機(jī)械畢業(yè)設(shè)計（論文）-摩檫式提升機(jī)鋼絲繩張力檢測系統(tǒng)設(shè)計（全套圖紙）

1、.摘 要提升是煤炭行業(yè)里的重中之重。目前煤礦上大多采用多繩摩擦式提升機(jī)。是依靠鋼絲繩與摩擦輪襯墊之間的摩擦力來提升。由于眾多因素的影響，在使用一段時間后,會使各鋼絲繩之間受力不均、張力不平衡，這將會造成鋼絲繩的疲勞破壞和摩擦襯墊的早期報廢，甚至?xí)斐苫K、斷繩等重大事故。因此，在線檢測各鋼絲繩張力的情況一致，保持鋼絲繩受力一致對延長鋼絲繩的壽命、減輕襯墊磨損、保證設(shè)備安全運行有著很重要的意義。本文在參考分析其他資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計了摩擦提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)分為機(jī)械裝置和信號測試兩部分。機(jī)械裝置是由支架 壓輪 底座 軸 軸承等主要部件組成。并根據(jù)實際工作情況等因素，合理選擇加工材料

2、，確定支架和底座的外部尺寸，并對軸及軸承等進(jìn)行強(qiáng)度校核和壽命計算。以來完成用直接接觸法測量各鋼絲繩的張力。測試部分依次由彈性元件 放大裝置 濾波裝置 信號轉(zhuǎn)換裝置 處理裝置 顯示裝置組成。從而使所測得的張力一步步由力信號通過彈性元件轉(zhuǎn)換成電信號再通過信號放大 濾波 采集進(jìn)而顯示出鋼絲繩的張力的大小。該測試系統(tǒng)將用于實踐，會對安全生產(chǎn)起到積極的作用。關(guān)鍵詞： 多繩摩擦提升機(jī)； 鋼絲繩；張力傳感器 全套圖紙，加153893706 Abstract Enhance the coal industry a top priority. Most of the current use of coal on

3、 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 linin

4、g 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 significanc

5、e. 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.

6、 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

7、parts of this device by the elastic 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 ampli

8、fication and thus show the size of wire rope tension. The test system will be applied in practice, it will play a positive role safety. Key words： multi-rope friction hoist；rope；tension sensor 目 錄摘要IAbstractII第1章緒 論11.1 課題的研究意義和內(nèi)容11.2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢2第2章鋼絲繩張力檢測方案系統(tǒng)設(shè)計42.1 設(shè)計方案的制定42.1.1方案一 （三點法）42.1.2 方案二（直接接

9、觸法）52.2 檢測裝置部分的設(shè)計72.3 信號處理部分的設(shè)計8第3章 鋼絲繩張力檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計103.1 引言103.2 檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計113.2.1 壓輪的設(shè)計113.2.2 軸的設(shè)計計算113.2.3 軸承的選擇設(shè)計計算133.2.4 彈性元件的設(shè)計計算143.2.5 支架的設(shè)計173.2.6 支架的移動和固定173.3 力傳感器的設(shè)計193.3.1 傳感器的簡述193.3.2 應(yīng)變片的選擇203.3.3 電阻應(yīng)變片的測量電橋電路22第4章 鋼絲繩張力檢測處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計254.1引言254.2傳感器信號的前置放大254.3濾波電路設(shè)計與分析274.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計30

10、4.5 8051芯片的介紹324.6 I/O口擴(kuò)展芯片8155的介紹334.7操作控制和顯示器電路的設(shè)計354.7.1 操作控制的設(shè)計354.7.2 顯示器接口電路設(shè)計364.8 打印機(jī)接口電路的設(shè)計394.9 張力測試系統(tǒng)圖40結(jié) 論41致 謝42參考文獻(xiàn)43Directory AbstractIAbstractIIChapter 1 INTRODUCTION The11.1 The issue of meaning and content11.2 The development trend of domestic and foreign2Chapter 2 Design of Wire R

11、ope Tension Detection Scheme22.1 The design of the development42.1.1 Option One (three-point method)42.1.2 Option II (direct contact method)52.2 The detector part of the design72.3 The design of signal processing8Chapter 3 Structural Steel Design tension detecting device103.1 Introduction103.2 Detec

12、tion of Structure Design113.2.1 Design of the roller113.2.2 shaft design calculation113.2.3 Design and Calculation of bearing selection133.2.4 Calculation of elastic components143.2.5 Design Support173.2.6 Support mobile and fixed173.3 Force Sensor193.3.1 Sensor Description193.3.2 Strain gage select

13、ion203.3.3 Measurement of electrical resistance strain gauge bridge circuit22Chapter 4, Wire Rope Tension Measurement processing system hardware design254.1 Introduction254.2 Sensor signal preamplifier254.3 Filter Circuit Design and Analysis274.4 A / D converter circuit304.5 8051 chip introduced324.

