鋼絲繩芯膠帶輸送機(jī)故障監(jiān)測(cè)的裝置的設(shè)計(jì)正文

1、1 緒論1.1鋼繩芯膠帶運(yùn)輸機(jī)的簡(jiǎn)介1.1.1膠帶運(yùn)輸機(jī)的工作原理、適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)及類型膠帶運(yùn)輸機(jī)，又叫皮帶運(yùn)輸機(jī)。膠帶運(yùn)輸機(jī)是以膠帶兼作牽引機(jī)構(gòu)和承載機(jī)構(gòu)的一種連續(xù)動(dòng)作運(yùn)輸設(shè)備，它在礦井地面和井下運(yùn)輸中得到廣泛的應(yīng)用。 圖1-1 膠帶輸送機(jī)工作原理圖1-膠帶 2-主動(dòng)滾筒 3-機(jī)尾換向滾筒 4-托輥 5-拉緊裝置如圖1-1所示：膠帶1繞經(jīng)主動(dòng)滾筒2和機(jī)尾換向滾筒3形成一個(gè)無(wú)級(jí)的環(huán)行帶。上下兩股膠帶都支撐在托輥4上。拉緊裝置5給膠帶以正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的張緊力。當(dāng)主動(dòng)滾筒在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，借助于主動(dòng)滾筒與膠帶之間的摩擦力而帶動(dòng)膠帶及膠帶上的貨載一同連續(xù)運(yùn)載，裝到膠帶上的貨載運(yùn)到端部后，由于膠帶

2、的轉(zhuǎn)向而卸載，這就是膠帶輸送機(jī)的工作原理。上段膠帶運(yùn)送貨載，膠帶的這一部分稱為工作段或重段，下股不裝運(yùn)貨載稱為回空段。膠帶的工作段一般采用槽型托輥支撐，使其成為槽型承載斷面，因?yàn)橥瑯訉挼哪z帶槽型承載面比平行的要大很多，而且貨載不宜灑落，回空段不裝運(yùn)貨載，故用平型托輥支撐。托輥內(nèi)裝有軸承，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，運(yùn)行阻力較小。膠帶輸送機(jī)可用于水平及傾斜運(yùn)輸，通常情況下，沿傾斜向上運(yùn)輸原煤時(shí)，傾角不能大于18º，向下運(yùn)輸時(shí)，傾角不大于15º，運(yùn)送附著性、粘接性大的物料時(shí)，傾角要大些。膠帶輸送機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)輸能力大而工作阻力小，耗電量小，約為刮板輸送機(jī)耗電量的1/31/5固在運(yùn)輸過(guò)程中，貨載與膠

3、帶一起移動(dòng)，故磨損小，貨載的破碎性小。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既節(jié)省設(shè)備又節(jié)省人力，故廣泛應(yīng)用于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多工業(yè)部門(mén)。國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)實(shí)踐證明，膠帶輸送機(jī)無(wú)論在運(yùn)輸能力方面，還是在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，都是一種較先進(jìn)的運(yùn)輸設(shè)備。投資高，又不適用于運(yùn)送有棱角的貨載。隨著煤炭科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雖然在國(guó)內(nèi)的膠帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)彎運(yùn)行的研究有所進(jìn)展，但總的來(lái)說(shuō)，膠帶輸送機(jī)對(duì)彎曲巷道的適應(yīng)性比較差。隨著機(jī)械化和綜合化采煤工作面的不斷提高，膠帶輸送機(jī)已逐漸成為煤礦生產(chǎn)中的一種主要運(yùn)輸設(shè)備。膠帶輸送機(jī)類型很多，適應(yīng)范圍和特征各不相同。在煤礦中常用的膠帶機(jī)類型：普通型膠帶輸送機(jī)、繩架吊掛式膠帶輸送機(jī)、可伸縮膠帶輸送機(jī)、強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)、

4、鋼絲繩牽引膠帶輸送機(jī)、大型氣墊膠帶輸送機(jī)。1.1.2強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)簡(jiǎn)介強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)是指鋼繩芯膠帶輸送機(jī)。隨著我國(guó)煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，礦井運(yùn)輸日益增大，在大型礦井主要水平及傾斜巷道，采用大運(yùn)量、長(zhǎng)距離的膠帶運(yùn)輸機(jī)極為有利。但因普通型膠帶輸送機(jī)膠帶強(qiáng)度有限，故在有些礦井，為了滿足長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)囊?，采?0多臺(tái)普通型膠帶輸送機(jī)串聯(lián)使用，組成一條長(zhǎng)距離膠帶輸送線。由于使用設(shè)備臺(tái)數(shù)多，轉(zhuǎn)載次數(shù)多，導(dǎo)致設(shè)備成本高，致使運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸不合理，為此就有了創(chuàng)造運(yùn)輸能力大、運(yùn)距長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)轉(zhuǎn)載運(yùn)輸?shù)男滦瓦\(yùn)輸機(jī)的要求，鋼繩芯膠帶輸送機(jī)就是為適應(yīng)這種需要而設(shè)計(jì)的一種強(qiáng)力膠帶輸送機(jī)。它與普通型膠帶輸送機(jī)不同之處是用鋼

5、繩芯膠帶取代了普通膠帶。鋼繩芯膠帶是用一組平行放置的高強(qiáng)度鋼絲繩作為帶芯。（如圖12所示）。鋼絲繩一般由長(zhǎng)根直徑相等的鋼絲順繞制成，中間的鋼絲較粗，以便為橡膠透進(jìn)鋼繩。芯膠的材料可稍次于面膠，但必須具備與鋼絲有較好的浸透性和粘合性。鋼絲繩的排列采用左繞和右繞相間，以保證膠帶的平整。1.1.3鋼繩芯帶與普通膠帶相比，具有下列主要優(yōu)點(diǎn)：1）抗拉強(qiáng)度高，可滿足大運(yùn)量、長(zhǎng)距離的需要。國(guó)產(chǎn)鋼繩芯帶的帶芯強(qiáng)度d可達(dá)40000N/cm。聯(lián)邦德國(guó)生產(chǎn)的鋼繩芯帶的強(qiáng)度已達(dá)80000N/cm。計(jì)算表明，在水平運(yùn)輸條件下，當(dāng)帶寬為800mm，生產(chǎn)率為1800t/n,帶速為3m/s時(shí)，采用不同膠帶允許的單機(jī)長(zhǎng)度比較如

6、下：鋼繩芯膠帶 15500m尼帶膠帶 9500m維尼綸膠帶 3800m棉織物芯膠帶 600m2）彈性伸長(zhǎng)和殘余伸長(zhǎng)小，張緊裝置的行程可以大大減少。鋼繩芯帶的伸長(zhǎng)量約為普通型膠帶的1/10左右。由于所需的張緊行程短，對(duì)于合理布置及選擇張緊裝置極為有利。此外，由于鋼繩芯帶的縱向彈性模量大，張力傳播速度快，不會(huì)出現(xiàn)“浪涌”現(xiàn)象，起動(dòng)和制動(dòng)比較容易控制。3）成槽性好。由于鋼繩芯膠帶只有一層芯體與托輥貼合緊密，可以形成較大的槽角。目前國(guó)內(nèi)外鋼繩芯膠帶輸送機(jī)的槽角多數(shù)用到30º，有的達(dá)35º以上，這樣不僅可以增大運(yùn)輸量，也可以防止膠帶跑偏。4）動(dòng)態(tài)性能好，使用壽命長(zhǎng)。由于采用鋼絲繩繞成

