钢丝绳芯胶带输送机故障监测的装置的设计【4张CAD图纸+毕业论文】

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HIS硬件结构及引脚控制 32 5.4 HSO的硬件结构及引脚 32 5.5 监测系统的软件设计 32 结束语 34 参考文献 35 致谢……………………………………………………………………………36 1 绪论 1.1钢绳芯胶带运输机的简介 1.1.1胶带运输机的工作原理、适用条件、优缺点及类型 胶带运输机，又叫皮带运输机。胶带运输机是以胶带兼作牵引机构和承载机构的一种连续动作运输设备，它在矿井地面和井下运输中得到广泛的应用。 图1-1 胶带输送机工作原理图 1-胶带 2-主动滚筒 3-机尾换向滚筒 4-托辊 5-拉紧装置 如图1-1所示：胶带1绕经主动滚筒2和机尾换向滚筒3形成一个无级的环行带。上下两股胶带都支撑在托辊4上。拉紧装置5给胶带以正常运转所需的张紧力。当主动滚筒在电动机驱动下旋转时，借助于主动滚筒与胶带之间的摩擦力而带动胶带及胶带上的货载一同连续运载，装到胶带上的货载运到端部后，由于胶带的转向而卸载，这就是胶带输送机的工作原理。 上段胶带运送货载，胶带的这一部分称为工作段或重段，下股不装运货载称为回空段。胶带的工作段一般采用槽型托辊支撑，使其成为槽型承载断面，因为同样宽的胶带槽型承载面比平行的要大很多，而且货载不宜洒落，回空段不装运货载，故用平型托辊支撑。托辊内装有轴承，转动灵活，运行阻力较小。 胶带输送机可用于水平及倾斜运输，通常情况下，沿倾斜向上运输原煤时，倾角不能大于18º，向下运输时，倾角不大于15º，运送附着性、粘接性大的物料时，倾角要大些。 胶带输送机的优点是运输能力大而工作阻力小，耗电量小，约为刮板输送机耗电量的1/3～1/5固在运输过程中，货载与胶带一起移动，故磨损小，货载的破碎性小。由于结构简单，既节省设备又节省人力，故广泛应用于我国国民经济的许多工业部门。国内外的生产实践证明，胶带输送机无论在运输能力方面，还是在经济指标方面，都是一种较先进的运输设备。 投资高，又不适用于运送有棱角的货载。随着煤炭科学技术的发展，虽然在国内的胶带输送机转弯运行的研究有所进展，但总的来说，胶带输送机对弯曲巷道的适应性比较差。 随着机械化和综合化采煤工作面的不断提高，胶带输送机已逐渐成为煤矿生产中的一种主要运输设备。胶带输送机类型很多，适应范围和特征各不相同。在煤矿中常用的胶带机类型：普通型胶带输送机、绳架吊挂式胶带输送机、可伸缩胶带输送机、强力胶带输送机、钢丝绳牵引胶带输送机、大型气垫胶带输送机。 1.1.2强力胶带输送机简介 强力胶带输送机是指钢绳芯胶带输送机。随着我国煤炭工业的迅速发展，矿井运输日益增大，在大型矿井主要水平及倾斜巷道，采用大运量、长距离的胶带运输机极为有利。但因普通型胶带输送机胶带强度有限，故在有些矿井，为了满足长距离运输的要求，采用10多台普通型胶带输送机串联使用，组成一条长距离胶带输送线。由于使用设备台数多，转载次数多，导致设备成本高，致使运输机运输不合理，为此就有了创造运输能力大、运距长、实现长距离无转载运输的新型运输机的要求，钢绳芯胶带输送机就是为适应这种需要而设计的一种强力胶带输送机。它与普通型胶带输送机不同之处是用钢绳芯胶带取代了普通胶带。钢绳芯胶带是用一组平行放置的高强度钢丝绳作为带芯。（如图1－2所示）。钢丝绳一般由长根直径相等的钢丝顺绕制成，中间的钢丝较粗，以便为橡胶透进钢绳。芯胶的材料可稍次于面胶，但必须具备与钢丝有较好的浸透性和粘合性。钢丝绳的排列采用左绕和右绕相间，以保证胶带的平整。 1.1.3钢绳芯带与普通胶带相比，具有下列主要优点： 1）抗拉强度高，可满足大运量、长距离的需要。国产钢绳芯带的带芯强度бd可达40000N/cm。联邦德国生产的钢绳芯带的强度已达80000N/cm。