鋼絲繩芯膠帶輸送機故障監(jiān)測的裝置的設計正文

1、1 緒論1.1鋼繩芯膠帶運輸機的簡介1.1.1膠帶運輸機的工作原理、適用條件、優(yōu)缺點及類型膠帶運輸機，又叫皮帶運輸機。膠帶運輸機是以膠帶兼作牽引機構和承載機構的一種連續(xù)動作運輸設備，它在礦井地面和井下運輸中得到廣泛的應用。 圖1-1 膠帶輸送機工作原理圖1-膠帶 2-主動滾筒 3-機尾換向滾筒 4-托輥 5-拉緊裝置如圖1-1所示：膠帶1繞經主動滾筒2和機尾換向滾筒3形成一個無級的環(huán)行帶。上下兩股膠帶都支撐在托輥4上。拉緊裝置5給膠帶以正常運轉所需的張緊力。當主動滾筒在電動機驅動下旋轉時，借助于主動滾筒與膠帶之間的摩擦力而帶動膠帶及膠帶上的貨載一同連續(xù)運載，裝到膠帶上的貨載運到端部后，由于膠帶

2、的轉向而卸載，這就是膠帶輸送機的工作原理。上段膠帶運送貨載，膠帶的這一部分稱為工作段或重段，下股不裝運貨載稱為回空段。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，因為同樣寬的膠帶槽型承載面比平行的要大很多，而且貨載不宜灑落，回空段不裝運貨載，故用平型托輥支撐。托輥內裝有軸承，轉動靈活，運行阻力較小。膠帶輸送機可用于水平及傾斜運輸，通常情況下，沿傾斜向上運輸原煤時，傾角不能大于18º，向下運輸時，傾角不大于15º，運送附著性、粘接性大的物料時，傾角要大些。膠帶輸送機的優(yōu)點是運輸能力大而工作阻力小，耗電量小，約為刮板輸送機耗電量的1/31/5固在運輸過程中，貨載與膠

3、帶一起移動，故磨損小，貨載的破碎性小。由于結構簡單，既節(jié)省設備又節(jié)省人力，故廣泛應用于我國國民經濟的許多工業(yè)部門。國內外的生產實踐證明，膠帶輸送機無論在運輸能力方面，還是在經濟指標方面，都是一種較先進的運輸設備。投資高，又不適用于運送有棱角的貨載。隨著煤炭科學技術的發(fā)展，雖然在國內的膠帶輸送機轉彎運行的研究有所進展，但總的來說，膠帶輸送機對彎曲巷道的適應性比較差。隨著機械化和綜合化采煤工作面的不斷提高，膠帶輸送機已逐漸成為煤礦生產中的一種主要運輸設備。膠帶輸送機類型很多，適應范圍和特征各不相同。在煤礦中常用的膠帶機類型：普通型膠帶輸送機、繩架吊掛式膠帶輸送機、可伸縮膠帶輸送機、強力膠帶輸送機、

4、鋼絲繩牽引膠帶輸送機、大型氣墊膠帶輸送機。1.1.2強力膠帶輸送機簡介強力膠帶輸送機是指鋼繩芯膠帶輸送機。隨著我國煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，礦井運輸日益增大，在大型礦井主要水平及傾斜巷道，采用大運量、長距離的膠帶運輸機極為有利。但因普通型膠帶輸送機膠帶強度有限，故在有些礦井，為了滿足長距離運輸?shù)囊?，采?0多臺普通型膠帶輸送機串聯(lián)使用，組成一條長距離膠帶輸送線。由于使用設備臺數(shù)多，轉載次數(shù)多，導致設備成本高，致使運輸機運輸不合理，為此就有了創(chuàng)造運輸能力大、運距長、實現(xiàn)長距離無轉載運輸?shù)男滦瓦\輸機的要求，鋼繩芯膠帶輸送機就是為適應這種需要而設計的一種強力膠帶輸送機。它與普通型膠帶輸送機不同之處是用鋼

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度鋼絲繩作為帶芯。（如圖12所示）。鋼絲繩一般由長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：1）抗拉強度高，可滿足大運量、長距離的需要。國產鋼繩芯帶的帶芯強度d可達40000N/cm。聯(lián)邦德國生產的鋼繩芯帶的強度已達80000N/cm。計算表明，在水平運輸條件下，當帶寬為800mm，生產率為1800t/n,帶速為3m/s時，采用不同膠帶允許的單機長度比較如