7、的鋼絲繩做帶芯，故耐彎曲疲勞和耐沖擊性能好，膠帶的壽命一般可達(dá)10年左右，使輸送機(jī)的運(yùn)輸成本相應(yīng)降低。5）輸送機(jī)的滾筒直徑相應(yīng)較小。由于帶芯較薄，在相同的條件下允許采用比普通膠帶小的多的滾筒直徑。由于鋼繩芯帶具有以上優(yōu)點(diǎn)，鋼繩芯帶一出現(xiàn)即在國(guó)內(nèi)外得到了普遍的推廣和使用，并已成為膠帶輸送機(jī)的主要發(fā)展方向之一。1.2本論文的主要研究?jī)?nèi)容及意義輸送帶是輸送機(jī)的重要組成部分，其成本占整機(jī)的45之多。近年來(lái)，輸送機(jī)縱向撕裂事故時(shí)有發(fā)生，價(jià)值數(shù)十萬(wàn)元（甚至數(shù)百萬(wàn)元）的輸送機(jī)因縱向撕裂在幾分鐘內(nèi)就會(huì)全部毀壞，造成很多的經(jīng)濟(jì)損失，但至今我國(guó)仍沒(méi)有一種較理想的縱向撕裂的檢測(cè)手段或裝置應(yīng)用于實(shí)踐。一部分用戶雖裝有

8、從國(guó)外引進(jìn)的或國(guó)產(chǎn)的防撕裂裝置，但使用效果都不好。有的在故障發(fā)生時(shí)并未發(fā)現(xiàn)，有的在未出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)生了動(dòng)作信號(hào)。為了防患于未然，防止輸送帶撕裂后事故繼續(xù)擴(kuò)大，本設(shè)計(jì)中主要采用安裝在托輥中的壓力傳感器將輸送帶上的壓力值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)超過(guò)危險(xiǎn)值時(shí)，就會(huì)使得控制箱動(dòng)作。1.3 鋼繩芯膠帶的縱向撕裂監(jiān)測(cè)保護(hù)的國(guó)內(nèi)外研究概括目前，輸送帶的防撕裂保護(hù)裝置有發(fā)生撕裂后輸送帶外部變化的檢測(cè)和內(nèi)部狀態(tài)變化的兩類檢測(cè)方式。1.3.1外部檢測(cè)系統(tǒng)1）棒型裝置每組緩沖托輥之間緊貼輸送帶下面，若刺穿輸送帶，物料使棒偏斜，觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)或壓力傳感器，指令輸送機(jī)停車。2）弦線式裝置該裝置由細(xì)鋼絲或尼龍線作為探頭，將其安置在緩

9、沖托輥之間穿過(guò)小孔與槽型帶下表面貼合，線的一端裝一個(gè)彈簧限位開(kāi)關(guān)。當(dāng)線斷裂或拉力增大都會(huì)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。3） 條形板壓力開(kāi)關(guān)該裝置是將數(shù)塊條形板安裝在一起構(gòu)成槽型帶的外廓形式，并安裝在輸送帶的下表面緩沖托輥之間，任何刺穿輸送帶的物體都會(huì)使正對(duì)著該物體的條形板動(dòng)作，從而觸發(fā)開(kāi)關(guān)。1.3.2機(jī)械電氣聯(lián)合防撕裂裝置若有大塊物料或異物落在輸送帶上，使輸送帶和小皮帶破裂，異物（物料）便帶動(dòng)小皮帶運(yùn)動(dòng)，通過(guò)杠桿使膠帶輸送機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。電氣方面在小皮帶上分布著導(dǎo)線，當(dāng)異物刺破輸送帶時(shí)，使小皮帶的導(dǎo)線刺破切斷，控制裝置切斷輸送機(jī)的電源使整機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。輸送機(jī)外表面突起的檢測(cè)保護(hù)裝置的動(dòng)作均取決于檢測(cè)裝置與輸送帶和刺穿物

10、接觸發(fā)生作用，這樣必然要求保護(hù)裝置的安裝應(yīng)較接近于輸送帶，而膠帶輸送機(jī)的運(yùn)行波動(dòng)又有發(fā)生誤動(dòng)作的可能，相距較遠(yuǎn)會(huì)造成動(dòng)作不靈敏。1.3.3輸送帶發(fā)生撕裂引起的外部性態(tài)變化的檢測(cè)1）浮點(diǎn)支架檢測(cè)裝置日本橫濱橡膠有限公司研制出了浮動(dòng)支架檢測(cè)裝置，該裝置由數(shù)組安裝在一個(gè)框架上的緩沖托輥組成，整個(gè)框架懸掛在垂直的板簧上，在框架的前端頂上一個(gè)壓力傳感器以檢測(cè)框架所受的水平作用力是否大于正常運(yùn)行下的水平力，當(dāng)水平阻力增大時(shí)可通過(guò)控制使輸送機(jī)停車以保護(hù)輸送帶。2）物料泄漏檢測(cè)器這種裝置是基于如下假設(shè)而設(shè)置的。當(dāng)輸送帶被撕裂時(shí)，輸送帶上的物料通過(guò)裂口泄漏出來(lái)。檢測(cè)器就是利用輸送帶撕裂后泄漏出來(lái)的物料，觸發(fā)保護(hù)

11、開(kāi)關(guān)指令輸送機(jī)停車，圖13所示的結(jié)構(gòu)是當(dāng)物料泄漏后進(jìn)入容器中使保護(hù)裝置起作用。3）帶寬監(jiān)測(cè)器當(dāng)某一截面的帶寬變小時(shí)說(shuō)明輸送帶可能撕裂，保護(hù)裝置動(dòng)作，為使邊緣損壞的輸送帶段能通過(guò)寬度監(jiān)測(cè)器而不誤停車，監(jiān)測(cè)器中應(yīng)裝有可調(diào)的時(shí)間繼電器。帶寬監(jiān)測(cè)器有超聲波檢測(cè)系統(tǒng)和分托輥架式檢測(cè)器，該裝置尚處于研制試驗(yàn)階段。1.3.4內(nèi)部檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部檢測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)輸送帶撕裂后，輸送帶內(nèi)部物理量的檢測(cè)，通過(guò)信號(hào)的撕裂前后的差異來(lái)檢測(cè)出撕裂。1)振動(dòng)檢測(cè)裝置該檢測(cè)裝置的震動(dòng)器是一個(gè)偏心圓盤(pán)，它布置在承載拖輥之間輸送帶的邊緣處，在輸送帶的另一邊設(shè)置振動(dòng)接收器，它以自由回轉(zhuǎn)的棍子與輸送帶接觸，當(dāng)膠帶輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，偏心圓盤(pán)使輸

12、送帶產(chǎn)生橫向強(qiáng)迫振動(dòng)，振動(dòng)接收器受輸送帶發(fā)生縱向撕裂時(shí)，振動(dòng)接收器不受振動(dòng)作用，輸出的信號(hào)相應(yīng)減弱，從而使膠帶輸送機(jī)停車。2)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)采用超聲波探傷的方式在輸送帶的一側(cè)安放一個(gè)超聲波發(fā)射觸頭，在輸送帶的另一端安放接收觸頭，當(dāng)輸送帶沒(méi)撕裂時(shí)，接收觸頭為某一信號(hào)，當(dāng)輸送帶撕裂后，接收觸頭接收另一種信號(hào)，通過(guò)對(duì)比器再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去切斷主電流。3)金屬線圈系統(tǒng)其最簡(jiǎn)單的形式是線圈粘貼進(jìn)輸送帶的底層，當(dāng)線圈經(jīng)過(guò)與其不接觸的電磁波發(fā)射時(shí)，線圈中將感應(yīng)出電流，如果線圈斷電，則輸送機(jī)停運(yùn)。導(dǎo)磁橡膠檢測(cè)系統(tǒng)由嵌入覆蓋橡膠層的磁化橡膠帶組成，磁化橡膠的南北極指向北極指向沿輸送帶縱向，磁化橡膠帶與接收線圈之間