计算表明，在水平运输条件下，当带宽为800mm，生产率为1800t/n,带速为3m/s时，采用不同胶带允许的单机长度比较如下： 钢绳芯胶带 15500m 尼带胶带 9500m 维尼纶胶带 3800m 棉织物芯胶带 600m 2）弹性伸长和残余伸长小，张紧装置的行程可以大大减少。钢绳芯带的伸长量约为普通型胶带的1/10左右。由于所需的张紧行程短，对于合理布置及选择张紧装置极为有利。此外，由于钢绳芯带的纵向弹性模量大，张力传播速度快，不会出现“浪涌”现象，起动和制动比较容易控制。 3）成槽性好。由于钢绳芯胶带只有一层芯体与托辊贴合紧密，可以形成较大的槽角。目前国内外钢绳芯胶带输送机的槽角多数用到30º，有的达35º以上，这样不仅可以增大运输量，也可以防止胶带跑偏。 4）动态性能好，使用寿命长。由于采用钢丝绳绕成的钢丝绳做带芯，故耐弯曲疲劳和耐冲击性能好，胶带的寿命一般可达10年左右，使输送机的运输成本相应降低。 5）输送机的滚筒直径相应较小。由于带芯较薄，在相同的条件下允许采用比普通胶带小的多的滚筒直径。 由于钢绳芯带具有以上优点，钢绳芯带一出现即在国内外得到了普遍的推广和使用，并已成为胶带输送机的主要发展方向之一。 1.2本论文的主要研究内容及意义 输送带是输送机的重要组成部分，其成本占整机的45％之多。近年来，输送机纵向撕裂事故时有发生，价值数十万元（甚至数百万元）的输送机因纵向撕裂在几分钟内就会全部毁坏，造成很多的经济损失，但至今我国仍没有一种较理想的纵向撕裂的检测手段或装置应用于实践。一部分用户虽装有从国外引进的或国产的防撕裂装置，但使用效果都不好。有的在故障发生时并未发现，有的在未出现故障时发生了动作信号。 为了防患于未然，防止输送带撕裂后事故继续扩大，本设计中主要采用安装在托辊中的压力传感器将输送带上的压力值转换成电信号。当超过危险值时，就会使得控制箱动作。 1.3 钢绳芯胶带的纵向撕裂监测保护的国内外研究概括 目前，输送带的防撕裂保护装置有发生撕裂后输送带外部变化的检测和内部状态变化的两类检测方式。 1.3.1外部检测系统 1）棒型装置 每组缓冲托辊之间紧贴输送带下面，若刺穿输送带，物料使棒偏斜，触发限位开关或压力传感器，指令输送机停车。 2）弦线式装置 该装置由细钢丝或尼龙线作为探头，将其安置在缓冲托辊之间穿过小孔与槽型带下表面贴合，线的一端装一个弹簧限位开关。当线断裂或拉力增大都会启动开关。 3） 条形板压力开关 该装置是将数块条形板安装在一起构成槽型带的外廓形式，并安装在输送带的下表面缓冲托辊之间，任何刺穿输送带的物体都会使正对着该物体的条形板动作，从而触发开关。 1.3.2机械电气联合防撕裂装置 若有大块物料或异物落在输送带上，使输送带和小皮带破裂，异物（物料）便带动小皮带运动，通过杠杆使胶带输送机停止运动。电气方面在小皮带上分布着导线，当异物刺破输送带时，使小皮带的导线刺破切断，控制装置切断输送机的电源使整机停止运动。 输送机外表面突起的检测保护装置的动作均取决于检测装置与输送带和刺穿物接触发生作用，这样必然要求保护装置的安装应较接近于输送带，而胶带输送机的运行波动又有发生误动作的可能，相距较远会造成动作不灵敏。 1.3.3输送带发生撕裂引起的外部性态变化的检测 1）浮点支架检测装置 日本横滨橡胶有限公司研制出了浮动支架检测装置，该装置由数组安装在一个框架上的缓冲托辊组成，整个框架悬挂在垂直的板簧上，在框架的前端顶上一个压力传感器以检测框架所受的水平作用力是否大于正常运行下的水平力，当水平阻力增大时可通过控制使输送机停车以保护输送带。 2）物料泄漏检测器 这种装置是基于如下假设而设置的。当输送带被撕裂时，输送带上的物料通过裂口泄漏出来。检测器就是利用输送带撕裂后泄漏出来的物料，触发保护开关指令输送机停车，图1－3所示的结构是当物料泄漏后进入容器中使保护装置起作用。 3）带宽监测器 当某一截面的带宽变小时说明输送带可能撕裂，保护装置动作，为使边缘损坏的输送带段能通过宽度监测器而不误停车，监测器中应装有可调的时间继电器。带宽监测器有超声波检测系统和分托辊架式检测器，该装置尚处于研制试验阶段。 1.3.4内部检测系统 内部检测系统是通过输送带撕裂后，输送带内部物理量的检测，通过信号的撕裂前后的差异来检测出撕裂。 