感线圈工作所需要的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元( 非 接触的传输) 传输给传感线圈的。传感线圈在工作时，本身是没有电源的。这意 味着：微型芯片工作所需的全部能量必须由信号识别器提供。在传感线圈和信号 识别器接收数据期间，它一方面从接收到的信号中解调出数据信息，另一方面从 接收到的信号中提取能量。 高频的强电磁场由信号训别器的天线线圈产生，这种磁场能穿过传感线圈横 截面积和传感线圈周围的空间。因为使用频率范围( 1 3 5 h z ；2 4 0 0 m ) 内的波长 比信号识别器天线和传感线圈之问的距离大好多倍，可以把传感线圈到天线的距 离间的电磁场当作简单的交变磁场来对待。 发射磁场的- - , j , 部分磁力线穿过距信号识别器天线线圈一定距离的传感线圈 的天线。通过感应，传感线圈的天线线圈上产生一个电压。将其整流后作为数据 载体( 微型芯片) 的电源。将一个电容器c r 与信号识别器的天线线圈并联，电容 器电容的选择依据是：它与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与信号识别器发 射频率相符的并联振荡回路。该回路的谐振使得信号识别器天线线圈产生非常大 的电流。传感线圈的天线线圈和电容器构成振荡回路，调谐到信号识别器的发射 频率。通过该回路的谐振，传感线圈天线上的电压达到虽大值 2 7 】。图2 3 为能量 传输示意图。 两个天线的结构也可以解释作变压器( 变压器的耦合) ，变压器的两个线圈之 间只存在很弱的耦合。信号识别器的天线线圈与传感线圈之间的功率传输效率同 工作频率f 、传感线圈天线的匝数n 、被传感线圈天线包围的面积a 、两个线圈的 相对角度以及它们之问的距离成比例。 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 - 3 电感耦合传感线圈的能量交换 2 2 2 信号识别系统畿量传输的理论分析 传感线圈通过其天线l 2 与信号识别器天线l 1 之间的互感获得工作电压以及 时钟和数据信号。其中传感线圈内的工作电压经过整流、滤波、稳压、限幅等电 路而获得，用以维持非接触传感线圈f 常工作的需要。 为了理解电感耦合射频信号识别系统中传感线圈的供电，考察电磁感应对电 感耦合导体回路的影响。理论分析如下： 传感线圈天线l 2 所感应到的开路电压与信号识别器天线l 1 上的电流 卜。之间的函数关系为 。= m 钆一， ( 2 1 ) 互感系数m 可以根据b i o t - s a v a r t 定理和f a r a d a y 定理推导得出 m 叫“赤 池z ， 式中- 厂工作频率 “。真空磁导率( 此处不考虑磁性材料) a 传感线圈天线的总等效面积； r 信号识别器天线的半径； 耦合距离( 如图2 - 4 所示) 。 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 a 二) l 2 f l 1 图2 - 4 传感线圈与信号识别器问的耦合距离 根据式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可知在特定的工作频率下，当信号识别器天线的形状、 几何尺寸以及电流，忙，的大小一定时，传感线圈天线l 2 所感应的开路电压，一，取 决于传感线圈天线的总等效面积a 和耦合距离爿。 开路电压感应，一，作为电压源，经过由传感线圈天线l 2 的电感厶、寄生电容 e 、寄生电阻r ，、调谐电容c 、芯片等效负载吼所组成的电阻电容网络的分压， 最终得到传感线圈的输入电压v l ，如图2 5 所示。 图2 - 5 传感线圈输入电压v l 的产生 传感线圈的输入电压圪与，一，之间的电压传递系数k 为 k = 【l + ( ，2 矿，+ 月，) o r + j 2 可c ) 1 ( 2 3 ) 式中c = c ，+ c 。对式( 2 3 ) 取模得 k = 【扛万瓦瓦i 可面i 巧可万可订r ( 2 4 ) 从上式得出，在一定工作频率下，当负载r ，一定时( 传感线圈的等效电阻一 般为2 8 k u 2 ) ，电压传递系数k 的大小由谐振回路各参数t 、c 、r ，的大小进行 调节，由式( 2 4 ) 可得： k f 可万丽j 再瓦万而一 ( 2 5 ) 令f o = 扛f “2 万 ( 2 6 ) 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 、当r ， r 。时，k 的极大值为 k 。= 0 2 ) 、砑可 ( 2 7 ) 此时 f o = r 扛丽 ( 2 8 ) l ，= r 。r l 2 矾 ( 2 9 ) c = 1 ( 2 矾缸万) ( 2 1 0 ) 负载r 。