13、安一個(gè)強(qiáng)導(dǎo)磁帶，這樣就構(gòu)成一個(gè)閉合的磁短路環(huán)，如果出現(xiàn)輸送帶撕裂，導(dǎo)磁橡膠與輸送帶分開(kāi)，輸送帶外面就會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)，磁接收裝置收到磁信號(hào)便會(huì)停止運(yùn)行。4)無(wú)觸點(diǎn)電子監(jiān)測(cè)器日本采用的輸送帶防撕裂無(wú)觸點(diǎn)監(jiān)測(cè)器在輸送帶內(nèi)隔50100m布置兩個(gè)可繞曲的導(dǎo)線框，并在裝料點(diǎn)之后的輸送帶下面設(shè)接收、發(fā)射天線各一根，當(dāng)輸送帶發(fā)生縱向撕裂時(shí)，導(dǎo)線框和天線之間感應(yīng)形成的電路被切斷，由此輸送機(jī)停車，這種裝置工作頻率為300400千周。5)BSE-12型輸送帶縱向撕裂保護(hù)裝置這種裝置使被監(jiān)測(cè)的鋼絲繩芯輸送帶必須預(yù)先埋入監(jiān)視導(dǎo)線，導(dǎo)線相距為30-60m,1m寬帶配一根監(jiān)視導(dǎo)線,1.2m以上的帶寬配有兩根監(jiān)視導(dǎo)線,監(jiān)視導(dǎo)線形

14、成閉合回路。在裝載點(diǎn)前后監(jiān)視處各安裝一個(gè)BSE-12型發(fā)射機(jī)和接收機(jī),在輸送帶運(yùn)行過(guò)程中,輸送帶上某一監(jiān)視導(dǎo)線經(jīng)過(guò)發(fā)射機(jī)S1時(shí),如輸送帶未被撕裂,輸送帶上的導(dǎo)線未斷,則接收機(jī)E1將通過(guò)導(dǎo)線接收發(fā)射機(jī)S1的信號(hào),輸送帶繼續(xù)前進(jìn),該導(dǎo)線經(jīng)過(guò)危險(xiǎn)點(diǎn)的發(fā)射機(jī)S2時(shí),如果輸送帶仍然完好,則E2收到S2的信號(hào),這兩個(gè)信號(hào)先后送入控制裝置,證明輸送帶無(wú)撕裂.如輸送帶在危險(xiǎn)點(diǎn)已被撕裂,該監(jiān)視導(dǎo)線已被拉斷,則E2接收不到S2發(fā)射的信號(hào),這時(shí)控制裝置只有前一個(gè)信號(hào)輸出,證明輸送帶已發(fā)生撕裂,于是控制繼電器動(dòng)作,切斷整機(jī)電源,輸送機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。前面介紹了各種外部檢測(cè)輸送帶防撕裂裝置.作為外部檢測(cè)裝置雖然在一定程序上起

15、到了防撕裂作用,但還不能從根本上保護(hù)輸送帶,其原因在于輸送帶的撕裂會(huì)產(chǎn)生外部態(tài)性的變化,但并不是一次撕裂各種形態(tài)都出現(xiàn),所以單純用某種形式的保護(hù)裝置是無(wú)法確保輸送帶不被撕裂,這就要求保護(hù)裝置應(yīng)能綜合各種因素的特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。另一方面輸送帶撕裂后其外部性態(tài)的變化是很微小的,而無(wú)論是輸送帶還是整機(jī)的安裝、制造和運(yùn)行都不能是十分精確的，因而就必須造成檢測(cè)裝置或誤動(dòng)作或靈敏度差。內(nèi)部檢測(cè)系統(tǒng)具有動(dòng)作靈敏可靠的優(yōu)點(diǎn)，但由于輸送帶本身制造困難，造價(jià)高，輸送帶不易維修也給其推廣使用帶來(lái)困難。因此，為了防患于未然，設(shè)計(jì)一個(gè)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的防撕裂保護(hù)裝置迫在眉睫。2 縱向撕裂的監(jiān)測(cè)診斷方法概述2.1鋼絲繩

16、芯膠帶縱向撕裂故障發(fā)生機(jī)理及工況條件 引起輸送帶縱向撕裂有多種原因，有在加料站因外來(lái)大塊廢鋼或木材將輸送帶刺穿或由于溜槽的堵塞引起輸送帶撕裂；頭部滾筒清掃器刮板的刀口掛住輸送帶表面的金屬絲；托輥端蓋焊接缺陷，如端蓋未焊好，自由旋轉(zhuǎn)的端蓋就象旋轉(zhuǎn)的刀片一樣把輸送帶割開(kāi)；長(zhǎng)條金屬物料夾在溜槽與承載托輥處把輸送帶撕裂。 根據(jù)試驗(yàn)和分析，輸送帶開(kāi)始撕裂的部位主要是在給料處。戳穿輸送帶的物料有：1）大塊異物，如帶尖角的矸石、鐵礦石；2）長(zhǎng)條鐵、木棒，如鐵釬、巷道木柱、廢工具。當(dāng)物料從料斗卸出時(shí)，如物料中混有大塊異物將被料斗壁1擋住卡在出料口，而對(duì)于鋼繩芯膠帶抗拉強(qiáng)度很高，但由于鋼絲繩之間存在著一定的間距

17、（如圖2-1所示），當(dāng)異物扎在橡膠層上后則從鋼絲繩的中間把運(yùn)輸帶劈開(kāi)，而運(yùn)輸在不斷地進(jìn)行，造成了膠帶的縱向撕裂。另外，當(dāng)覆蓋膠損壞后，鋼絲易腐蝕等。圖2-1 鋼繩芯膠帶結(jié)構(gòu)圖在綜合考慮上述撕裂的可能性后應(yīng)采用較合理的布置方式，如在初始裝料處裝上電磁除鐵器和金屬探測(cè)器；在輸送帶撕裂可能大的地方，寧肯選用普通帆布帶而不選用鋼繩芯帶或合成纖維帶；導(dǎo)料槽設(shè)計(jì)要便于大塊物料通過(guò)等。多數(shù)輸送機(jī)系統(tǒng)還應(yīng)裝設(shè)撕裂檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)輸送帶發(fā)生撕裂時(shí)及時(shí)檢測(cè)出，使輸送機(jī)停運(yùn)以減少輸送帶的撕裂。2.2縱向撕裂故障的判斷依據(jù)及診斷方法通過(guò)將近一個(gè)月的實(shí)地調(diào)研，我們了解到輸送帶開(kāi)始撕裂的部位85%以上都發(fā)生在給料處，而目前國(guó)

18、內(nèi)外的各種檢測(cè)方法并不能從根本上保護(hù)輸送帶。綜合考慮各種因素，我認(rèn)為防撕裂檢測(cè)裝置重點(diǎn)應(yīng)在輸送機(jī)的尾部。現(xiàn)制定方案如下：在機(jī)尾的輸送帶下方的緩沖托輥?zhàn)笥覂赏休亙?nèi)各安裝一個(gè)壓力傳感器，若壓力超過(guò)預(yù)定的值后并持續(xù)一定的時(shí)間，則證明輸送帶有可能或已經(jīng)發(fā)生撕裂，于是控制電路動(dòng)作，切斷整機(jī)電源，輸送機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這種檢測(cè)方法制造、安裝均很方便，只要特制幾組緩沖托輥即可，又可以防患于未然。3 鋼繩芯膠帶縱向撕裂監(jiān)測(cè)原理及傳感器設(shè)計(jì)3.1縱向撕裂的監(jiān)測(cè)原理目前對(duì)膠帶運(yùn)輸機(jī)皮帶的撕裂監(jiān)測(cè)的研究已有很多，但真正能達(dá)到防患于未然的目的卻幾乎沒(méi)有。在本設(shè)計(jì)中的主要設(shè)計(jì)思想是用隱藏在托輥軸中的壓力傳感器感受到附加作用力