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）彈性伸長和殘余伸長小，張緊裝置的行程可以大大減少。鋼繩芯帶的伸長量約為普通型膠帶的1/10左右。由于所需的張緊行程短，對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，不會出現(xiàn)“浪涌”現(xiàn)象，起動和制動比較容易控制。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。目前國內外鋼繩芯膠帶輸送機的槽角多數(shù)用到30º，有的達35º以上，這樣不僅可以增大運輸量，也可以防止膠帶跑偏。4）動態(tài)性能好，使用壽命長。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10年左右，使輸送機的運輸成本相應降低。5）輸送機的滾筒直徑相應較小。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，鋼繩芯帶一出現(xiàn)即在國內外得到了普遍的推廣和使用，并已成為膠帶輸送機的主要發(fā)展方向之一。1.2本論文的主要研究內容及意義輸送帶是輸送機的重要組成部分，其成本占整機的45之多。近年來，輸送機縱向撕裂事故時有發(fā)生，價值數(shù)十萬元（甚至數(shù)百萬元）的輸送機因縱向撕裂在幾分鐘內就會全部毀壞，造成很多的經濟損失，但至今我國仍沒有一種較理想的縱向撕裂的檢測手段或裝置應用于實踐。一部分用戶雖裝有

8、從國外引進的或國產的防撕裂裝置，但使用效果都不好。有的在故障發(fā)生時并未發(fā)現(xiàn)，有的在未出現(xiàn)故障時發(fā)生了動作信號。為了防患于未然，防止輸送帶撕裂后事故繼續(xù)擴大，本設計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換成電信號。當超過危險值時，就會使得控制箱動作。1.3 鋼繩芯膠帶的縱向撕裂監(jiān)測保護的國內外研究概括目前，輸送帶的防撕裂保護裝置有發(fā)生撕裂后輸送帶外部變化的檢測和內部狀態(tài)變化的兩類檢測方式。1.3.1外部檢測系統(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)限位開關或壓力傳感器，指令輸送機停車。2）弦線式裝置該裝置由細鋼絲或尼龍線作為探頭，將其安置在緩

9、沖托輥之間穿過小孔與槽型帶下表面貼合，線的一端裝一個彈簧限位開關。當線斷裂或拉力增大都會啟動開關。3） 條形板壓力開關該裝置是將數(shù)塊條形板安裝在一起構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使正對著該物體的條形板動作，從而觸發(fā)開關。1.3.2機械電氣聯(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）便帶動小皮帶運動，通過杠桿使膠帶輸送機停止運動。電氣方面在小皮帶上分布著導線，當異物刺破輸送帶時，使小皮帶的導線刺破切斷，控制裝置切斷輸送機的電源使整機停止運動。輸送機外表面突起的檢測保護裝置的動作均取決于檢測裝置與輸送帶和刺穿物

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

11、開關指令輸送機停車，圖13所示的結構是當物料泄漏后進入容器中使保護裝置起作用。3）帶寬監(jiān)測器當某一截面的帶寬變小時說明輸送帶可能撕裂，保護裝置動作，為使邊緣損壞的輸送帶段能通過寬度監(jiān)測器而不誤停車，監(jiān)測器中應裝有可調的時間繼電器。帶寬監(jiān)測器有超聲波檢測系統(tǒng)和分托輥架式檢測器，該裝置尚處于研制試驗階段。1.3.4內部檢測系統(tǒng)內部檢測系統(tǒng)是通過輸送帶撕裂后，輸送帶內部物理量的檢測，通過信號的撕裂前后的差異來檢測出撕裂。1)振動檢測裝置該檢測裝置的震動器是一個偏心圓盤，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置振動接收器，它以自由回轉的棍子與輸送帶接觸，當膠帶輸送機運轉時，偏心圓盤使輸