14、6 I / O port expansion introduction of chip 8155334.7 Design of operational control354.7.1 Design of operational control354.7.2 display interface circuit design364.8 Printer Interface Circuit394.9 Tension test system diagram40Conclusions41Acknowledgements42References 43.;3838第1章緒 論1.1 課題的研究意義和內(nèi)容多繩摩擦

15、式提升機(jī)是礦山提升物料的主要設(shè)備，它是依靠鋼絲繩與摩擦輪襯墊之間的摩擦力來提升。由于眾多因素的影響，在使用一段時間后,會使各鋼絲繩之間受力不均、張力不平衡，這將會造成鋼絲繩的疲勞破壞和摩擦襯墊的早期報廢，嚴(yán)重時會造成斷繩重大事故。因此，保持各鋼絲繩張力的一致，對延長鋼絲繩的壽命、減輕襯墊磨損、保證設(shè)備安全運行有著很重要的意義。根據(jù)煤礦安全規(guī)程規(guī)定，任一根鋼絲繩的張力與平均張力之差不得超過10%。因此對鋼絲繩的承載大小及各鋼絲繩之間張力平衡狀態(tài)進(jìn)行在線測量，將有助于及時掌握鋼絲繩受力狀態(tài)的變化，進(jìn)而做出及時調(diào)整，從而保障提升機(jī)的安全工作。在我國的礦井提升系統(tǒng)中，由于缺乏直接的測量索張力的裝置，對

16、于鋼絲繩的受力情況一直以來只是采用標(biāo)記法，或是憑借感官經(jīng)驗來判斷，或者是采用振動法，此方法就是在停機(jī)狀態(tài)下，一根一根分別檢測，這種方法效率低、勞動量大，也缺乏科學(xué)性,而且檢測誤差大。近年來有的科研單位研制了靜態(tài)裝置，但不能實現(xiàn)實時監(jiān)測。礦井提升機(jī)運行過程中存在著不可預(yù)測的潛在危險。例如，提升機(jī)運行過程中的可能出現(xiàn)的卡罐|（或箕斗），從而引起鋼絲繩松繩或緊繩，突然啟動和停止會產(chǎn)生過大的沖擊振動，導(dǎo)致在線斷繩，有時還會過載打滑，引起“礅罐“、“墜斗“等事故。根據(jù)我國的礦井提升的狀況，急需研制提升機(jī)鋼絲繩張力在線監(jiān)測儀。因此，我們急需在這種情況下研發(fā)出一種既可以在線檢測各鋼絲繩張力的傳感器又可以適應(yīng)

17、該系列的其他提升設(shè)備的鋼絲繩的檢測，使得在線檢測變的簡單可行。況且，要求該檢測裝置價格廉價，適應(yīng)性廣，并采用計算機(jī)技術(shù)明顯顯示出各繩的張力并加以比較。從而，為監(jiān)測者提供可靠的依據(jù)，為及時調(diào)整各鋼絲繩的張力平衡提供可靠的資料，以防止發(fā)生事故的發(fā)生，對煤礦安全生產(chǎn)有著重要的意義。多繩摩擦式提升機(jī)鋼絲繩的張力檢測系統(tǒng)主要是運用于對多繩摩擦式提升機(jī)進(jìn)行在線系統(tǒng)的張力檢測。該系統(tǒng)可以運用于同一系列的不同種類的提升機(jī)設(shè)備的鋼絲繩的張力檢測。該鋼絲繩的檢測系統(tǒng)可以在在線狀態(tài)下檢測出多繩提升機(jī)的每一根繩的張力大小，并能通過單片機(jī)的對其進(jìn)行處理，在單片機(jī)的顯示系統(tǒng)下，能夠自動、準(zhǔn)確、可靠指示每一根鋼絲繩所受力的

18、情況。讓檢測人員對每根鋼絲繩的張力時時刻刻都有一個清晰的了解，隨時掌握鋼絲繩的受力狀況，并能夠及時地采用合適的方法對鋼絲繩進(jìn)行張力平衡，以避免發(fā)生嚴(yán)重事故?？梢哉f，該系統(tǒng)可以為以后的鋼絲繩防滑及防止出現(xiàn)事故提供可靠的依據(jù)和保障。1.2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢現(xiàn)在，國內(nèi)外己經(jīng)有同類產(chǎn)品問世，例如煤炭科學(xué)總院開發(fā)的RTCA多繩提升鋼絲繩張力測定儀、中國礦業(yè)大學(xué)科技開發(fā)中心研制的LC型提升機(jī)鋼絲張力在線檢測系統(tǒng)以及瑞典ABB公司開發(fā)的礦井提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)等。瑞典ABB公司的礦井提升機(jī)鋼絲繩張力監(jiān)測系統(tǒng)命名為ABBDYNAME該系統(tǒng)能對鋼絲繩的實際張力進(jìn)行連續(xù)檢測，并且該設(shè)備己經(jīng)在有的礦井投入使用過。

19、但是由于該設(shè)備采用有線傳輸，系統(tǒng)價格昂貴（一套監(jiān)測裝置 25萬美元），而且安裝不便且維修費用極高，由于經(jīng)濟(jì)原因目前國內(nèi)還沒有廠家使用。隨著信息數(shù)字化、控制智能化的發(fā)展，國內(nèi)外的提升設(shè)備鋼絲繩張力監(jiān)測水平已有較大進(jìn)步，功能和自動化程度都有較大提高。但總體來看，還存在著兩個問題。第一，進(jìn)口儀器普遍價格昂貴，且功能方面不能完全滿足生產(chǎn)的實際需要，鑒于目前我國礦山企業(yè)的現(xiàn)狀，這些進(jìn)口儀器很難得到普及。第二，國產(chǎn)的在線監(jiān)測設(shè)備整體水平還比較低，不能適應(yīng)礦井復(fù)雜的工作環(huán)境，難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。針對這種現(xiàn)狀，并為滿足有關(guān)企業(yè)的實際需要，設(shè)計了一種新型的提升機(jī)鋼絲繩張力檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)與其它同類產(chǎn)品相比