1)振动检测装置 该检测装置的震动器是一个偏心圆盘，它布置在承载拖辊之间输送带的边缘处，在输送带的另一边设置振动接收器，它以自由回转的棍子与输送带接触，当胶带输送机运转时，偏心圆盘使输送带产生横向强迫振动，振动接收器受输送带发生纵向撕裂时，振动接收器不受振动作用，输出的信号相应减弱，从而使胶带输送机停车。 2)超声波检测系统 采用超声波探伤的方式在输送带的一侧安放一个超声波发射触头，在输送带的另一端安放接收触头，当输送带没撕裂时，接收触头为某一信号，当输送带撕裂后，接收触头接收另一种信号，通过对比器再通过驱动电路去切断主电流。 3)金属线圈系统 其最简单的形式是线圈粘贴进输送带的底层，当线圈经过与其不接触的电磁波发射时，线圈中将感应出电流，如果线圈断电，则输送机停运。导磁橡胶检测系统由嵌入覆盖橡胶层的磁化橡胶带组成，磁化橡胶的南北极指向北极指向沿输送带纵向，磁化橡胶带与接收线圈之间安一个强导磁带，这样就构成一个闭合的磁短路环，如果出现输送带撕裂，导磁橡胶与输送带分开，输送带外面就会出现磁场，磁接收装置收到磁信号便会停止运行。 4)无触点电子监测器 日本采用的输送带防撕裂无触点监测器在输送带内隔50～100m布置两个可绕曲的导线框，并在装料点之后的输送带下面设接收、发射天线各一根，当输送带发生纵向撕裂时，导线框和天线之间感应形成的电路被切断，由此输送机停车，这种装置工作频率为300～400千周。 5)BSE-12型输送带纵向撕裂保护装置 这种装置使被监测的钢丝绳芯输送带必须预先埋入监视导线，导线相距为30-60m,1m宽带配一根监视导线,1.2m以上的带宽配有两根监视导线,监视导线形成闭合回路。 在装载点前后监视处各安装一个BSE-12型发射机和接收机,在输送带运行过程中,输送带上某一监视导线经过发射机S1时,如输送带未被撕裂,输送带上的导线未断,则接收机E1将通过导线接收发射机S1的信号,输送带继续前进,该导线经过危险点的发射机S2时,如果输送带仍然完好,则E2收到S2的信号,这两个信号先后送入控制装置,证明输送带无撕裂.如输送带在危险点已被撕裂,该监视导线已被拉断,则E2接收不到S2发射的信号,这时控制装置只有前一个信号输出,证明输送带已发生撕裂,于是控制继电器动作,切断整机电源,输送机停止运转。 前面介绍了各种外部检测输送带防撕裂装置.作为外部检测装置虽然在一定程序上起到了防撕裂作用,但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态性的变化,但并不是一次撕裂各种形态都出现,所以单纯用某种形式的保护装置是无法确保输送带不被撕裂,这就要求保护装置应能综合各种因素的特点进行检测。另一方面输送带撕裂后其外部性态的变化是很微小的,而无论是输送带还是整机的安装 、制造和运行都不能是十分精确的，因而就必须造成检测装置或误动作或灵敏度差。内部检测系统具有动作灵敏可靠的优点，但由于输送带本身制造困难，造价高，输送带不易维修也给其推广使用带来困难。因此，为了防患于未然，设计一个安全、可靠、经济、实用的防撕裂保护装置迫在眉睫。 2 纵向撕裂的监测诊断方法概述 2.1钢丝绳芯胶带纵向撕裂故障发生机理及工况条件 引起输送带纵向撕裂有多种原因，有在加料站因外来大块废钢或木材将输送带刺穿或由于溜槽的堵塞引起输送带撕裂；头部滚筒清扫器刮板的刀口挂住输送带表面的金属丝；托辊端盖焊接缺陷，如端盖未焊好，自由旋转的端盖就象旋转的刀片一样把输送带割开；长条金属物料夹在溜槽与承载托辊处把输送带撕裂。 根据试验和分析，输送带开始撕裂的部位主要是在给料处。戳穿输送带的物料有：1）大块异物，如带尖角的矸石、铁矿石；2）长条铁、木棒，如铁钎、巷道木柱、废工具。当物料从料斗卸出时，如物料中混有大块异物将被料斗壁1挡住卡在出料口，而对于钢绳芯胶带抗拉强度很高，但由于钢丝绳之间存在着一定的间距（如图2-1所示），当异物扎在橡胶层上后则从钢丝绳的中间把运输带劈开，而运输在不断地进行，造成了胶带的纵向撕裂。