12、送帶產生橫向強迫振動，振動接收器受輸送帶發(fā)生縱向撕裂時，振動接收器不受振動作用，輸出的信號相應減弱，從而使膠帶輸送機停車。2)超聲波檢測系統(tǒng)采用超聲波探傷的方式在輸送帶的一側安放一個超聲波發(fā)射觸頭，在輸送帶的另一端安放接收觸頭，當輸送帶沒撕裂時，接收觸頭為某一信號，當輸送帶撕裂后，接收觸頭接收另一種信號，通過對比器再通過驅動電路去切斷主電流。3)金屬線圈系統(tǒng)其最簡單的形式是線圈粘貼進輸送帶的底層，當線圈經過與其不接觸的電磁波發(fā)射時，線圈中將感應出電流，如果線圈斷電，則輸送機停運。導磁橡膠檢測系統(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、安一個強導磁帶，這樣就構成一個閉合的磁短路環(huán)，如果出現(xiàn)輸送帶撕裂，導磁橡膠與輸送帶分開，輸送帶外面就會出現(xiàn)磁場，磁接收裝置收到磁信號便會停止運行。4)無觸點電子監(jiān)測器日本采用的輸送帶防撕裂無觸點監(jiān)測器在輸送帶內隔50100m布置兩個可繞曲的導線框，并在裝料點之后的輸送帶下面設接收、發(fā)射天線各一根，當輸送帶發(fā)生縱向撕裂時，導線框和天線之間感應形成的電路被切斷，由此輸送機停車，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裝置這種裝置使被監(jiān)測的鋼絲繩芯輸送帶必須預先埋入監(jiān)視導線，導線相距為30-60m,1m寬帶配一根監(jiān)視導線,1.2m以上的帶寬配有兩根監(jiān)視導線,監(jiān)視導線形

14、成閉合回路。在裝載點前后監(jiān)視處各安裝一個BSE-12型發(fā)射機和接收機,在輸送帶運行過程中,輸送帶上某一監(jiān)視導線經過發(fā)射機S1時,如輸送帶未被撕裂,輸送帶上的導線未斷,則接收機E1將通過導線接收發(fā)射機S1的信號,輸送帶繼續(xù)前進,該導線經過危險點的發(fā)射機S2時,如果輸送帶仍然完好,則E2收到S2的信號,這兩個信號先后送入控制裝置,證明輸送帶無撕裂.如輸送帶在危險點已被撕裂,該監(jiān)視導線已被拉斷,則E2接收不到S2發(fā)射的信號,這時控制裝置只有前一個信號輸出,證明輸送帶已發(fā)生撕裂,于是控制繼電器動作,切斷整機電源,輸送機停止運轉。前面介紹了各種外部檢測輸送帶防撕裂裝置.作為外部檢測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輸送帶,其原因在于輸送帶的撕裂會產生外部態(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裝置是無法確保輸送帶不被撕裂,這就要求保護裝置應能綜合各種因素的特點進行檢測。另一方面輸送帶撕裂后其外部性態(tài)的變化是很微小的,而無論是輸送帶還是整機的安裝、制造和運行都不能是十分精確的，因而就必須造成檢測裝置或誤動作或靈敏度差。內部檢測系統(tǒng)具有動作靈敏可靠的優(yōu)點，但由于輸送帶本身制造困難，造價高，輸送帶不易維修也給其推廣使用帶來困難。因此，為了防患于未然，設計一個安全、可靠、經濟、實用的防撕裂保護裝置迫在眉睫。2 縱向撕裂的監(jiān)測診斷方法概述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，自由旋轉的端蓋就象旋轉的刀片一樣把輸送帶割開；長條金屬物料夾在溜槽與承載托輥處把輸送帶撕裂。 根據試驗和分析，輸送帶開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）長條鐵、木棒，如鐵釬、巷道木柱、廢工具。當物料從料斗卸出時，如物料中混有大塊異物將被料斗壁1擋住卡在出料口，而對于鋼繩芯膠帶抗拉強度很高，但由于鋼絲繩之間存在著一定的間距

17、（如圖2-1所示），當異物扎在橡膠層上后則從鋼絲繩的中間把運輸帶劈開，而運輸在不斷地進行，造成了膠帶的縱向撕裂。另外，當覆蓋膠損壞后，鋼絲易腐蝕等。圖2-1 鋼繩芯膠帶結構圖在綜合考慮上述撕裂的可能性后應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；導料槽設計要便于大塊物料通過等。多數(shù)輸送機系統(tǒng)還應裝設撕裂檢測系統(tǒng)，當輸送帶發(fā)生撕裂時及時檢測出，使輸送機停運以減少輸送帶的撕裂。2.2縱向撕裂故障的判斷依據及診斷方法通過將近一個月的實地調研，我們了解到輸送帶開始撕裂的部位85%以上都發(fā)生在給料處，而目前國