20、，具有設(shè)計新穎，操作方便、性能穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點，而且它是在地面上對鋼絲繩進(jìn)行檢測，可以排除其它同類產(chǎn)品因惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的影響，還便于檢測人員的監(jiān)測。國外雖在20世紀(jì)90年代初研制出鋼絲繩張力在線檢測系統(tǒng)，如英國邁克汗姆煤礦1989年研制成功了將傳感器技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的鋼絲繩張力在線檢測系統(tǒng)，瑞典、德國、美國也相繼研制出類似產(chǎn)品，但價格十分昂貴，不宜在我國引起推廣。我國自1985年以來也開展了鋼絲繩張力檢測傳感器的研究，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出礦井提升鋼絲繩張力檢測系統(tǒng)。但據(jù)調(diào)查煤礦生產(chǎn)實際使用率不高，尤其是在我省四大礦業(yè)集團(tuán)缺乏此類設(shè)備。目前，國內(nèi)采用鋼絲繩的設(shè)備和設(shè)施，大部分都沒有安裝張

21、力自動檢測系統(tǒng)。為了保證安全，一般采用定期更換鋼絲繩或人工的判斷更換時間的辦法，不但浪費大量鋼絲繩，而且斷裂事故時有發(fā)生，這主要是由于不能隨時檢測鋼絲繩張力，而容易引起事故。第2章 鋼絲繩張力檢測方案系統(tǒng)設(shè)計2.1 設(shè)計方案的制定2.1.1方案一 （三點法）整個測試系統(tǒng)分為傳感器部分和數(shù)據(jù)采集處理部分1、鋼絲繩張力測試儀固定在摩擦提升機(jī)架上，如圖1所示。2、通過在鋼絲繩上安放滾輪，使之產(chǎn)生形變，通過水平方向分力來計算鋼絲繩的縱向張力，如圖2所示。3、測量時滾輪在鋼絲繩水平壓力下產(chǎn)生位移，通過傳感器將之轉(zhuǎn)化為壓緊力信號。4、壓緊力信號經(jīng)過放大電路和濾波器后送入A/D轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)接口電路進(jìn)入單片

22、機(jī)進(jìn)行處理輸出，如圖2-3所示。 圖2-1 機(jī)械測試裝置 圖2-2 張力測試傳感原理 張力檢測裝置力的信號轉(zhuǎn)換換電橋轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器信號的采集濾波器信號處理信號顯示圖2-3 檢測流程圖2.1.2 方案二（直接接觸法） 該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用滾輪將鋼絲繩所受的力傳遞個下面起支撐作用的兩根懸臂梁，通過在兩根懸臂梁上貼應(yīng)變片測量該轉(zhuǎn)化的力進(jìn)而經(jīng)過換算，得到所要檢測的鋼絲繩的受力的大小如圖1 導(dǎo)向輪 2 滾筒 3 傳感器裝置 4 推進(jìn)裝置 5 壓輪圖2-4 鋼絲繩的檢測裝置一 測量時滾輪在鋼絲繩水平壓力下產(chǎn)生位移，通過傳感器將之轉(zhuǎn)化為壓緊力信號。二 壓緊力信號經(jīng)過放大電路和濾波器后送入A/D轉(zhuǎn)換電路，再

23、經(jīng)接口電路進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理輸出，如圖2-5所示。張力檢測裝置力的信號轉(zhuǎn)換換電橋轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器信號的采集濾波器信號處理信號顯示圖2-5 檢測流程圖兩個設(shè)計方案是經(jīng)過現(xiàn)場實習(xí)調(diào)查和查閱許多有關(guān)鋼絲繩張力檢測的相關(guān)資料的基礎(chǔ)確定的，對此課題所設(shè)計的內(nèi)容已基本掌握，同時對于目前礦井提升機(jī)鋼絲繩在線檢測的方法做了初步的調(diào)研。在前不久的實習(xí)調(diào)研過程中，還曾經(jīng)到雞西市杏花礦去現(xiàn)場調(diào)查研究，主要是對多繩摩擦式提升機(jī)的結(jié)構(gòu)布局狀況及空間位置進(jìn)行進(jìn)一步的了解。杏花礦采用的是JKM-3.25/4型號的多繩摩擦式提升機(jī)，該型號提升機(jī)的主導(dǎo)輪的直徑是3.25米，導(dǎo)向輪的直徑是3米，鋼絲繩所能承受的最大靜張力是450