另外，当覆盖胶损坏后，钢丝易腐蚀等。 图2-1 钢绳芯胶带结构图 在综合考虑上述撕裂的可能性后应采用较合理的布置方式，如在初始装料处装上电磁除铁器和金属探测器；在输送带撕裂可能大的地方，宁肯选用普通帆布带而不选用钢绳芯带或合成纤维带；导料槽设计要便于大块物料通过等。多数输送机系统还应装设撕裂检测系统，当输送带发生撕裂时及时检测出，使输送机停运以减少输送带的撕裂。 2.2纵向撕裂故障的判断依据及诊断方法 通过将近一个月的实地调研，我们了解到输送带开始撕裂的部位85%以上都发生在给料处，而目前国内外的各种检测方法并不能从根本上保护输送带。综合考虑各种因素，我认为防撕裂检测装置重点应在输送机的尾部。现制定方案如下：在机尾的输送带下方的缓冲托辊左右两托辊内各安装一个压力传感器，若压力超过预定的值后并持续一定的时间，则证明输送带有可能或已经发生撕裂，于是控制电路动作，切断整机电源，输送机停止运转。这种检测方法制造、安装均很方便，只要特制几组缓冲托辊即可，又可以防患于未然。 3 钢绳芯胶带纵向撕裂监测原理及传感器设计 3.1纵向撕裂的监测原理 目前对胶带运输机皮带的撕裂监测的研究已有很多，但真正能达到防患于未然的目的却几乎没有。在本设计中的主要设计思想是用隐藏在托辊轴中的压力传感器感受到附加作用力对胶带的作用，通过分析，处理电路所得的信号，再通过计算机对它进行控制。 落料口处的胶带最易被撕裂，由于物料从落料口处落下，块大的容易卡在料斗壁与胶带之间，而胶带不停地行走，使卡的力越来越大，最后胶带被撕裂。 为缓和落料口处落料对胶带的冲击，在落料口下铺设三排槽型缓冲托辊，相邻距离为30公分。运用缓冲托辊对托辊有一定的保护作用。运用槽型托辊使同样宽度的皮带装料多且不易撒落。一组槽型缓冲托辊由两个边托辊和一个底托辊组成，压力传感器分别安放在两侧的托辊轴中，所以本设计中共用六个压力传感器，每组两侧的传感器可以感受到其上方及其托辊之间的压力。这样就不会因为压力作用偏到一边，或作用在两组托辊之间而造成测量不精确。因为无论它的作用力怎么偏或斜，它们作用在六个传感器上的力的总和不变。另外把传感器放置在托辊轴中，使得传感器不受灰尘等影响，有利于传感器的保护，同时也使得测量的精度加强。 压力通过六个传感器转变成六个电压信号，在监控电路中，加强放大电路将六个电压信号放大相加，为防止误动作，先经过低通滤波电路，滤除一些无用的杂信号，再经过一个积分电路把冲击所带来的大信号滤除，最后把积分所得的结果输入比较器中，若该积分值超过预定的阈值，则比较器输出高电平，向计算机发出中断信号，请求计算机先停止其它操作来处理该指令，计算机发出指令，令控制箱动作，以达到保护胶带的目的。 3.2传感器的设计及安装 3.2.1传感器的简介 从测量对象中直接取出有用信号的装置称为传感器。它的作用是把被测物理量转换为与其相应的容易检测、传输和处理的信号。 传感器可以把被测对象如力、位移、振动、温度等的变化转换为可测信号传到测量电路，经放大、分析运算传输到记录或显示器中测量者观察。传感器是测量装置的输入环节，它的性能和可靠性直接影响整个测量装置的性能和可靠性。 无论多么复杂的传感器，都是由检测元件及一些中间元件所组成。任何一种元件的特性都可以用典型环节特性来描述。 在稳定状态下，传感器的输出量y的变化与引起此变化的输入量（被测信号）x的变化之比称为传感器的灵敏度，可用下式表示 S = dy/ dx 式中S为传感器的灵敏度，也称为元件传递系数。 如果输入量为干扰信号，则此灵敏度为干扰灵敏度。整个传感器静态特性的分析应与控制理论相联系。 随着科学技术的发展，对检测和转换装置的可靠性要求愈来愈高。所谓可靠性是指工作条件时间内，检测与转换装置保持原有产品技术性能的能力。 传感器结构的小型化、微型化和复杂化在一定程度上影响它的可靠性。近年来，研究出确定结构和元件寿命的实验方法。用这种方法获得的数据可以求出整个传感器或电子测量装置的概率寿命。 3.2.2传感器的选择设计计算 测量皮带运输机所受的附加压力以及煤、胶带重量和托辊的重量所引起的总压力。