18、內外的各種檢測方法并不能從根本上保護輸送帶。綜合考慮各種因素，我認為防撕裂檢測裝置重點應在輸送機的尾部?，F(xiàn)制定方案如下：在機尾的輸送帶下方的緩沖托輥左右兩托輥內各安裝一個壓力傳感器，若壓力超過預定的值后并持續(xù)一定的時間，則證明輸送帶有可能或已經發(fā)生撕裂，于是控制電路動作，切斷整機電源，輸送機停止運轉。這種檢測方法制造、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)測原理及傳感器設計3.1縱向撕裂的監(jiān)測原理目前對膠帶運輸機皮帶的撕裂監(jiān)測的研究已有很多，但真正能達到防患于未然的目的卻幾乎沒有。在本設計中的主要設計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、對膠帶的作用，通過分析，處理電路所得的信號，再通過計算機對它進行控制。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，使卡的力越來越大，最后膠帶被撕裂。 為緩和落料口處落料對膠帶的沖擊，在落料口下鋪設三排槽型緩沖托輥，相鄰距離為30公分。運用緩沖托輥對托輥有一定的保護作用。運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邊托輥和一個底托輥組成，壓力傳感器分別安放在兩側的托輥軸中，所以本設計中共用六個壓力傳感器，每組兩側的傳感器可以感受到其上方及其托輥之間的壓力。這樣就不會因為壓力作用偏到一邊，或作用在兩組托輥之間而造成測量

20、不精確。因為無論它的作用力怎么偏或斜，它們作用在六個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，同時也使得測量的精度加強。壓力通過六個傳感器轉變成六個電壓信號，在監(jiān)控電路中，加強放大電路將六個電壓信號放大相加，為防止誤動作，先經過低通濾波電路，濾除一些無用的雜信號，再經過一個積分電路把沖擊所帶來的大信號濾除，最后把積分所得的結果輸入比較器中，若該積分值超過預定的閾值，則比較器輸出高電平，向計算機發(fā)出中斷信號，請求計算機先停止其它操作來處理該指令，計算機發(fā)出指令，令控制箱動作，以達到保護膠帶的目的。3.2傳感器的設計及安裝3.2.1傳感器的簡

21、介從測量對象中直接取出有用信號的裝置稱為傳感器。它的作用是把被測物理量轉換為與其相應的容易檢測、傳輸和處理的信號。傳感器可以把被測對象如力、位移、振動、溫度等的變化轉換為可測信號傳到測量電路，經放大、分析運算傳輸?shù)接涗浕蝻@示器中測量者觀察。傳感器是測量裝置的輸入環(huán)節(jié)，它的性能和可靠性直接影響整個測量裝置的性能和可靠性。無論多么復雜的傳感器，都是由檢測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（被測信號）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，則此靈敏度為干擾靈敏度。整個傳感器靜態(tài)特性的分析應與控制理論相聯(lián)系。隨著科學技術的發(fā)展，對檢測和轉換裝置的可靠性要求愈來愈高。所謂可靠性是指工作條件時間內，檢測與轉換裝置保持原有產品技術性能的能力。傳感器結構的小型化、微型化和復雜化在一定程度上影響它的可靠性。近年來，研究出確定結構和元件壽命的實驗方法。用這種方法獲得的數(shù)據可以求出整個傳感器或電子測量裝置的概率壽命。3.2.2傳感器的選擇設計計算測量皮帶運輸機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。我們選擇了應變式傳感器。它的工作原理是當被測壓力信號傳遞到粘貼有電阻應變片的膜片產生變形，電阻應變片組成

23、的電橋對角端有不平衡電壓輸出，該電壓正比于作用在傳感器上的被測壓力。應變式壓力傳感器有精度高、體積小、重量輕、測量范圍寬、固有頻率高同時耐振動、耐沖擊，由于應變式壓力傳感器具有以上的優(yōu)點，又因為運輸機落料口處沖擊大、振動大，所以我選擇了應變式壓力傳感器。3.2.3傳感器型號的選擇單位長度貨量決定于膠帶上被運載的貨物的斷面積和貨物的密度,對于連續(xù)于連續(xù)貨流的膠帶輸送機單位長度質量為：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根據已知條件：帶寬B=1.2m,托輥間距為30cm,運載的貨物為原煤，查礦山運輸機械設計表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它的總質量Q煤0.9×q0.9×113.2kg101.9kg查文獻礦井運輸及提升設備得上托輥每米質量為qg10.4kg/m又帶寬1.2m的槽型托輥長為0.4B0.4×1.20.48m每節(jié)上托輥的質量為Qg10.4×0.484.992kg又因為在運輸機的尾部安放三組緩沖托輥，而每組槽型托輥由