24、000牛頓，鋼絲繩的最大的靜張力差為140000牛頓，它一共四根繩組成，鋼絲繩之間的間距為300毫米，每根鋼絲繩的直徑為32.5毫米。這些都是設(shè)計的基本數(shù)據(jù)，同時現(xiàn)場技術(shù)人員也為張力檢測的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一些思路和建議，為更好的完成設(shè)計提供了保障。從設(shè)計方案和技術(shù)上看機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)簡單容易加工制造，電路部分也都是目前成型技術(shù)，再加上我的指導(dǎo)老師在測試技術(shù)方面有多年的經(jīng)驗和技術(shù)，所以設(shè)計方案可行，并能夠達(dá)到預(yù)期的效果。方案一和方案二不僅可以實現(xiàn)靜態(tài)檢測,也可以在運行狀態(tài)下對鋼絲繩進(jìn)行在線檢測，它不僅不影響礦井提升機(jī)以及其它設(shè)備的正常工作，而且該系統(tǒng)的檢測精度高,可以將信息存儲,可隨時調(diào)用，為檢測人

25、員提供可靠有效的信息?？稍趯嶋H操作中方案一比較繁瑣，容易出錯，花費加大，不如方案二簡單方便。故選擇方案二。2.2 檢測裝置部分的設(shè)計在煤礦的基建和生產(chǎn)中，連續(xù)、實時地檢測鋼絲繩的載荷重量及鋼絲繩的張力的大小，并根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和計算等，將有利于提高鋼絲繩的安全運行和使用壽命的提高。本論文所提供的鋼絲繩的張力檢測系統(tǒng)是在參考其他多種檢測方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計的一種較為方便、簡單、有效的鋼絲繩張力檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用壓輪-力電轉(zhuǎn)換傳感器法為原理，具有以下的特點： (1) 檢測的總張力范圍在0-40噸之間; (2) 可以同時檢測4根鋼絲繩的張力; (3) 可以檢測的鋼絲繩的直徑在F22-50毫米之

26、間。鑒于調(diào)研的實際情況，針對型號JKM-3.25/4的多繩摩擦式提升機(jī)進(jìn)行本系統(tǒng)的設(shè)計。型號為JKM-3.25/4的主要參數(shù)如表2-1所示：表2-1 JKM-3.25/4型號的主要參數(shù)主導(dǎo)輪直徑導(dǎo)向輪直徑鋼絲繩最大張力鋼絲繩最大靜張力根數(shù) 鋼絲繩 最大 直徑鋼絲繩之間間距最大提升速度3.25m3m45t10t4 32.5mm300mm12m/s 此外，如果對現(xiàn)有的檢測裝置稍加改進(jìn)，就可以運用其對多根鋼絲繩的張力檢測，且具有測力準(zhǔn)確，精度高，在超載或鋼絲繩之間的張力不均勻程度超過一定的范圍時還具有報警的功能。檢測系統(tǒng)的組成如下框圖2-6所示 。力傳感器采用的是電阻應(yīng)變片式的，它將鋼絲繩的張力信號

27、轉(zhuǎn)換成與之成線性關(guān)系的電壓信號輸出，該電壓信號之后進(jìn)入信號的處理裝置進(jìn)行處理。信號處理裝置采用的是單片機(jī)，它主要完成對輸入的多路信號進(jìn)行采集、放大、濾波等各種處理和加工等，并根據(jù)需要輸出多種方式的信息，以便使用。本系統(tǒng)的力傳感器是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的需要而自己設(shè)計制做的檢測裝置上貼上電阻應(yīng)變片而自行設(shè)計制作的。在把鋼絲繩的張力轉(zhuǎn)化成電壓信號之前，通過該結(jié)構(gòu)已經(jīng)把鋼絲繩的張力轉(zhuǎn)化成了作用在檢測裝置壓輪上的壓力，這一問題將在下一章的鋼絲繩的張力檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計中解決。信號處理裝置力 傳 感 器鋼絲繩壓 輪 圖2-6 鋼絲繩檢測系統(tǒng)框圖2.3 信號處理部分的設(shè)計 單片機(jī)因為具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高、性能價

28、格比高等許多優(yōu)點，因而成為研制信號處理裝置 中不可缺少的主要環(huán)節(jié)和重要組成部分，以實現(xiàn)以單片機(jī)為中心部件，與其他相關(guān)部分的結(jié)合共同組成整體裝置，在軟件的支持下，完成檢測、分析等各種任務(wù)。其本裝置的組成框圖如圖2-2所示。單 片機(jī)顯示器放大、A/D轉(zhuǎn)換 鍵盤 電源打印機(jī)圖2-7 信號處理裝置組成框圖裝置具有以下的主要功能特點： （1）系統(tǒng)具有自動檢測的功能； （2）本系統(tǒng)可以同時對多路信號進(jìn)行采集、檢測和處理； （3）可以顯示出當(dāng)前所檢測的鋼絲繩的張力值； （4）本系統(tǒng)還可以通過微型打印機(jī)將各根鋼絲繩的張力打印出來為以后的調(diào)用做準(zhǔn)備； （5） 在一根鋼絲繩的張力超出允許范圍時或系統(tǒng)出現(xiàn)問題時具有