19、對(duì)膠帶的作用，通過(guò)分析，處理電路所得的信號(hào)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)它進(jìn)行控制。落料口處的膠帶最易被撕裂，由于物料從落料口處落下，塊大的容易卡在料斗壁與膠帶之間，而膠帶不停地行走，使卡的力越來(lái)越大，最后膠帶被撕裂。 為緩和落料口處落料對(duì)膠帶的沖擊，在落料口下鋪設(shè)三排槽型緩沖托輥，相鄰距離為30公分。運(yùn)用緩沖托輥對(duì)托輥有一定的保護(hù)作用。運(yùn)用槽型托輥使同樣寬度的皮帶裝料多且不易撒落。一組槽型緩沖托輥由兩個(gè)邊托輥和一個(gè)底托輥組成，壓力傳感器分別安放在兩側(cè)的托輥軸中，所以本設(shè)計(jì)中共用六個(gè)壓力傳感器，每組兩側(cè)的傳感器可以感受到其上方及其托輥之間的壓力。這樣就不會(huì)因?yàn)閴毫ψ饔闷揭贿?，或作用在兩組托輥之間而造成測(cè)量

20、不精確。因?yàn)闊o(wú)論它的作用力怎么偏或斜，它們作用在六個(gè)傳感器上的力的總和不變。另外把傳感器放置在托輥軸中，使得傳感器不受灰塵等影響，有利于傳感器的保護(hù)，同時(shí)也使得測(cè)量的精度加強(qiáng)。壓力通過(guò)六個(gè)傳感器轉(zhuǎn)變成六個(gè)電壓信號(hào)，在監(jiān)控電路中，加強(qiáng)放大電路將六個(gè)電壓信號(hào)放大相加，為防止誤動(dòng)作，先經(jīng)過(guò)低通濾波電路，濾除一些無(wú)用的雜信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)積分電路把沖擊所帶來(lái)的大信號(hào)濾除，最后把積分所得的結(jié)果輸入比較器中，若該積分值超過(guò)預(yù)定的閾值，則比較器輸出高電平，向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，請(qǐng)求計(jì)算機(jī)先停止其它操作來(lái)處理該指令，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，令控制箱動(dòng)作，以達(dá)到保護(hù)膠帶的目的。3.2傳感器的設(shè)計(jì)及安裝3.2.1傳感器的簡(jiǎn)

21、介從測(cè)量對(duì)象中直接取出有用信號(hào)的裝置稱為傳感器。它的作用是把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為與其相應(yīng)的容易檢測(cè)、傳輸和處理的信號(hào)。傳感器可以把被測(cè)對(duì)象如力、位移、振動(dòng)、溫度等的變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)信號(hào)傳到測(cè)量電路，經(jīng)放大、分析運(yùn)算傳輸?shù)接涗浕蝻@示器中測(cè)量者觀察。傳感器是測(cè)量裝置的輸入環(huán)節(jié)，它的性能和可靠性直接影響整個(gè)測(cè)量裝置的性能和可靠性。無(wú)論多么復(fù)雜的傳感器，都是由檢測(cè)元件及一些中間元件所組成。任何一種元件的特性都可以用典型環(huán)節(jié)特性來(lái)描述。在穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸出量y的變化與引起此變化的輸入量（被測(cè)信號(hào)）x的變化之比稱為傳感器的靈敏度，可用下式表示 S = dy/ dx 式中S為傳感器的靈敏度，也稱為元件傳遞系

22、數(shù)。如果輸入量為干擾信號(hào)，則此靈敏度為干擾靈敏度。整個(gè)傳感器靜態(tài)特性的分析應(yīng)與控制理論相聯(lián)系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢測(cè)和轉(zhuǎn)換裝置的可靠性要求愈來(lái)愈高。所謂可靠性是指工作條件時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)與轉(zhuǎn)換裝置保持原有產(chǎn)品技術(shù)性能的能力。傳感器結(jié)構(gòu)的小型化、微型化和復(fù)雜化在一定程度上影響它的可靠性。近年來(lái)，研究出確定結(jié)構(gòu)和元件壽命的實(shí)驗(yàn)方法。用這種方法獲得的數(shù)據(jù)可以求出整個(gè)傳感器或電子測(cè)量裝置的概率壽命。3.2.2傳感器的選擇設(shè)計(jì)計(jì)算測(cè)量皮帶運(yùn)輸機(jī)所受的附加壓力以及煤、膠帶重量和托輥的重量所引起的總壓力。我們選擇了應(yīng)變式傳感器。它的工作原理是當(dāng)被測(cè)壓力信號(hào)傳遞到粘貼有電阻應(yīng)變片的膜片產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片組成

23、的電橋?qū)嵌擞胁黄胶怆妷狠敵?，該電壓正比于作用在傳感器上的被測(cè)壓力。應(yīng)變式壓力傳感器有精度高、體積小、重量輕、測(cè)量范圍寬、固有頻率高同時(shí)耐振動(dòng)、耐沖擊，由于應(yīng)變式壓力傳感器具有以上的優(yōu)點(diǎn)，又因?yàn)檫\(yùn)輸機(jī)落料口處沖擊大、振動(dòng)大，所以我選擇了應(yīng)變式壓力傳感器。3.2.3傳感器型號(hào)的選擇單位長(zhǎng)度貨量決定于膠帶上被運(yùn)載的貨物的斷面積和貨物的密度,對(duì)于連續(xù)于連續(xù)貨流的膠帶輸送機(jī)單位長(zhǎng)度質(zhì)量為：q=1000F·圖3-1 槽型膠帶上貨載斷面貨載斷面積F是由梯形斷面積F1和圓弧面積F2（如圖31所示）組成。在膠帶寬度B上，貨載的總寬度為0.8B，中間托輥長(zhǎng)為0.4 B，貨載在帶面上的堆積角為，其半徑為

24、r,中心角為2，則梯形面積為F1(0.4B+0.8B)/2 ×0.2B ×tg30°=0.0693B² 圓弧面積為：F2r²/2×(2-Sin2)=1/2(0.4B/ Sin)²(2-Sin2) 總面積為:F F1+F2 0.0693B²+ 1/2（0.4B/ Sin）²(2-Sin2)0.0693+1/2（0.4/Sin）²(2- Sin2)B²根據(jù)已知條件：帶寬B=1.2m,托輥間距為30cm,運(yùn)載的貨物為原煤，查礦山運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)表2·8可得30°，0.8t/m

25、³F0.0693+1/2（0.4/Sin）²(2×/6-Sin/3)×1.2²m² 0.1415 q1000×F×1000×0.1415×0.8kg/m113.2kg/m它的總質(zhì)量Q煤0.9×q0.9×113.2kg101.9kg查文獻(xiàn)礦井運(yùn)輸及提升設(shè)備得上托輥每米質(zhì)量為qg10.4kg/m又帶寬1.2m的槽型托輥長(zhǎng)為0.4B0.4×1.20.48m每節(jié)上托輥的質(zhì)量為Qg10.4×0.484.992kg又因?yàn)樵谶\(yùn)輸機(jī)的尾部安放三組緩沖托輥，而每組槽型托輥由

26、三個(gè)托輥組成，因此托輥的總質(zhì)量為Qg4.992×944.928 kg圖3-2 傳感器安裝示意圖又根據(jù)連續(xù)運(yùn)輸機(jī)表127，選取Gx4000皮帶，其每米質(zhì)量為q。57kg/m。在檢測(cè)部分鋼繩芯帶的質(zhì)量Q。57×0.951.3kg據(jù)試驗(yàn)（如圖32所示）可得，當(dāng)附加力超過(guò)200kgF時(shí)，才有可能發(fā)生皮帶撕裂。據(jù)上面所得的數(shù)據(jù)，選擇安徽電子科研所生產(chǎn)的TL3型拉力傳感器，其測(cè)量范圍為500kgF。每10V電壓，輸出18mv,受力500kgF，則它的靈敏度為18mv/10v×500 kgF0.9×10³mv/v·kgF3.2.4傳感器的安裝帶式輸