26、三個托輥組成，因此托輥的總質量為Qg4.992×944.928 kg圖3-2 傳感器安裝示意圖又根據連續(xù)運輸機表127，選取Gx4000皮帶，其每米質量為q。57kg/m。在檢測部分鋼繩芯帶的質量Q。57×0.951.3kg據試驗（如圖32所示）可得，當附加力超過200kgF時，才有可能發(fā)生皮帶撕裂。據上面所得的數(shù)據，選擇安徽電子科研所生產的TL3型拉力傳感器，其測量范圍為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、送機的裝載處由于不可避免的物料對托輥的沖擊，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所示為了檢測方便和對撕裂裝置的保護以及維修，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，另一根為實心軸，整個軸組裝后，將引出線用環(huán)氧樹脂固壓在軸孔內，傳感器與軸接觸面加環(huán)氧樹脂固緊，其安裝圖如圖33所示。3.3傳感器的工作原理等參數(shù)通過它們產生的金屬變形轉換成電阻變化的檢測元件，這種傳感器具有體積小、動態(tài)影響快、測量精度高等優(yōu)點。3.4應變片的結構形式應變片

28、有多種形式，目前常用的有兩大類金屬應變片；半導體應變片。金屬電阻應變片有絲式、箔式和薄膜式等。我選用T箔式傳感器，箔式應變片是用光刻技術，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，使用時散熱條件好等優(yōu)點，有逐步代替絲式應變片的趨勢。絲式應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。半導體應變片由P型硅單晶片和膠膜襯底、引線等組成。它的頻率響應高，比金屬應變片高幾十倍。此外還可制成小型、超小型。但是，它的缺點是電阻溫度系數(shù)大，穩(wěn)定性差，應變電阻變換的非線性較大。3.5應變效應單根導線可用式R·L/S來表

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

30、(1+2+lE)此式就是應變效應的表達式，應變靈敏度系數(shù)K為：KdR/R/1+2+lE K應變片的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)前兩項是幾何尺寸變化引起的。對于金屬絲應變片來說，其lE值很小，可以忽略不計。因此，其靈敏系數(shù)K（1+2），其值在12之間。但半導體材料的lE值卻很大，其值在60170之間，遠遠大于（1+2）。因此，半導體應變片的靈敏系數(shù)K遠比金屬絲應變片大。3.6工作原理我設計的壓力傳感器采用的是應變式壓力傳感器即箔式傳感器，其內部是一個由四個阻值相等的金屬箔電阻應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，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓U為零。

31、當其受到一定的壓力作用時，相對橋臂上的應變片阻值同時變化，一對變大，另一對變小，使電橋失去平衡，在輸出端產生一個電圖3-4 橋式電路原理圖壓信號，該電壓值的大小便反映了應變片的大小，也就反映了引起應變片應變的壓力值的大小。當應變引起的阻值變化為R時，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。設應變片的靈敏度為K1，則有R/RK1 （3-2）應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。而對于確定形狀的傳感器，它所受的壓力或拉力F與應變片處的壓力有一個確定的關系，且通常是一種線性變化關系，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 由上式可見當傳感器的材料確定，形狀確定，所用應變片確定且供橋電壓穩(wěn)定時，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系。令常量k1·k2/EK，則有以下兩式UK·Ucc·F （36）R/RK·F （37）箔式應變傳感器輸出的橋式信號有著這樣兩個特點：1）輸出信號較小，通常單位供橋電壓下的滿量程輸出只有幾個毫伏以下；2）當供橋電源電壓不穩(wěn)時，其輸出信號會產生誤差，由穩(wěn)定電壓帶來50Hz信號干

33、擾是常見的。鑒于電橋輸出信號的上述特點，同時考慮到每個力傳感器的輸出信號有著相同的特性，所需的處理、變送方法也相同，可通過相加共用一個處理變換電路，所以我們將來采用這樣一些處理變換電路，如圖35所示。由兩個力傳感器分別測得加在緩沖托輥上的重力，兩者之和的1/2為整個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加起來，同時由于信號較弱，予以放大是必須的，所以把加法和放大電路并在一起，然后考慮到被測的力信號是一個緩變的低頻信號，再使之通過一個低通濾波器和50Hz陷波器以濾除已經放大的高頻干擾及50Hz干擾信號，最后將處理好的信號積分以后送給單片機的快速輸入口，進行后續(xù)的采集和計算。以下就