29、報警功能； （6）允許技術(shù)操作人員通過鍵盤進(jìn)行人機(jī)通訊。第3章 鋼絲繩張力檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 引言本檢測裝置的結(jié)構(gòu)部分包括有總體支架、壓輪、彈性元件、安裝壓輪的軸、滾動軸承等幾部分組成，如圖3-1所示。下面針對幾部分做詳細(xì)的設(shè)計論述 1. 鋼絲繩2.軸3.軸承座4.壓輪5.彈性元件圖3-1 檢測裝置結(jié)構(gòu)簡圖 設(shè)計的主要參數(shù)檢測鋼絲繩數(shù)：4根 鋼絲繩直徑小于或等于50 mm 最大測力F=10噸 檢測裝置高度不超過1.5 M3.2 檢測裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2.1 壓輪的設(shè)計鋼絲繩直徑為32.5 mm取壓輪直徑為200 mm 。壓輪溝槽取64 mm 兩邊邊寬為8 mm 壓輪與鋼絲繩的夾角設(shè)為5&

30、#176;。壓輪溝槽取64 mm可放置直徑為30 mm-50mm的鋼絲繩。 圖3-2 壓輪簡圖 圖3-3 壓輪受力簡圖3.2.2 軸的設(shè)計計算根據(jù)壓輪的寬度選擇軸和壓輪配合處的長度為80 mm。為使壓輪在軸的軸向方向上很好的固定在軸上可設(shè)置一軸肩。選取軸受力點到軸承中點的距離為L=60 mm。軸的直徑可根據(jù)以知條件進(jìn)行計算選取。 圖3-4 軸的結(jié)構(gòu)簡圖最大張力為 （3-1） 選取傾角為 =5°選取軸受力點到軸承中點的距離為L=60 mm （3-2） （3-3） （3-4） 最大許用應(yīng)力 故d=40mma 軸的徑向力圖 b 剪切力圖 c扭矩圖圖3-5 軸的受力簡圖3.2.3 軸承的選擇

31、設(shè)計計算提升機(jī)提升速度選取為 （3-5） （3-6）初選軸承軸承為6206 由前面計算得知：軸承所受徑向力基本額定動載荷按文獻(xiàn)查的，沖擊負(fù)荷系數(shù) （3-7） （3-8）故滿足要求根據(jù)要求選軸承座GB7813-87 為了設(shè)計的需要需對軸承座進(jìn)行進(jìn)一步的加工改進(jìn)，以至更方便于應(yīng)用。取鋼45做簡支梁，作為應(yīng)變片的粘貼處3.2.4 彈性元件的設(shè)計計算1、彈性元件的剛度要求的計算 運用力學(xué)的方法，我們可以把放置應(yīng)變片的彈性元件簡化成兩端支撐的簡支梁，進(jìn)而來計算它的變形量。運用疊加法求彎曲變形可得，彈性元件的最大變形量（撓度）為： （3-9）彈性元件的最大轉(zhuǎn)角為： （3-10）其中 -彈性元件在力P作用下

32、的變形量； -彈性元件的在力P作用下的轉(zhuǎn)角； E材料的彈性模量；在這里取鋼的彈性模量為E=216GPa； I彈性元件的轉(zhuǎn)動慣量；其中對于橫截面為矩形的元件則； L彈性元件的長度； P作用在彈性元件中點即L/2處的力；要滿足彈性元件的剛度要求，則需要滿足： （3-11） （3-12） 其中 現(xiàn)設(shè)定彈性元件的長度L=480毫米，橫截面的寬度b=60mm、厚度h=35mm；則彈性元件的轉(zhuǎn)動慣量為 ；當(dāng)作用在單根鋼絲繩上的力F=10T時，經(jīng)過鋼絲繩檢測裝置的轉(zhuǎn)化，則作用在每個彈性元件上的力P=0.44T；則此時彈性元件的變形量為： （3-13）在的范圍內(nèi)；扭轉(zhuǎn)角為 所以有上述可知該彈性元件滿足剛度的要

33、求。2、彈性元件的強(qiáng)度要求計算彈性元件長為寬為=厚為=35mm （3-14） （3-15） （3-16）彈性元件的尺寸的選用符合要求a 彈性元件受力圖 b 彈性元件剪力圖 c 彈性元件扭矩圖圖3-6彈性元件的受力簡圖3.2.5 支架的設(shè)計為了節(jié)減經(jīng)費，在本設(shè)計設(shè)計中，支架采用45鋼做材料。同時考慮到每根鋼絲繩之間的間距以及彈性元件的尺寸，設(shè)置支架的總體長度為1564毫米，總體高度為632毫米，寬度為454毫米。為了保持支架的強(qiáng)度，在支架的中部，也就是安裝壓輪的中心部位，焊接有四根槽鋼為肋板，同時為了便于支架的固定和移動，在支架的兩側(cè)設(shè)置有四個長螺栓孔。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-7所示。 圖3-7 支架