27、送機(jī)的裝載處由于不可避免的物料對(duì)托輥的沖擊，容易引起托輥的損壞，故采用緩沖托輥，傳感器就安裝緩沖托輥中，如圖32所示為了檢測(cè)方便和對(duì)撕裂裝置的保護(hù)以及維修，我選用了傳感托輥，即在不改變別的圖3-3 傳感器安裝圖裝置的前提下，把槽型緩沖托輥的左右兩個(gè)換成傳感托輥，除兩根托輥軸之外，其余零件與通用托輥相同。兩根托輥軸中，一根中空，另一根為實(shí)心軸，整個(gè)軸組裝后，將引出線用環(huán)氧樹(shù)脂固壓在軸孔內(nèi)，傳感器與軸接觸面加環(huán)氧樹(shù)脂固緊，其安裝圖如圖33所示。3.3傳感器的工作原理等參數(shù)通過(guò)它們產(chǎn)生的金屬變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的檢測(cè)元件，這種傳感器具有體積小、動(dòng)態(tài)影響快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。3.4應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)變片

28、有多種形式，目前常用的有兩大類金屬應(yīng)變片；半導(dǎo)體應(yīng)變片。金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式和薄膜式等。我選用T箔式傳感器，箔式應(yīng)變片是用光刻技術(shù)，將金屬箔腐蝕成柵狀，箔的厚度一般在0.0030.01毫米，上下粘有絕緣襯薄膜 。它具有制造工藝性好，使用時(shí)散熱條件好等優(yōu)點(diǎn)，有逐步代替絲式應(yīng)變片的趨勢(shì)。絲式應(yīng)變片是一根金屬絲彎成柵狀，并粘貼在兩絕緣襯底中，電阻絲兩端焊有引出線。半導(dǎo)體應(yīng)變片由P型硅單晶片和膠膜襯底、引線等組成。它的頻率響應(yīng)高，比金屬應(yīng)變片高幾十倍。此外還可制成小型、超小型。但是，它的缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)大，穩(wěn)定性差，應(yīng)變電阻變換的非線性較大。3.5應(yīng)變效應(yīng)單根導(dǎo)線可用式R·L/S來(lái)表

29、示，如果沿整條電阻線作用的均勻應(yīng)力，由于L、s的變化引起電阻R的變化，對(duì)上式全微分得dR/SdLl/s²ds+L/Sd用相對(duì)變化量dR/R表示得： dR/RdL/Lds/s+d/ 或R/RL/LS/S + / 對(duì)于半徑為r的圓電阻絲，其截面積sr²因此ds2rdrds/s2r/drr²2dr/r 縱何應(yīng)變dl/l和橫向應(yīng)變dr/r的關(guān)系可用泊松比從來(lái)描述dr/r(dl/l) 因此ds/s 2(dl/l) 2 試驗(yàn)表明，電阻率的變化與電阻絲的應(yīng)力有關(guān)。d/l 式中l(wèi)電阻材料的壓阻系數(shù)而E因此 d/lE 總結(jié)上述各式得dr/Rdl/l+2(dl/l)+lE(dl/l)

30、(1+2+lE)此式就是應(yīng)變效應(yīng)的表達(dá)式，應(yīng)變靈敏度系數(shù)K為：KdR/R/1+2+lE K應(yīng)變片的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)前兩項(xiàng)是幾何尺寸變化引起的。對(duì)于金屬絲應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，其lE值很小，可以忽略不計(jì)。因此，其靈敏系數(shù)K（1+2），其值在12之間。但半導(dǎo)體材料的lE值卻很大，其值在60170之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（1+2）。因此，半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K遠(yuǎn)比金屬絲應(yīng)變片大。3.6工作原理我設(shè)計(jì)的壓力傳感器采用的是應(yīng)變式壓力傳感器即箔式傳感器，其內(nèi)部是一個(gè)由四個(gè)阻值相等的金屬箔電阻應(yīng)變片組成的全橋電路，如圖34所示。其供橋電壓為一恒定的直流電壓（由穩(wěn)定電源提供），傳感器不受力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓U為零。

31、當(dāng)其受到一定的壓力作用時(shí)，相對(duì)橋臂上的應(yīng)變片阻值同時(shí)變化，一對(duì)變大，另一對(duì)變小，使電橋失去平衡，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)電圖3-4 橋式電路原理圖壓信號(hào)，該電壓值的大小便反映了應(yīng)變片的大小，也就反映了引起應(yīng)變片應(yīng)變的壓力值的大小。當(dāng)應(yīng)變引起的阻值變化為R時(shí)，可以得到下列式子：UR/ R ×Ucc （3-1） 其中：Ucc、U分別為供橋電源電壓和輸出橋壓。設(shè)應(yīng)變片的靈敏度為K1，則有R/RK1 （3-2）應(yīng)變片處傳感器所受的壓力為：E （3-3）其中：E為傳感器材料的彈性模量。而對(duì)于確定形狀的傳感器，它所受的壓力或拉力F與應(yīng)變片處的壓力有一個(gè)確定的關(guān)系，且通常是一種線性變化關(guān)系，令:K2

32、83;F （34）將（34）式代入（33）式，式（33）代入式（32）再代入（31）式得到下式:Uk1·k2/E×Ucc·F 由上式可見(jiàn)當(dāng)傳感器的材料確定，形狀確定，所用應(yīng)變片確定且供橋電壓穩(wěn)定時(shí)，則電橋的輸出電壓與傳感器所受的拉力或壓力成確定性的正比關(guān)系。令常量k1·k2/EK，則有以下兩式UK·Ucc·F （36）R/RK·F （37）箔式應(yīng)變傳感器輸出的橋式信號(hào)有著這樣兩個(gè)特點(diǎn)：1）輸出信號(hào)較小，通常單位供橋電壓下的滿量程輸出只有幾個(gè)毫伏以下；2）當(dāng)供橋電源電壓不穩(wěn)時(shí)，其輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生誤差，由穩(wěn)定電壓帶來(lái)50Hz信號(hào)干

33、擾是常見(jiàn)的。鑒于電橋輸出信號(hào)的上述特點(diǎn)，同時(shí)考慮到每個(gè)力傳感器的輸出信號(hào)有著相同的特性，所需的處理、變送方法也相同，可通過(guò)相加共用一個(gè)處理變換電路，所以我們將來(lái)采用這樣一些處理變換電路，如圖35所示。由兩個(gè)力傳感器分別測(cè)得加在緩沖托輥上的重力，兩者之和的1/2為整個(gè)托輥組所受到的壓力值。因此，首先需將兩傳感器的輸出信號(hào)加起來(lái)，同時(shí)由于信號(hào)較弱，予以放大是必須的，所以把加法和放大電路并在一起，然后考慮到被測(cè)的力信號(hào)是一個(gè)緩變的低頻信號(hào)，再使之通過(guò)一個(gè)低通濾波器和50Hz陷波器以濾除已經(jīng)放大的高頻干擾及50Hz干擾信號(hào)，最后將處理好的信號(hào)積分以后送給單片機(jī)的快速輸入口，進(jìn)行后續(xù)的采集和計(jì)算。以下就