34、是傳感器的供電問題以及上述各級處理的電路的設計原理作一個簡單的介紹：圖3-5 信號處理電路3.7傳感器供電電源4 傳感變送電路的設計4.1概述通過一個加法電路把經過傳感器轉變而成的六個電壓信號放大相加，為圖4-1 信號處理電路了防止誤動作，先經過低通濾波濾除一些無用的信號，再經過50/60Hz陷波濾波電路濾除電源所帶來的頻率，然后經過一個積分電路把一些沖擊所帶來的大信號濾除，最后把積分所得的結果輸入比較器，若該積分值超過預定的閾值，則比較器輸出高電平，向計算機發(fā)出中斷信號，請求計算機先停止其它操作來處理該命令，計算機發(fā)出指令，令控制箱動作，切斷整機電源，其原理框圖見圖41。圖4-2 加法放大電

35、路原理圖4.2加法放大器的設計4.2.1電路的功能加法運算器是指輸出信號是幾個輸入信號的和。根據求和端子的不同有反相加法器和同相加法器。在設計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。根據運算放大器的“虛短”和“虛斷”性質，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元件選用因為放大電阻的放大倍數(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。根據本電路的各項參數(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（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單的抗折迭濾波器使用。相當于緩沖放大器的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，并且對于C2來說，反饋電容C1應取大容量。圖4-3 濾波電路原理圖以保證達到規(guī)定的Q值。為了使Q0.707，C1和C2必須滿足C14Q²C12C2的關系。計算實際參數(shù)時，按C12Q/2flRo，C21/2

38、Q2flRo計算，這樣C1與C2不平衡，因此可以反過來演算Q值。 截至頻率的選定雖然具有一定的自由度，但是Ro的阻值過大，就會受OP放大器輸入偏流的影響而產生失調，應計算IRo，分析一下是否有問題，這里在反饋回路中加了R3以抵消輸入偏流。本電路中，A1時，Q0.5，與無源濾波器無區(qū)別。當A大于1時，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R4R3（A1），當R310K時，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產生的尖峰。當fl100KHz時，若Ro10 K，則Co160PF，OP放大器的輸入電容C1或寄生電容就會產生影響，所以Co必須從計算值中減少510PF。另外，OP放大器可換成單增益寬帶產品。4.3.3元件的選用 在本電路中，選用OP07運算放大器，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，可使用陷波濾波器。例如用它濾除電源頻率引起的交流聲、濾除基波后測量波形失真率等。采用雙T電路時，如果采用大的Q值，無用的頻率（衰減度最大）附近的信號也會跟著衰減，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個電阻、3個電容組成，基本上是雙對圖4-4 陷波濾波原理圖稱型的。單個無源濾波元件其衰減特性Q0.25，具有很好的寬頻響應特性。參數(shù)確定：R2R3,C1C2,R4=R2/2,C3=2C1,f。1/2R2C1,在衰減極點處諧振。如果偏離以上條件，就不能獲得最大衰減量，同時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用來加正反饋以改變阻抗，反饋量由R5和R6的分壓值確定。無反饋時的Q為0.25，如果設反饋后的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確定Q值，便可進行以下計算： K=1-（1/4Q） 設：Rt=Ra+Rb 則 Ra=KRt R3=(1-k)Rt 增加可變電阻VR1，然后可設定Q的可變范圍。電路圖中列出參數(shù)是按Q=110，Rt=10K計算結果，VR1的滑動觸點方向是靠近R1時Q值增大。 關于陷波頻率的設定，首先應設定電容器E6系列中沒有容量正好成2倍增長的產品，因此C3可用與C1相同的兩個電容并聯(lián)而成。 當F0=50HZ時，若假定C0=0.047uf,則R0=67.72K（近似68 K）F0=60HZ時，R0=56.44K（近似56 K）R4由這兩個電阻并聯(lián)而成。4.4.3元件的選擇OP放大器應選用適應陷波頻率的產品