34、的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2.6 支架的移動和緊固支架的移動是靠兩邊的可調(diào)螺柱實現(xiàn)的順時針逆時針的調(diào)節(jié)螺母可以實現(xiàn)支架的前后的較小量的位移，達(dá)到所需的位移時將兩邊的緊固螺母緊固從而固定住支架的位置。緊固力的校核，因為緊固螺母僅受橫向載荷，當(dāng)采用螺栓桿與孔壁留有間隙的普通螺栓連接時是靠連接預(yù)緊后在結(jié)合面間產(chǎn)生的摩擦力來抵抗橫向載荷，計算時可認(rèn)為，在橫向總載荷的作用下，各螺栓所承擔(dān)的工作載荷是均等的。因此每個螺栓所受的橫向工作剪力為，假設(shè)各螺栓所受的預(yù)緊力均為螺栓數(shù)目為，平衡條件為由此得預(yù)緊力為式中； 結(jié)合面的摩擦系數(shù)，見表55 結(jié)合面數(shù) =2 螺栓數(shù)目 =4防滑系數(shù)，=1.11.3對于普通螺栓連接，應(yīng)保證連

35、接預(yù)緊后，結(jié)合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。當(dāng) 。如果用這個力擰緊以下的鋼制螺栓時，就很可能過載擰斷。故盡可能不采用直徑過小的螺栓。該測試中所用的預(yù)緊力大于。故采用以上的螺栓。 螺栓的剪切強(qiáng)度條件為 =190250MPa,故的螺栓符合要求。3.3 力傳感器的設(shè)計3.3.1 傳感器的簡述 1. 傳感器的構(gòu)成 傳感器是一種以一定精確度把被測量的物理量（主要是非電量）轉(zhuǎn)換為與之有響應(yīng)確定關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量（主要是電量）的測量裝置。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。敏感元件 敏感元件是直接感受被測量量，并輸出與被測量量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件

36、 敏感元件的輸出就是轉(zhuǎn)換元件的輸入，轉(zhuǎn)換元件不輸入轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)。轉(zhuǎn)換電路 將轉(zhuǎn)換元件所輸出的電路參數(shù)接入轉(zhuǎn)換電路，便可以轉(zhuǎn)換成電量輸出。 實際上，并非所有的傳感器都有這些部分組成。有些部分簡單，有些則較為復(fù)雜。在目前，各式各樣的傳感器已經(jīng)被廣泛的使用到各個領(lǐng)域。傳感器由于種類繁多，分類方法也多種多樣，按照傳感器的工作機(jī)理，可將它分為物理型、化學(xué)型、生物型等；按照構(gòu)成原理，可分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩大類；按照傳感器的能量轉(zhuǎn)換情況，可分為能量控制型傳感器和能量轉(zhuǎn)換型傳感器；按照物理原理分類，可分為電參量式傳感器（包括電阻式、電感式、電容式等）、磁電式傳感器、壓電式傳感器、光電式等；按照傳感器的使用分

37、類，可分為位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、溫度傳感器等。 2、應(yīng)變式傳感器簡介 電阻應(yīng)變式傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、 體積小、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)快、適合靜態(tài)及動態(tài)測量、測量精度高等諸多優(yōu)點，因此是目前應(yīng)用最為廣泛的傳感器之一。電阻應(yīng)變式傳感器有彈性元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成。當(dāng)彈性元件感受被測量物理量的時候，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件表面的應(yīng)變片的電阻值將隨著彈性元件的應(yīng)變而相應(yīng)發(fā)生變化。通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值的變化，可以用來測量位移、加速度、力、力矩、壓力等參數(shù)。3.3.2 應(yīng)變片的選擇 1、金屬電阻應(yīng)變片的工作原理 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金

38、屬絲的電阻隨著它所受到的機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)一根金屬電阻絲，其電阻值設(shè)為R，電阻率為 ，截面積為A，長為L，則電阻值的表達(dá)式為 （3-17） 當(dāng)電阻絲受到拉力作用時將沿軸線伸長，伸長量設(shè)為，橫截面機(jī)相應(yīng)減小，電阻率的變化設(shè)為，則電阻的相對變化量為 （3-18）對于半徑為的圓柱體，。又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍之內(nèi)，則可得 （3-19）式中，為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；為電阻絲材料的泊松比，一般金屬的為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量。表示由于幾何尺寸變化而引起變化量，不同屬性的導(dǎo)體，這兩項所占的比例

39、相差很大。通常把單位應(yīng)變所引起的電阻值相對變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)，并用表示，則 （3-20）與金屬材料和電阻絲形狀有關(guān)。顯然，越大，單位縱向應(yīng)變所引起的電阻值相對變化越大，說明應(yīng)變片越靈敏。大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即為常數(shù)。故此，上式可表示為 （3-21）對于金屬電阻就應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可以忽略不計，因此， （3-22）由此可見，應(yīng)變片電阻的相對變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，并且對于同一種的電阻材料，是一常數(shù)。一般用于制造電阻絲應(yīng)變片的金屬絲的靈敏度系數(shù)大多在1.73.6之間。2、應(yīng)變片的選擇 在實際運用中，在選擇應(yīng)變片的時候，要考慮

40、應(yīng)變片的性能參數(shù)，主要有：應(yīng)變片的電阻值、靈敏度、允許的電流和應(yīng)變極限等，而金屬電阻應(yīng)變片的電阻值已經(jīng)趨于標(biāo)準(zhǔn)化，主要規(guī)格有好幾種，阻值有120W、24W、360W等，使用最為廣泛的為120W。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計中選用BE120-10AA型電阻應(yīng)變片，其電阻值120W、柵長10mm、材料為康銅。 （1）應(yīng)變片的靈敏度系數(shù) 將電阻應(yīng)變絲做成電阻應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性與金屬單絲時是不一樣的，因此必須通過實驗重新測定。經(jīng)過大量的實驗證明，與的關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然有很好的線性關(guān)系，即： （3-23）式中，K為電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。 實驗證明，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K恒小于電阻絲的靈敏度系數(shù)，其原因主要