34、是傳感器的供電問(wèn)題以及上述各級(jí)處理的電路的設(shè)計(jì)原理作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹：圖3-5 信號(hào)處理電路3.7傳感器供電電源4 傳感變送電路的設(shè)計(jì)4.1概述通過(guò)一個(gè)加法電路把經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變而成的六個(gè)電壓信號(hào)放大相加，為圖4-1 信號(hào)處理電路了防止誤動(dòng)作，先經(jīng)過(guò)低通濾波濾除一些無(wú)用的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)50/60Hz陷波濾波電路濾除電源所帶來(lái)的頻率，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)積分電路把一些沖擊所帶來(lái)的大信號(hào)濾除，最后把積分所得的結(jié)果輸入比較器，若該積分值超過(guò)預(yù)定的閾值，則比較器輸出高電平，向計(jì)算機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，請(qǐng)求計(jì)算機(jī)先停止其它操作來(lái)處理該命令，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，令控制箱動(dòng)作，切斷整機(jī)電源，其原理框圖見(jiàn)圖41。圖4-2 加法放大電

35、路原理圖4.2加法放大器的設(shè)計(jì)4.2.1電路的功能加法運(yùn)算器是指輸出信號(hào)是幾個(gè)輸入信號(hào)的和。根據(jù)求和端子的不同有反相加法器和同相加法器。在設(shè)計(jì)中我選擇了反相加法器。4.2.2電路的工作原理電路的工作原理圖如圖42所示。根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”性質(zhì)，可以列出下列方程：U-U+0I1(Ui1U-)/ R1Ui1/ R1 I2(Ui2U-)/ R2Ui2/ R2 I3(Ui3U-)/ R3Ui3/ R3I4(Ui4U-)/ R4Ui4/ R4I5(Ui5U-)/ R5Ui5/ R5I6(Ui6U-)/ R6Ui6/ R6IfU-Uo/ RfUo/ Rf I1+ I2+ I3+ I4+ I5

36、+ I6If由上面關(guān)系可求出輸出電壓：U0=-(Rf/R1×Ui1+ Rf/R2×Ui2+ Rf/R3×Ui3+ Rf/R4×Ui4+ Rf/R5×Ui5+ Rf/R6×Ui6) 取R1R2R3R4R5R610K，放大倍數(shù)為10倍則Rf10R1100 KUo10（Ui1+Ui2+Ui3+Ui4+Ui5+Ui6）平衡電阻R1R1R2R3R4R5R6Rf 1.639 K4.2.3元件選用因?yàn)榉糯箅娮璧姆糯蟊稊?shù)由R1、R2，R6，Rf確定，所以這些電阻用了穩(wěn)定性比較好的金屬膜電阻。根據(jù)本電路的各項(xiàng)參數(shù)要求選用A07放大器。4.3低通濾波器4

37、.3.1電路的功能這種電路一直被作為源濾波器的基本電路使用，可作為各種解調(diào)（檢波）電路的載波濾波器，傳感器放大器濾除噪聲用的低通濾波器以及簡(jiǎn)單的抗折迭濾波器使用。相當(dāng)于緩沖放大器的A部分，以往都采用射極輸出器等電壓輸出電路，這里使用OP放大器可以減少直流漂移。4.3.2電路工作原理如圖4-3所示，12db/oct巴特沃次（最平坦特性）濾波器電路的Q值須為0.707才能獲得最平坦特性，并且對(duì)于C2來(lái)說(shuō)，反饋電容C1應(yīng)取大容量。圖4-3 濾波電路原理圖以保證達(dá)到規(guī)定的Q值。為了使Q0.707，C1和C2必須滿足C14Q²C12C2的關(guān)系。計(jì)算實(shí)際參數(shù)時(shí)，按C12Q/2flRo，C21/2

38、Q2flRo計(jì)算，這樣C1與C2不平衡，因此可以反過(guò)來(lái)演算Q值。 截至頻率的選定雖然具有一定的自由度，但是Ro的阻值過(guò)大，就會(huì)受OP放大器輸入偏流的影響而產(chǎn)生失調(diào)，應(yīng)計(jì)算IRo，分析一下是否有問(wèn)題，這里在反饋回路中加了R3以抵消輸入偏流。本電路中，A1時(shí)，Q0.5，與無(wú)源濾波器無(wú)區(qū)別。當(dāng)A大于1時(shí)，Q1/（B-A），12db/oct的巴特沃次濾波器A0.707，A可假定為：A3（1/Q）1.585，根據(jù)R4R3（A1），當(dāng)R310K時(shí)，R4可取5.85K，用5.1K和750K串聯(lián)而成。采用這種方式可具有A1.585的通常增益，再用接在前極或后級(jí)的電路使其衰減1/1.585。反饋電容C3的作用是

39、抑制因OP放大器的輸入電容C1產(chǎn)生的尖峰。當(dāng)fl100KHz時(shí)，若Ro10 K，則Co160PF，OP放大器的輸入電容C1或寄生電容就會(huì)產(chǎn)生影響，所以Co必須從計(jì)算值中減少510PF。另外，OP放大器可換成單增益寬帶產(chǎn)品。4.3.3元件的選用 在本電路中，選用OP07運(yùn)算放大器，取R110K,R2=10K,C1=C2=0.1f，R3由5.1和750的電阻串聯(lián)而成。4.4陷波濾波器4.4.1電路的功能只濾除或衰減特定的頻率時(shí)，可使用陷波濾波器。例如用它濾除電源頻率引起的交流聲、濾除基波后測(cè)量波形失真率等。采用雙T電路時(shí)，如果采用大的Q值，無(wú)用的頻率（衰減度最大）附近的信號(hào)也會(huì)跟著衰減，因此陷波器

40、的Q值要求可變。4.4.2電路工作原理其原理電路圖44所示。雙T電路由3個(gè)電阻、3個(gè)電容組成，基本上是雙對(duì)圖4-4 陷波濾波原理圖稱型的。單個(gè)無(wú)源濾波元件其衰減特性Q0.25，具有很好的寬頻響應(yīng)特性。參數(shù)確定：R2R3,C1C2,R4=R2/2,C3=2C1,f。1/2R2C1,在衰減極點(diǎn)處諧振。如果偏離以上條件，就不能獲得最大衰減量，同時(shí)須注意各種元件的誤差。OP放大器A1A3均起緩沖放大器的作用，A2用來(lái)加正反饋以改變阻抗，反饋量由R5和R6的分壓值確定。無(wú)反饋時(shí)的Q為0.25，如果設(shè)反饋后的Q為Q則：Q1/4×1/(1-k) 式中KRa/Ra+Rb分壓系數(shù)，便可以使Q值大幅度改

41、變。為T(mén)確定Q值，便可進(jìn)行以下計(jì)算： K=1-（1/4Q） 設(shè)：Rt=Ra+Rb 則 Ra=KRt R3=(1-k)Rt 增加可變電阻VR1，然后可設(shè)定Q的可變范圍。電路圖中列出參數(shù)是按Q=110，Rt=10K計(jì)算結(jié)果，VR1的滑動(dòng)觸點(diǎn)方向是靠近R1時(shí)Q值增大。 關(guān)于陷波頻率的設(shè)定，首先應(yīng)設(shè)定電容器E6系列中沒(méi)有容量正好成2倍增長(zhǎng)的產(chǎn)品，因此C3可用與C1相同的兩個(gè)電容并聯(lián)而成。 當(dāng)F0=50HZ時(shí)，若假定C0=0.047uf,則R0=67.72K（近似68 K）F0=60HZ時(shí)，R0=56.44K（近似56 K）R4由這兩個(gè)電阻并聯(lián)而成。4.4.3元件的選擇OP放大器應(yīng)選用適應(yīng)陷波頻率的產(chǎn)品