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，如果不再需要調整，最好去掉VR1，因為即使加了VR1，一邊觀察頻率特性，一邊調整也是相當?shù)睦щy的。C1C3用聚酯薄膜電容，最好選用誤差為±1%以內的產品，不過也可以從誤差±5%的元件中挑選，再用電阻值微調。元件的具體選用見下表：代號名稱、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運算放大器34.4.4應用說明為了與50Hz、60Hz電源頻率相對應，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量失真時，可進行3級串聯(lián)調諧設計，使之具有中心頻率±1%的衰減帶寬。4.5 積分電路的設計4.5.1引言 一般來說，積分器的輸出信號變化緩慢，而且有很長的穩(wěn)態(tài)時間周期。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)。 在設計運算放大器積分器時，必須對付的特殊誤差參數(shù)是：1）運算放大器輸入偏置電流；2）運算放大器輸入失衡電壓；3）電容器介質漏電；4）電容器介質吸收；5）置位/復位開關時間。運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因為求和接點是虛地，所以電容器的兩端的電壓等于輸出電壓Uo，固有i2=C×Uo/t因為i1=-i2,所以：i1=-C×Uo/t又因為i1=U1/R所以U1=-Rc×(Uo/t)Uo=-(1/Rc×U1t)更準確的表達式是：U1=-Rc×(du/dt)U0=-(1/Rc)u1dt至此我們來分析一下積分器的常見誤差4

45、.5.2運算放大器偏置電流不難看出從求和節(jié)點流入反饋電容器電路的任何額外電流都會引起電器的充電率出現(xiàn)誤差。運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路，i1應當為0。所以，如果輸出電壓過一段時間后偏離零值，那必然是由于運算放大器的輸入端偏置電流對電容器進行充電所致。I偏置=C×(Uo/t) 如果使用斬波穩(wěn)定式運算放大器或低漏流的FET輸入管運算放大器，就可以最大限度地減小這種影響。另一種方法是把一個輸入電阻接到求和接點，并使這個電阻上流過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，抵消網絡還必須配有溫

46、度補償電路。4.5.3運算放大器失衡電壓如果i1不是嚴格等于E1/R1，就會出現(xiàn)另一個誤差電流。輸入失衡電壓可以引起這種誤差。這個電壓求和節(jié)點偏離地電位，所以流經R1的實際電流是：i1=(U1-Voff)/R1誤差電流為：Ierror=Voff/R1當輸入U1接地時，這個誤差電流（Ierror）將對反饋電容進行充電。Ierror=C×(Uo/t)如果從外部把運算放大器的失衡電壓調到零，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，解決這個問題的最好辦法通常是使用低漂移的斬波穩(wěn)定式運算放大器。4.5.4電容器介質漏電電容器介質漏電所引起的誤差是使輸出電壓“掉下來”，它等效于

47、在電容器兩端直接并聯(lián)一個電阻。其結果是電容器無法永遠保持它的電荷，而是通過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漏電稍大些。一般來說，為了盡可能減小電容器介質漏電的影響，這幾類電容器 的容量應選不大于110µF。4.5.5電容器介質吸收這種效應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。一般來說，如果要求的精度優(yōu)于0.1%，這個誤差就非考慮不可。介質吸收效應的道路有點象剩磁效應。所有的介質材料都有不同的靜電“剩余”性

48、質。介質分子的“偶極子”必須順著外加靜電場的方向排列整齊。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。引起的表面效應是我們可以觀察到如下的現(xiàn)象：如果我們把一個完全不帶電的電容器充電到1V，再撤掉電壓源并精確測量這個孤立電容器兩端上的電壓，我們就會觀察到當撤掉電壓源時，電容器電壓很快下降到稍低于1V，這是因為在外電場撤除后，少數(shù)偶極子迅速恢復到它們的“原始”位置。如果還象前述那樣再用1V電壓源給這個電容器充電，然后撤掉電壓源，那就會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保持住1V的電壓。

49、現(xiàn)在如果把這個電容器電路，以便使它再次變成不帶電。那么，在OV附近還會出現(xiàn)上述那樣的現(xiàn)象。電容器在最初被短路之后還會把原來的1V電荷保留下一部分，一直到重復了好幾次之后，所有偶極子才恢復原位，電容器才完全不帶電。為了減少這種效應，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介質電容器（如陶瓷電容器和云母電容器），性能將變的越差。4.5.6置位/復位開關時間一般來說，積分器的大多數(shù)開關誤差是由電路元件組合網絡的“RC時間常數(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起交替作用?，F(xiàn)在

50、以圖45為例來說明這種誤差。比方說，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)，然后才把網絡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，在“置位”期間，輸出須經過一定的時間才能達到初始狀態(tài)。顯然，如果置位周期不夠長，輸出就不能達到規(guī)定的初始值。這就造成了積分器在積分期間已有了一個輸出誤差。這就是所謂的“置位/復位開關時間誤差” 。為了保證輸出能夠在預定的精度范圍內達到初始值