我们选择了应变式传感器。它的工作原理是当被测压力信号传递到粘贴有电阻应变片的膜片产生变形，电阻应变片组成的电桥对角端有不平衡电压输出，该电压正比于作用在传感器上的被测压力。 应变式压力传感器有精度高、体积小、重量轻、测量范围宽、固有频率高同时耐振动、耐冲击，由于应变式压力传感器具有以上的优点，又因为运输机落料口处冲击大、振动大，所以我选择了应变式压力传感器。 3.2.3传感器型号的选择 单位长度货量决定于胶带上被运载的货物的断面积和货物的密度ρ,对于连续于连续货流的胶带输送机单位长度质量为： q=1000F·ρ 图3-1 槽型胶带上货载断面 货载断面积F是由梯形断面积F1和圆弧面积F2（如图3－1所示）组成。在胶带宽度B上，货载的总宽度为0.8B，中间托辊长为0.4 B，货载在带面上的堆积角为α，其半径为r,中心角为2α，则梯形面积为 F1＝(0.4B+0.8B)/2 ×0..2B ×tg30°=0.0693B² 圆弧面积为： F2＝r²/2×(2α-Sin2α)=1/2(0.4B/ Sinα)²(2α-Sin2α) 总面积为: F ＝F1+F2 ＝0.0693B²+ 1/2（0.4B/ Sinα）²(2α-Sin2α) ＝〔0.0693+1/2（0.4/Sinα）²(2α- Sin2α)〕B² 根据已知条件：带宽B=1.2m,托辊间距为30cm,运载的货物为原煤，查《矿山运输机械设计》表2·8可得 α＝30°，ρ＝0.8t/m³ ∴F＝〔0.0693+1/2（0.4/Sinα）²(2×π/6-Sinπ/3)〕×1.2²m² ＝ 0.1415㎡ q＝1000×F×ρ＝1000×0.1415×0.8kg/m＝113.2kg/m ∴它的总质量 Q煤＝0.9×q＝0.9×113.2kg＝101.9kg 查文献《矿井运输及提升设备》得 上托辊每米质量为qg＝10.4kg/m 又∵带宽1.2m的槽型托辊长为0.4B＝0.4×1.2＝0.48m ∴每节上托辊的质量为 Qg′＝10.4×0.48＝4.992kg 又因为在运输机的尾部安放三组缓冲托辊，而每组槽型托辊由三个托辊组成，因此托辊的总质量为 Qg＝4.992×9＝44.928 kg 图3-2 传感器安装示意图 又根据《连续运输机》表1－27，选取Gx－4000皮带，其每米质量为q。＝57kg/m。∴在检测部分钢绳芯带的质量Q。＝57×0.9＝51.3kg 据试验（如图3－2所示）可得，当附加力超过200kgF时，才有可能发生皮带撕裂。 据上面所得的数据，选择安徽电子科研所生产的TL－3型拉力传感器，其测量范围为≤500kgF。每10V电压，输出18mv,受力500kgF，则它的灵敏度为 18mv/10v×500 kgF＝0.9×10‐³mv/v·kgF 3.2.4传感器的安装 带式输送机的装载处由于不可避免的物料对托辊的冲击，容易引起托辊的损坏，故采用缓冲托辊，传感器就安装缓冲托辊中，如图3－2所示 为了检测方便和对撕裂装置的保护以及维修，我选用了传感托辊，即在不改变别的 图3-3 传感器安装图 装置的前提下，把槽型缓冲托辊的左右两个换成传感托辊，除两根托辊轴之外，其余零件与通用托辊相同。两根托辊轴中，一根中空，另一根为实心轴，整个轴组装后，将引出线用环氧树脂固压在轴孔内，传感器与轴接触面加环氧树脂固紧，其安装图如图3－3所示。 3.3传感器的工作原理 等参数通过它们产生的金属变形转换成电阻变化的检测元件，这种传感器具有体积小、动态影响快、测量精度高等优点。 3.4应变片的结构形式 应变片有多种形式，目前常用的有两大类①金属应变片；②半导体应变片。金属电阻应变片有丝式、箔式和薄膜式等。 我选用T箔式传感器，箔式应变片是用光刻技术，将金属箔腐蚀成栅状，箔的厚度一般在0.003～0.01毫米，上下粘有绝缘衬薄膜 。它具有制造工艺性好，使用时散热条件好等优点，有逐步代替丝式应变片的趋势。 丝式应变片是一根金属丝弯成栅状，并粘贴在两绝缘衬底中，电阻丝两端焊有引出线。 