41、在于在應(yīng)變片中存在著所謂的橫向效應(yīng)。選擇康銅材料的金屬絲應(yīng)變片，則其靈敏度系數(shù)。 （2）有關(guān)應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償 應(yīng)變片由于溫度變化所引起的電阻的變化與試件（彈性元件）應(yīng)變所造成 的電阻的變化幾乎具有相同的數(shù)量級，如果不采取必要的措施，測量的精度將無法得到保證。溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏唷Ｖ饕须姌蜓a(bǔ)償法和自動補(bǔ)償法。在該測量系統(tǒng)當(dāng)中，我們采用應(yīng)變片的自動補(bǔ)償?shù)姆椒?。?yīng)變片的自動補(bǔ)償運用的是粘貼在被測部位上的是一種特殊的應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種應(yīng)變片被稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。在設(shè)計和制作本傳感器的時候。我們采取在彈性元件變形量最大部位上下對稱貼片的方式，并且采用全橋式測量電路

42、，也就是說，我們在制作本傳感器的過程中，采取的是溫度自動補(bǔ)償?shù)姆绞?，而不需要再加其他的溫度補(bǔ)償電路。3.3.3 電阻應(yīng)變片的測量電橋電路應(yīng)變片可以將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成為電阻的變化，為了顯示記錄應(yīng)變的大小，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)化為電壓的變化，因此，需要有專門的測量電路，我們通常采用直流電橋或者是交流電橋。下面簡單介紹一下有關(guān)電橋電路的工作原理： 如圖3-8所示，電橋的各臂的電阻分別為他們可以全部或部分是應(yīng)變片。則電橋的輸出電壓為 （3-24 ）當(dāng)時，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓。若電橋的各臂均有相應(yīng)的電阻增量，則由式（3-18）得圖3-8 直流電橋的電路圖3-9 電阻應(yīng)變片在彈性元件上的布置圖 （3-25

43、）在實際所使用的電橋中，往往采用等臂電橋，即：。此時，式（3-19）可寫為 （3-26）當(dāng)時，略去上面的高階微量 （3-27）利用式（3-17），式（3-21）可寫為 （3-28）上式表明：（1）時，橋路的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。（2） 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同時，則輸出電壓為兩者之和。（3） 電橋的供電電壓越高，輸出電壓就越大。（4） 增大電阻的應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，可以提高電橋的輸出電壓。由于全橋電路具有電橋靈敏度高，并且采用全橋差動電路還可以減小或消除非線性誤差。所以我們在設(shè)計制作本系統(tǒng)時采用全橋電路。將變形量帶入

44、 第4章 鋼絲繩張力檢測處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1引言鋼絲繩檢測系統(tǒng)通過檢測裝置所檢測的信號最終要通過信號處理裝置進(jìn)行處理。在這一系統(tǒng)當(dāng)中，我們首先將傳感器所得到的信號進(jìn)行放大，然后又考慮到在檢測信號的過程中所引入的噪聲信號，因此又將其通過二階低通濾波器進(jìn)行濾波，然后才進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到以MCS-8051為核心的單片機(jī)中進(jìn)行處理，再通過顯示器顯示出各根鋼絲繩的張力。圖4-1 檢測系統(tǒng)簡圖4.2傳感器信號的前置放大在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被檢測的信號經(jīng)過傳感器變換后，往往是很微弱的毫伏級的電壓信號（如本系統(tǒng)中的壓力傳感器所輸出的電壓信號就是這樣），因此我們必須利用放大電路將這個微弱

45、的電壓信號放大至0到5V，這樣才能由單片機(jī)對其進(jìn)行 轉(zhuǎn)換。由于通用的運算放大器一般都具有毫 伏級的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫漂，因此不能直接用于放大微弱信號。 為了解決微弱信號的放大問題，我們采用了儀表放大器。儀表放大器是一種帶有精密差動電壓增益的器件，由于它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點，使其在檢測微弱信號的系統(tǒng)中被廣泛地用作前置放大器。儀表放大器的電路原理圖如圖42所示。儀表放大器由三個運放構(gòu)成，并分為兩級：第一級是兩個同相放大器，第二級是普通的差動放大器，把雙端輸入變?yōu)閷Φ氐膯味溯敵觥x表放大器的增益可用下列公式確定： （4-1） （4-

46、2） （4-3）圖4-2 儀表放大器原理電路所 以為提高共模抑制比和降低溫漂影響，儀表放大器采用對稱結(jié)構(gòu)，即取R1=R2，R3=R4，R5=R6，根據(jù)以上各式， 從 （43）式中可以看出，通過調(diào)節(jié)外接電阻的大小可以很方便地改變儀表放大器的增益。 圖4-3 AD620的封裝圖 本系統(tǒng)采用 AD620儀表放大器來放大傳感器所輸出的信號。AD620是根據(jù)典型的三運算放大器改進(jìn)而成的一種單片儀表放大器，適用于精密的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，例如傳感器接口。它具有低價格、高精度、低噪聲、低輸入偏置電壓、低功耗的優(yōu)點。圖4-3是AD620的芯片封裝圖。AD620相對參考端電壓產(chǎn)生單端輸出，所以只要使 AD620的參考