51、，“置位”周期就必須足夠長（比方說，如果規(guī)定的精度為0.1%，則置位周期至少應為RbC1值的7倍）。在這種情況下，Rb是設計的限制因素。Rb的阻值越小，在相同的達標時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算放大器電流輸出能力的限制。鑒于上述原因以及本設計電路的要求，我們選擇了FET復位電路。4.5.7 FET復位電路電路原理圖見46Uo=-(1/R1C1)U1dt 這是一個既簡單又非常有用的積分器。晶體管Q1（FET）用來作為把輸出復圖4-6 FET復位電路位到零的開關。輸入信號U2來自+5V的555定時器電路（詳見第六節(jié)）。如果使用FET運算放大器或斬波穩(wěn)定式放大器

52、，這個網絡的輸出精度可優(yōu)于1%。復位開關速度受到FET晶體管Q1的通導電阻（Ron）的限制。這個電阻通常為101000，具體視FET的類型而定。對于圖中所示的這種通用FET晶體簡，Ron約為100。復位精度取決于Ron與C1所組成的時間常數(shù)。當t=時，輸出從初值下降到63%，即精度只有27%當t=2時，精度提高到13%當t=3時，精度為5%當t=7時，精度達到0.1%。所以，在上述電路中，復位時間必須為7才能達到0.1%的精度。FET開關管（Q1）的柵極（G）和漏極（D）之間的漏電流是引起誤差是另一個因素。這個電流將流經R1，造成失衡，使C1被充電。但是，如果選用優(yōu)質的FET晶體管，這個電流可

53、保持低達1PA。FET晶體管的周圍以及運算放大器求和節(jié)點附近的所有表面都必須保持清潔。任何端點之間的表面如果弄臟了，端點間的電壓梯度都會引起額外的漏電流。所有的積分器對這種影響十分敏感。為了盡量減小電壓梯度，往往需要使用靜電屏蔽技術。FET開關的一個優(yōu)點是漏電容小。柵極與漏極之間的電容一般在2PF以下。其它的優(yōu)點是成本低、電路簡單，因此在本設計中，我們選用了FET積分電路。4.5.8積分器參數(shù)的確定在本設計中，若所確定的積分時間過大，則肯定不會誤報警或誤動作，但易發(fā)生漏報警。若所設定的積分時間過短則容易產生誤報警或誤動作。這是確定積分時間的一個矛盾所在，在綜合考慮各種因素后，我們設定積分時間=

54、200ms，則=R1C1=200ms因為反相積分器中的輸入電阻Rif=R，所以往往希望R取值大一些。但是加大R后，勢必減小C值，加劇積分漂移。若C值取得過大，又會帶來漏電和體積等方面的問題。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1F。選C1=0.5F 又=R1C1=200msR1=400K則復位時間常數(shù)= Ron·C1=0.5×10-6 ×100s=50s所以在本設計電路中，復位時間至少為350s才能達到0.1%的精度。4.6 定時觸發(fā)電路因為積分器需要定時清零，這就需要一個定時的觸發(fā)器。而555定時器的一種基本應

55、用模式是用作多諧震蕩器產生觸發(fā)脈動，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定時器外接兩個電阻Ra,Rb和一個電容C，便構成無穩(wěn)態(tài)圖4-7 定時電路原理圖多諧震蕩器。因為555定時器腳懸空，故上比較器A1的基準電壓是2/3Vcc,而上比較器的基準電壓是1/3Vcc。 剛接通電源的瞬間，定時電容C兩端電壓為零，觸發(fā)端腳電位低于1/3Vcc，A2輸出高電平使定時器引腳輸出高電平接著電源Vcc經電阻Ra,Rb對電容C充電，使電容端電壓Vc上升，當Vc上升到上升到大于上比較器的基準電壓2/3Vcc時，定時器引腳輸出低電平電容C通過Ra,Rb放電，使電容的端電

56、壓逐漸下降。當電容電壓降到低于1/3Vcc時下比較器輸出翻轉，變?yōu)楦唿c平，腳輸出為高電平，電源Vcc又通過RA和Rb向電容C充電，電容電壓由1/3Vcc開始上升到2/3Vcc時，輸出發(fā)生翻轉；如此往復，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)可調的振蕩器在本設計中定時器選用占空系數(shù)可調的振蕩器。選擇555多諧震蕩器的定時電容C的充放電采用不同的通道，則可擴大振蕩器占空系數(shù)的調整范圍。圖4-9電路在基本555多諧震蕩器中增加了可調電阻Rw和兩個引導二極管，使電容C有不同的充放電通道。充電回路是