半导体应变片由P型硅单晶片和胶膜衬底、引线等组成。它的频率响应高，比金属应变片高几十倍。此外还可制成小型、超小型。但是，它的缺点是电阻温度系数大，稳定性差，应变－电阻变换的非线性较大。 3.5应变效应 单根导线可用式R＝ρ·L/S来表示，如果沿整条电阻线作用的均匀应力，由于L、ρ、s的变化引起电阻R的变化，对上式全微分得 dR＝ρ/SdL－Ρl/s²ds+L/Sdρ 用相对变化量dR/R表示得： dR/R＝dL/L－ds/s+dρ/ρ 或 △R/R＝△L/L－△S/S + △ρ/ρ 对于半径为r的圆电阻丝，其截面积s＝πr² 因此 ds＝2πrdr ds/s＝2πr/drπr²＝2dr/r 纵何应变ε＝dl/l和横向应变dr/r的关系可用泊松比从来描述 dr/r＝－μ(dl/l)＝－με 因此 ds/s ＝－2μ(dl/l)＝ －2με 试验表明，电阻率的变化与电阻丝的应力б有关。 dρ/ρ＝πlб 式中πl－电阻材料的压阻系数 而б＝Eε 因此 dρ/ρ＝πlE 总结上述各式得 dr/R＝dl/l+2μ(dl/l)+πlE(dl/l)＝(1+2μ+πlE)ε 此式就是应变效应的表达式，应变灵敏度系数K为： K＝dR/R/ε＝1+2μ+πlE K－应变片的灵敏系数 灵敏系数前两项是几何尺寸变化引起的。对于金属丝应变片来说，其πlE值很小，可以忽略不计。因此，其灵敏系数K≌（1+2μ），其值在1～2之间。但半导体材料的πlE值却很大，其值在60～170之间，远远大于（1+2μ）。因此，半导体应变片的灵敏系数K远比金属丝应变片大。 3.6工作原理 我设计的压力传感器采用的是应变式压力传感器即箔式传感器，其内部是一个由四个阻值相等的金属箔电阻应变片组成的全桥电路，如图3－4所示。 其供桥电压为一恒定的直流电压（由稳定电源提供），传感器不受力时，电桥处于平衡状态，输出电压U为零。当其受到一定的压力作用时，相对桥臂上的应变片阻值同时变化，一对变大，另一对变小，使电桥失去平衡，在输出端产生一个电 图3-4 桥式电路原理图 压信号，该电压值的大小便反映了应变片的大小，也就反映了引起应变片应变的压力值的大小。当应变引起的阻值变化为△R时，可以得到下列式子： U＝△R/ R ×Ucc （3-1） 其中：Ucc、U分别为供桥电源电压和输出桥压。 设应变片的灵敏度为K1，则有 ΔR/R＝K1ε （3-2） 应变片处传感器所受的压力为： б＝Eε （3-3） 其中：E为传感器材料的弹性模量。 而对于确定形状的传感器，它所受的压力或拉力F与应变片处的压力有一个确定的关系，且通常是一种线性变化关系，令: б＝K2·F （3－4） 将（3－4）式代入（3－3）式，式（3－3）代入式（3－2）再代入（3－1）式得到下式: U＝k1·k2/E×Ucc·F 由上式可见当传感器的材料确定，形状确定，所用应变片确定且供桥电压稳定时，则电桥的输出电压与传感器所受的拉力或压力成确定性的正比关系。 令常量k1·k2/E＝K，则有以下两式 U＝K·Ucc·F （3－6） ΔR/R＝K·F （3－7） 箔式应变传感器输出的桥式信号有着这样两个特点： 1）输出信号较小，通常单位供桥电压下的满量程输出只有几个毫伏以下； 2）当供桥电源电压不稳时，其输出信号会产生误差，由稳定电压带来50Hz信号干扰是常见的。 鉴于电桥输出信号的上述特点，同时考虑到每个力传感器的输出信号有着相同的特性，所需的处理、变送方法也相同，可通过相加共用一个处理变换电路，所以我们将来采用这样一些处理变换电路，如图3－5所示。由两个力传感器分别测得加在缓冲托辊上的重力，两者之和的1/2为整个托辊组所受到的压力值。因此，首先需将两传感器的输出信号加起来，同时由于信号较弱，予以放大是必须的，所以把加法和放大电路并在一起，然后考虑到被测的力信号是一个缓变的低频信号，再使之通过一个低通滤波器和50Hz陷波器以滤除已经放大的高频干扰及50Hz干扰信号，最后将处理好的信号积分以后送给单片机的快速输入口，进行后续的采集和计算。 