上的最大瞬态功率为 p m 。= 喙，4 r ， ( 2 - 1 1 ) 2 、当r ，r l 时，k 的极大值为 k 。= 1 ( 1 + r 。r ) ( 2 1 2 ) 此时0 9 0 = o o 即l c = 0 ，负载吼上的最大瞬间功率为 尸m 。= 嘭一，r 。( r ，+ 凡) 2 ( 2 - 1 3 ) 从上面的分析可知，在一定的电磁场中，传感线圈天线供给本系统的功率， 在经过调谐后，主要取决于其总等效面积a ( 决定- 丌路电压感应，一，的大小) 和 寄生电阻值r 。但是，不能认为总等效面积爿越大，传感线圈天线能供应的功率 越大；寄生电阻值r 。越大，传感线圈天线能供应给本系统的功率越小，这是因为月、 l ，、c ，的值均由天线的几何尺寸决定，彼此之问相互影响。因此，在设计天线时， 需要根据具体情况进行优化。 2 3 信号识别器与传感线圈之间数据的传输 2 3 1 传感线圈到信号识别系统的数据传输 在信号识别系统中，传感线圈的应答响应是在信号识别器接通高频电磁场的 情况下发送出去的。因为与信号识别器本身的信号相比，传感线圈的信号在接收 天线上是很弱的，所以必须使用合适的传输方法，以便把传感线圈的信号与信号 识另j l 器的信号区别丌来。在实践中，人们从传感线圈到信号识别系统的数据传输 青岛理工大学工学硕士学位论文 使用负载调制。 正如已经指出的那样，对电感耦合系统来说是一种变压器耦台型，即作为初 级线圈的信号识别器和作为次级线圈的传感线圈之间的耦合。只要线圈之间的距 离不大于0 1 6 k ( 波长) ，并且传感线圈处于发送天线的近场之内，变压器耦合就 是有效的。 如果把谐振的传感线圈( 就是说传感线圈的固有谐振频率与信号识别系统的 发送频率相符合) 放入信号识别器天线的交变磁场中，该传感线圈就从磁场中取 得能量，如图2 - 6 所示。 带通滤被器 图2 - 6 通过场效应晶体管源一漏电阻的变换在线圈中产生负载调制 从信号识别器天线的电流在信号识别器内阻r 上的压降可以测得此附加功 耗。传感线圈天线上的负载电阻的接通和断丌促使信号识别器天线上的电压发生 变化，实现用远距离传感线圈对天线电压进行振幅调制。如果通过数据控制负载 电压的接通和断开，这些数掘就能够从传感线圈传输到信号识别系统，该数据传 输方式称之为负载调制。为了在信号识别器中回收信号，需要对在信号识别器天 线上测得的电压进行整流，即对经过振幅调制的信号进行解调。 2 3 2 信号识别器与传感线圈数据传输的理论分析 信号识别器等效电路如图2 7 所示。上。表示信号识别器的天线，电阻如相当 于上。的线绕电阻。为了在信号识别器工作频率为厶的情况下使流过k 的电流最 1 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 大，与串联电容c 。形成谐振频率厶= 厶的串联谐振电路。 如果现在有一传感线圈进入导体回路k 的交变磁场中，就可以检测到电流f 。 的变化，在传感线圈天线中感应的电流f ：。通过互感磁通量对电流i 。起反作用。 为了简化互感对电流i 。影响的数学描述，是用一个假象的阻抗z ，来描述互感对电 流 c n 高频信号 接收数据 图2 7 信号识别器等效电路 i 。的影响，z ，取值有限，并且满足：如果没有互感即信号识别器交变磁场内没有 传感线圈，则z = o 。因此串联谐振电路部分的等效电路如图2 8 所示。 由于流过串联谐振电路的i 。是稳定的，所以： 1 = i i r + ，越r i + r ”j n j c o m i 2 m ( 2 1 4 ) ，巩r 当信号识别器串联谐振电路发生谐振时，1 j c o c 。和j c o l 。互相抵消，因此： ”o = r l e i n j c o m i 2 ，一p ( 2 1 5 ) 根据图2 5 ，流过传感线圈的电流f ：。是电压砭，除以阻抗j c o l ，、r 。和 1 ( 1 r 。+ ，嬲) 之和的商，所以 青岛理工大学工学硕士学位i 仑文 = r a 如一j o m 卫生_ 一 e + j o l , - 。! 磊1 尺， 。 ( 2 一1 6 ) 碣卜，洲j 堂l t r ，+ j c o l , + 1 l + j o j c 月 实际线圈 图2 - 8 信号识别器串联谐振电路等效电路图 通常互感系数吖计算是不实际的，所以换成耦合系数k 。由于互感系数m 和 耦合系数世具有以下关系： 最后得到z r 的表达式 k ：型尘 l f l 。 2 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 青岛理工大学工学硕士学位论文 z ，2 意嚣 协1 9 ) 通过传感线圈中负载电阻r 或并联电容c 在数据流时钟下的变化来调制z ，