47、端接地，傳感器承受的壓力和AD620的輸出電壓就成線性關(guān)系，可以方便地進(jìn)行壓力檢測。AD620內(nèi)部增益電阻R1和R2設(shè)置為 24.7千歐姆，可以通過一只外接電阻精確地調(diào)節(jié)之間的任何增益。在本系統(tǒng)中，考慮到后面還有二階濾波電路，還可以將信號再放大兩倍，所以在放大電路中只需將信號放大 999倍，就可以滿足 A/D轉(zhuǎn)換的要求。根據(jù)公式（43）可以計算出 （4-4）4.3濾波電路設(shè)計與分析 該測試系統(tǒng)所加是直流電壓理想狀態(tài)下所輸出的信號是沒有頻率的，但在實際中由于壓輪隨著提升機(jī)上滾筒的轉(zhuǎn)速運動會產(chǎn)生震動，振動頻率與滾筒轉(zhuǎn)速有關(guān)大約是10HZ，電磁干擾頻率約為50HZ。在實際工業(yè)現(xiàn)場有著各種各樣的干擾，

48、對采集的信號有一定的影響。由于外部干擾的影響，被測電壓或電流的信號上會疊加上干擾信號，通常把這種信號稱為噪聲。噪聲對被測信號存在嚴(yán)重的干擾，當(dāng)被測信號很微弱時，就會被干擾信號 “淹沒”掉，導(dǎo)致很大的數(shù)據(jù)采集誤差。為了能精確地采集數(shù)據(jù)，需要消除和抑制系統(tǒng)中的噪聲。在本系統(tǒng)中，主要是抑制傳感器信號輸入通道的噪聲。由RC元件和運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是只讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或衰減頻率以外的信號。因受運算放大器帶寬的限制，這類濾波器僅適用于低頻范圍。根據(jù)頻率范圍的不同，可分為低通、高通、帶通和帶阻4種濾波器。本系統(tǒng)中設(shè)計的濾波器是二階RC有源低通濾波器，電路原理圖如

49、圖44所示。運放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個電壓源。其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定、增益容易調(diào)節(jié)。 根據(jù)該濾波電路的電壓、電流和開環(huán)增益0，我們可以得到傳遞函數(shù)的表達(dá)式圖4-4 二階RC有源低通濾波器 如上圖所示為一個簡單的二階有源RC低通濾波器，下面分析我仍然用拉氏變換的方法來分析其低通濾波特性 利用放大器的虛短和虛短特性來分析電路即從電流上看，放大器的輸入和輸出端為斷路特性從電壓上看，放大器的輸入和輸出端為短路特性可以對點列出節(jié)點電流方程式： （4-5）即：   （4-6）利用虛斷特性，可知為在上的分壓，可列出方程 （4-7）同時，利用虛短特性來看，又

50、可知為B在2上的分壓，可列出方程 （4-8）將方程（4-5），（4-6），（4-7）聯(lián)合成方程組，可以得出傳輸函數(shù)： （4-9） （4-10） （4-11） （4-12）條件：截至頻率6Hz，放大倍數(shù)20；以下是二階濾波電路的設(shè)計條件和步驟：1根據(jù)濾波器特點設(shè)定R9=R10，C4=C5；由6Hz根據(jù)表格選擇可得C45µF。由式（410）得，R9R10=5.6KW2當(dāng)20時，由式（411）得R12R11,通過查設(shè)計參數(shù)表可以得出：R111.75KW R1233KW。并可以畫出其幅頻特性曲線，可以看出其幅頻特性曲線是比一階低通濾波器的幅頻特性曲線更陡的曲線，即其低通濾波特性更好4.4 A

51、/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計信號經(jīng)過濾波后仍然是模擬量無法顯示，只有將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量才能將信號進(jìn)一步進(jìn)行處理顯示，A/D轉(zhuǎn)換器的作用就是將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以便于信號的進(jìn)一步處理。 1、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理與分類 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分成兩類。一類是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型A/D轉(zhuǎn)換器。在直接型A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入的模擬電壓被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變量；在間接A/D轉(zhuǎn)換器中，首先要把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量，然后再把這個中間變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼輸出。盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類繁多，但目前應(yīng)用廣泛的主要有三種類型：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和V/F變換式V/F轉(zhuǎn)換器。 有前文的傳感器和系統(tǒng)的設(shè)計需求可知，可測的最大鋼絲繩張力為10T，可精確到0.1T，則其精確度為0.1/10=1%，由于ADC0809的精確度可以達(dá)到0.4%，且為多通道輸入，所以根據(jù)系統(tǒng)的精度可以知道，選擇ADC0809的八位A/D轉(zhuǎn)換器就可以滿足設(shè)計的需要。 ADC0809八位逐次逼近式的A/D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，包括8位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道多路轉(zhuǎn)換器和微處理器兼容的控制邏輯。ADC