以下就是传感器的供电问题以及上述各级处理的电路的设计原理作一个简单的介绍： 图3-5 信号处理电路 3.7传感器供电电源 我们希望两个压力传感器可以共用同一个供电的稳压电源，那么由于两个传感器的压力信号不尽相同，而且有一个输出端相连接，因而两个电桥之间将会产生电位的相互钳制作用及电流的波动，那么这些因素会不会影响桥的输出电压以及它们的相加和呢？这是我们需要研究和推算的一个问题。 设这里有两个传感器共用一只电源，且其输出有一端同接在后续加法放大电路的地上， 同时假设两只传感器具有相同的灵敏度k。1#、2#传感器的受力分别为F1、F2，产生的应变电阻变化为△R1、△R2，这时对于1#传感器则有： U1＝Ud1－Uc （3－8） 考虑到输出端接高输入阻抗电路，因而其输出电流非常小，可忽略。所以有 Uc ＝Ua－（R+△R1）∥（R+△R2 ）× Ucc （R+△R1）∥（R+△R2 ）+（R－△R1）∥（R－△R2 ） R²+(△R1+△R2)R ＝Ua－ × 2R+△R1+△R2 Ucc R²+(△R1+△R2)R R²－(△R1+△R2)R + 2R+△R1+△R2 2R－△R1－△R2 R²+(△R1+△R2)R ＝Ua－ ·Ucc·1/R 2R+△R1+△R2 R+(△R1+△R2) ＝Ua－ ·Ucc 2R+△R1+△R2 注：其中△R的高次项非常小，所以可以略去。 Ucc Ud1＝Ua－ ·（R－△R1） （R+△R1）+（R-△R1） R－△R1 ＝Ua－ ·Ucc 2R ∴ U1 ＝Ud1－Uc R+△R1+△R2 R-△R1 ＝（ － ）·Ucc 2R+△R1+△R2 2R 3△R1+△R2 ＝ ·Ucc 4R+2△R1+2△R2 同理可推算出： △R1+3△R2 U2 ＝ ·Ucc 4R+2△R1+2△R2 所以： 4△R1+4△R2 U1+U2＝ ·Ucc 4R+2△R1+2△R2 △R1+△R2 ＝ ·Ucc △R1+△R2 R ( 1 + ) 2R 由于箔式力传感器△R1+△R2/2R通常在满量程输出时，才只有1%左右，而且是在分母上，因而可以忽略，于是有： △R1+△R2 U1+U2 ＝ ·Ucc （3－9） R 利用式（3-7）代入上式，有： Ｕ1+Ｕ2＝Ｋ（Ｆ1+Ｆ2）·Ucc （3－10） 由此可见，两传感器输出电压之和与两传感器所受作用力之和之间的标定关系，与单个传感器的力与输出电压的标定关系基本一样，即灵敏度均为Ko这表明当两个传感器共用同一电源，且一个输出端共地时，每个传感器的输出信号值虽会受到影响，即与单独供电时的输出值不一样，但两输出信号之和都与单独供电时的输出信号之和完全相同，其作为“二合一”传感器，有着与每个传感器相同的灵敏度，即输入的合力与输出信号和之间的标定关系可以沿用传感器本身的标定系数。 那么，如果有若干个力传感器共用一个电源，且输出仍然也用同一个加法放大电路。这时的情况又会怎样呢？ 我们不妨先推导一下四个和六个传感器时的情况，经过上述同样方法推导得出： （1） 四个传感器共用时： 5△R1+△R2+△R3+△R4 Uout1 ＝ ·Ucc 8R+6（△R1+△R2+△R3+△R4） 5△R2+△R1+△R3+△R4 Uout2 ＝ ·Ucc 8R+6（△R1+△R2+△R3+△R4） 5△R3+△R1+△R2+△R4 Uout3 ＝ ·Ucc 8R+6（△R1+△R2+△R3+△R4） 5△R4+△R1+△R2+△R3 Uout4 ＝ ·Ucc 8R+6（△R1+△R2+△R3+△R4） 4 △R1+△R2+△R3+△R4 ∵∑ Uouti= ·Ucc (3—11) i=1 R+3/4(△R1+△R2+△R3+△R4) 当四只传感器均达到满量程时，△R/R≈1%，3（△R1+△R2+△R3+△R4）/4R≈3%，因而若忽略分母中的后一项，产生的最大误差约为3%。