42、，50/60HZ的陷波濾波器可使用通用OP放大器。電阻可采用的誤差為±1%的金屬膜電阻。確定了所需Q值之后，如果不再需要調(diào)整，最好去掉VR1，因?yàn)榧词辜恿薞R1，一邊觀察頻率特性，一邊調(diào)整也是相當(dāng)?shù)睦щy的。C1C3用聚酯薄膜電容，最好選用誤差為±1%以內(nèi)的產(chǎn)品，不過(guò)也可以從誤差±5%的元件中挑選，再用電阻值微調(diào)。元件的具體選用見(jiàn)下表：代號(hào)名稱、規(guī)格數(shù)量R1、2、3、4、5、61/4W±1%金屬膜電阻6C1、2、3聚酯薄膜電容3A1、2、3運(yùn)算放大器34.4.4應(yīng)用說(shuō)明為了與50Hz、60Hz電源頻率相對(duì)應(yīng)，可以更換雙T電路，或者把本電路的陷波濾波器作為5

43、0Hz和60Hz兩極串聯(lián)。如果使用頻率限制濾波器測(cè)量失真時(shí)，可進(jìn)行3級(jí)串聯(lián)調(diào)諧設(shè)計(jì)，使之具有中心頻率±1%的衰減帶寬。4.5 積分電路的設(shè)計(jì)4.5.1引言 一般來(lái)說(shuō)，積分器的輸出信號(hào)變化緩慢，而且有很長(zhǎng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間周期。在這種情況下面臨的主要困難通常是直流漂移和漏流參數(shù)。 在設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器積分器時(shí)，必須對(duì)付的特殊誤差參數(shù)是：1）運(yùn)算放大器輸入偏置電流；2）運(yùn)算放大器輸入失衡電壓；3）電容器介質(zhì)漏電；4）電容器介質(zhì)吸收；5）置位/復(fù)位開(kāi)關(guān)時(shí)間。運(yùn)算放大器積分器的基本工作原理類似于反相放大器，唯一的差別是輸入電流不再傳送給電阻，而是傳送給電容器。U0=1/RC×Ui2=Cdu/d

44、ti1=u1/RU0(s)=1/Rcs×U1(s) Uc=Uoi2=-i1 恒定的輸入電壓U1將引起一個(gè)恒定電流i1流入反饋電容器C。電流i2(i1=-i2)將促使電容器電壓一定的變化率Uc/t遞增i2=C×Uc/t因?yàn)榍蠛徒狱c(diǎn)是虛地，所以電容器的兩端的電壓等于輸出電壓Uo，固有i2=C×Uo/t因?yàn)閕1=-i2,所以：i1=-C×Uo/t又因?yàn)閕1=U1/R所以U1=-Rc×(Uo/t)Uo=-(1/Rc×U1t)更準(zhǔn)確的表達(dá)式是：U1=-Rc×(du/dt)U0=-(1/Rc)u1dt至此我們來(lái)分析一下積分器的常見(jiàn)誤差4

45、.5.2運(yùn)算放大器偏置電流不難看出從求和節(jié)點(diǎn)流入反饋電容器電路的任何額外電流都會(huì)引起電器的充電率出現(xiàn)誤差。運(yùn)算放大器輸入晶體管的偏置電流將造成這種影響如果讓這種積分器的輸入開(kāi)路，i1應(yīng)當(dāng)為0。所以，如果輸出電壓過(guò)一段時(shí)間后偏離零值，那必然是由于運(yùn)算放大器的輸入端偏置電流對(duì)電容器進(jìn)行充電所致。I偏置=C×(Uo/t) 如果使用斬波穩(wěn)定式運(yùn)算放大器或低漏流的FET輸入管運(yùn)算放大器，就可以最大限度地減小這種影響。另一種方法是把一個(gè)輸入電阻接到求和接點(diǎn)，并使這個(gè)電阻上流過(guò)的電流與偏置電流大小相等但方向相反，這樣便可以抵消偏置電流。但是，由于偏置電流通常隨溫度而變化，所以，抵消網(wǎng)絡(luò)還必須配有溫

46、度補(bǔ)償電路。4.5.3運(yùn)算放大器失衡電壓如果i1不是嚴(yán)格等于E1/R1，就會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)誤差電流。輸入失衡電壓可以引起這種誤差。這個(gè)電壓求和節(jié)點(diǎn)偏離地電位，所以流經(jīng)R1的實(shí)際電流是：i1=(U1-Voff)/R1誤差電流為：Ierror=Voff/R1當(dāng)輸入U(xiǎn)1接地時(shí)，這個(gè)誤差電流（Ierror）將對(duì)反饋電容進(jìn)行充電。Ierror=C×(Uo/t)如果從外部把運(yùn)算放大器的失衡電壓調(diào)到零，就可以把這種誤差減至最小。由于失衡電壓隨溫度而變化，因此，解決這個(gè)問(wèn)題的最好辦法通常是使用低漂移的斬波穩(wěn)定式運(yùn)算放大器。4.5.4電容器介質(zhì)漏電電容器介質(zhì)漏電所引起的誤差是使輸出電壓“掉下來(lái)”，它等效于

47、在電容器兩端直接并聯(lián)一個(gè)電阻。其結(jié)果是電容器無(wú)法永遠(yuǎn)保持它的電荷，而是通過(guò)自身的旁路電阻逐漸把電荷放掉。為了減少這種影響，最好是使用聚苯乙烯電容器。這類電容的體積比其它電容稍大些，但是，如果尺寸太小是主要考慮因素的話，則可以使用聚碳酸脂電容和聚脂電容器。后兩類電容器的介質(zhì)漏電稍大些。一般來(lái)說(shuō)，為了盡可能減小電容器介質(zhì)漏電的影響，這幾類電容器 的容量應(yīng)選不大于110µF。4.5.5電容器介質(zhì)吸收這種效應(yīng)所引起的輸出誤差通常非常難以捉摸，往往很容易引起誤會(huì)。一般來(lái)說(shuō)，如果要求的精度優(yōu)于0.1%，這個(gè)誤差就非考慮不可。介質(zhì)吸收效應(yīng)的道路有點(diǎn)象剩磁效應(yīng)。所有的介質(zhì)材料都有不同的靜電“剩余”性

48、質(zhì)。介質(zhì)分子的“偶極子”必須順著外加靜電場(chǎng)的方向排列整齊。這就是電容器何以能夠保存電荷的原因所在。但是，與大多數(shù)其它物理現(xiàn)象一樣，這些偶極子也是力圖阻止這些變化。引起的表面效應(yīng)是我們可以觀察到如下的現(xiàn)象：如果我們把一個(gè)完全不帶電的電容器充電到1V，再撤掉電壓源并精確測(cè)量這個(gè)孤立電容器兩端上的電壓，我們就會(huì)觀察到當(dāng)撤掉電壓源時(shí)，電容器電壓很快下降到稍低于1V，這是因?yàn)樵谕怆妶?chǎng)撤除后，少數(shù)偶極子迅速恢復(fù)到它們的“原始”位置。如果還象前述那樣再用1V電壓源給這個(gè)電容器充電，然后撤掉電壓源，那就會(huì)看到電容器保存的電壓更接近1V。如果繼續(xù)這樣做下去，電容器最終將能夠在所要求的精度范圍內(nèi)保持住1V的電壓。

49、現(xiàn)在如果把這個(gè)電容器電路，以便使它再次變成不帶電。那么，在OV附近還會(huì)出現(xiàn)上述那樣的現(xiàn)象。電容器在最初被短路之后還會(huì)把原來(lái)的1V電荷保留下一部分，一直到重復(fù)了好幾次之后，所有偶極子才恢復(fù)原位，電容器才完全不帶電。為了減少這種效應(yīng)，最好還是使用聚苯乙烯電容器。同樣，如果體積是重要的限制因素，次好的選擇聚碳酸脂電容器。如果使用聚脂電容器或其它的劣質(zhì)介質(zhì)電容器（如陶瓷電容器和云母電容器），性能將變的越差。4.5.6置位/復(fù)位開(kāi)關(guān)時(shí)間一般來(lái)說(shuō)，積分器的大多數(shù)開(kāi)關(guān)誤差是由電路元件組合網(wǎng)絡(luò)的“RC時(shí)間常數(shù)”圖4-5 積分原理圖造成的。這些RC常數(shù)在積分器從一種工作方式切換到另一種工作方式時(shí)起交替作用?，F(xiàn)在

50、以圖45為例來(lái)說(shuō)明這種誤差。比方說(shuō)，我們是先把反饋電容C1充電到電壓Ei，也就是先置好積分初始狀態(tài)，然后才把網(wǎng)絡(luò)切換到積分工作方式。在積分期間Uo=1/(R1/C1)×toU1dt(Rb/Ra)×Ei 即：Uo=106 /(10K×0.01)×0tU1dt(1K/1K)×5V=104toU1dt5V由圖可見(jiàn)，在“置位”期間，輸出須經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能達(dá)到初始狀態(tài)。顯然，如果置位周期不夠長(zhǎng)，輸出就不能達(dá)到規(guī)定的初始值。這就造成了積分器在積分期間已有了一個(gè)輸出誤差。這就是所謂的“置位/復(fù)位開(kāi)關(guān)時(shí)間誤差” 。為了保證輸出能夠在預(yù)定的精度范圍內(nèi)達(dá)到初始值

51、，“置位”周期就必須足夠長(zhǎng)（比方說(shuō)，如果規(guī)定的精度為0.1%，則置位周期至少應(yīng)為RbC1值的7倍）。在這種情況下，Rb是設(shè)計(jì)的限制因素。Rb的阻值越小，在相同的達(dá)標(biāo)時(shí)間條件下輸出電壓初始值的精度就越高。但是，Rb的阻值最終將受到運(yùn)算放大器電流輸出能力的限制。鑒于上述原因以及本設(shè)計(jì)電路的要求，我們選擇了FET復(fù)位電路。4.5.7 FET復(fù)位電路電路原理圖見(jiàn)46Uo=-(1/R1C1)U1dt 這是一個(gè)既簡(jiǎn)單又非常有用的積分器。晶體管Q1（FET）用來(lái)作為把輸出復(fù)圖4-6 FET復(fù)位電路位到零的開(kāi)關(guān)。輸入信號(hào)U2來(lái)自+5V的555定時(shí)器電路（詳見(jiàn)第六節(jié)）。如果使用FET運(yùn)算放大器或斬波穩(wěn)定式放大器

52、，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出精度可優(yōu)于1%。復(fù)位開(kāi)關(guān)速度受到FET晶體管Q1的通導(dǎo)電阻（Ron）的限制。這個(gè)電阻通常為101000，具體視FET的類型而定。對(duì)于圖中所示的這種通用FET晶體簡(jiǎn)，Ron約為100。復(fù)位精度取決于Ron與C1所組成的時(shí)間常數(shù)。當(dāng)t=時(shí)，輸出從初值下降到63%，即精度只有27%當(dāng)t=2時(shí)，精度提高到13%當(dāng)t=3時(shí)，精度為5%當(dāng)t=7時(shí)，精度達(dá)到0.1%。所以，在上述電路中，復(fù)位時(shí)間必須為7才能達(dá)到0.1%的精度。FET開(kāi)關(guān)管（Q1）的柵極（G）和漏極（D）之間的漏電流是引起誤差是另一個(gè)因素。這個(gè)電流將流經(jīng)R1，造成失衡，使C1被充電。但是，如果選用優(yōu)質(zhì)的FET晶體管，這個(gè)電流可

53、保持低達(dá)1PA。FET晶體管的周圍以及運(yùn)算放大器求和節(jié)點(diǎn)附近的所有表面都必須保持清潔。任何端點(diǎn)之間的表面如果弄臟了，端點(diǎn)間的電壓梯度都會(huì)引起額外的漏電流。所有的積分器對(duì)這種影響十分敏感。為了盡量減小電壓梯度，往往需要使用靜電屏蔽技術(shù)。FET開(kāi)關(guān)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是漏電容小。柵極與漏極之間的電容一般在2PF以下。其它的優(yōu)點(diǎn)是成本低、電路簡(jiǎn)單，因此在本設(shè)計(jì)中，我們選用了FET積分電路。4.5.8積分器參數(shù)的確定在本設(shè)計(jì)中，若所確定的積分時(shí)間過(guò)大，則肯定不會(huì)誤報(bào)警或誤動(dòng)作，但易發(fā)生漏報(bào)警。若所設(shè)定的積分時(shí)間過(guò)短則容易產(chǎn)生誤報(bào)警或誤動(dòng)作。這是確定積分時(shí)間的一個(gè)矛盾所在，在綜合考慮各種因素后，我們?cè)O(shè)定積分時(shí)間=

54、200ms，則=R1C1=200ms因?yàn)榉聪喾e分器中的輸入電阻Rif=R，所以往往希望R取值大一些。但是加大R后，勢(shì)必減小C值，加劇積分漂移。若C值取得過(guò)大，又會(huì)帶來(lái)漏電和體積等方面的問(wèn)題。因此，一般選R滿足輸入電阻要求的條件下，盡量加大C值。但一般情況下積分電容的值均不宜超過(guò)1F。選C1=0.5F 又=R1C1=200msR1=400K則復(fù)位時(shí)間常數(shù)= Ron·C1=0.5×10-6 ×100s=50s所以在本設(shè)計(jì)電路中，復(fù)位時(shí)間至少為350s才能達(dá)到0.1%的精度。4.6 定時(shí)觸發(fā)電路因?yàn)榉e分器需要定時(shí)清零，這就需要一個(gè)定時(shí)的觸發(fā)器。而555定時(shí)器的一種基本應(yīng)

55、用模式是用作多諧震蕩器產(chǎn)生觸發(fā)脈動(dòng)，使得積分器放電。4.6.1 555作為多諧震蕩器的工作原理 如圖4-7所示，將555定時(shí)器外接兩個(gè)電阻Ra,Rb和一個(gè)電容C，便構(gòu)成無(wú)穩(wěn)態(tài)圖4-7 定時(shí)電路原理圖多諧震蕩器。因?yàn)?55定時(shí)器腳懸空，故上比較器A1的基準(zhǔn)電壓是2/3Vcc,而上比較器的基準(zhǔn)電壓是1/3Vcc。 剛接通電源的瞬間，定時(shí)電容C兩端電壓為零，觸發(fā)端腳電位低于1/3Vcc，A2輸出高電平使定時(shí)器引腳輸出高電平接著電源Vcc經(jīng)電阻Ra,Rb對(duì)電容C充電，使電容端電壓Vc上升，當(dāng)Vc上升到上升到大于上比較器的基準(zhǔn)電壓2/3Vcc時(shí)，定時(shí)器引腳輸出低電平電容C通過(guò)Ra,Rb放電，使電容的端電

56、壓逐漸下降。當(dāng)電容電壓降到低于1/3Vcc時(shí)下比較器輸出翻轉(zhuǎn)，變?yōu)楦唿c(diǎn)平，腳輸出為高電平，電源Vcc又通過(guò)RA和Rb向電容C充電，電容電壓由1/3Vcc開(kāi)始上升到2/3Vcc時(shí)，輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)；如此往復(fù)，電容電壓Vc(t)在1/3Vcc與2/3Vcc之間周期地充電和放電，使腳輸出電壓V0周期性的跳變，形成自激振蕩。如圖4-8所示：圖4-8 輸出波形圖4.6.2占空系數(shù)可調(diào)的振蕩器在本設(shè)計(jì)中定時(shí)器選用占空系數(shù)可調(diào)的振蕩器。選擇555多諧震蕩器的定時(shí)電容C的充放電采用不同的通道，則可擴(kuò)大振蕩器占空系數(shù)的調(diào)整范圍。圖4-9電路在基本555多諧震蕩器中增加了可調(diào)電阻Rw和兩個(gè)引導(dǎo)二極管，使電容C有不同的充放電通道。充電回路是