下面我们来推导一下准确的换算公式，假设四个传感器具有相同的灵敏度K，则有： Ri ＝K·Fi ( i=1,2,3,4 ) R 4 △ Ri 4 ∴∑ =K ∑ Fi （3—12） i=1 R i=1 将上式代入（3—11）得： 4 K•∑ Fi 4 i=1 ∑ Uouti = ·Ucc i=1 4 1+3/4K•∑ Fi i=1 4 ∑ Uouti 4 i=1 ∴∑ Fi = (3—13) i=1 4 K(Ucc-3/4•∑ Uouti) i=1 可见只要4个传感器灵敏度相同或接近，便可以式（3—13）标明输入合力与输出电压和之间的确切关系式，即可以利用输出电压和推算出4个传感器所受的压力和。 （2） 六个传感器共用时： 7△R1+△R2+△R3+△R4 +△R5+△R6 Uout1 ＝ ·Ucc 12R+10（△R1+△R2+△R3+△R4+△R5+△R6） 7△R2+△R1+△R3+△R4 +△R5+△R6 Uout2 ＝ ·Ucc 12R+10（△R1+△R2+△R3+△R4+△R5+△R6） 7△R3+△R1+△R2+△R4 +△R5+△R6 Uout3 ＝ ·Ucc 12R+10（△R1+△R2+△R3+△R4+△R5+△R6） 7△R4+△R1+△R2+△R3 +△R5+△R6 Uout4 ＝ ·Ucc 12R+10（△R1+△R2+△R3+△R4+△R5+△R6） 7△R5+△R1+△R2+△R3 +△R4+△R6 Uout5 ＝ ·Ucc 12R+10（△R1+△R2+△R3+△R4+△R5+△R6） 7△R6+△R1+△R2+△R3+△R4 +△R5 Uout6 ＝ ·Ucc 12R+10（△R1+△R2+△R3+△R4+△R5+△R6） 6 △R1+△R2+△R3+△R4 +△R5+△R6 ∴∑Uouti＝ ·Ucc i=1 R+5/6(△R1+△R2+△R3+△R4+△R5+△R6) 同理，假设这六个传感器的灵敏度均为K，则有： 6 △ Ri 6 ∑ =K ∑ Fi （3—14） i=1 R i=1 ∴同样可以推得： 6 ∑ Uouti 6 i=1 ∴∑ Fi = （3—15） i=1 6 K(Ucc-5/6•∑ Uouti) i=1 同理，可以推导出更为一般的情况。 若有N个传感器共用电源和同一处理电路时： Uc ＝Ua－（R+△R1）∥（R+△R2 ）∥…∥（R+△Rn）× Ucc （R+△R1）∥（R+△R2）∥…（R+△Rn）+（R-△R1）∥（R－△R2）∥…（R-△Rn） 其中： （R+△R1）∥（R+△R2）∥…∥（R+△Rn） 1 1 1 =（ + + … ）ˉ¹ R+△R1 R+△R2 R+△Rn R²+R(△R1+△R2+…△Rn) ＝ (3—16) NR+（N-1）（△R1+△R2+…+△Rn） 同理有： （R-△R1）∥（R－△R2 ）∥…(R-△Rn) R²-R(△R1+△R2+…△Rn) ＝ (3—17) NR-（N-1）（△R1+△R2+…+△Rn） 将式（3—14）、（3—15）代入式（3—13）得： R²+R(△R1+△R2+…△Rn) Ucc Uc＝Ua- · NR+（N-1）（△R1+△R2+…+△Rn） 2NR³/N²R² R + (△R1+△R2+…+△Rn) N ＝Ua- · — ·Ucc （3—18） NR+（N-1）（△R1+△R2+…+△Rn） 2 R-△Rn 而Udn=Ua-Ucc· （3—19） 2R （注：DN端为第N个传感器的独立的正极输出端）将（3—19）、（3—17）两式相减便是Uoutn, 即 Uotn=Udn-Uc R + (△R1+△R2+…+△Rn) N R-△Rn ＝〔 · — － 〕·Ucc NR+（N-1）（△R1+△R2+…+△Rn） 2 2R NR△Rn-(N-1)R(△R1+△R2+…+△Rn)+NR(△R1+△R2+…+△Rn) ＝ ·Ucc 2NR²+2（N-1）R（△R1+△R2+…+△Rn） (N+1)△Rn+(△R1+△R2+…+△Rn-1+△Rn+1+…+△Rn) ＝ ·Ucc (3—20) 2NR²+2（N-1）R（△R1+△R2+…+△Rn） N △R1+△R2+…+△Rn ∴∑ Uoutn = ·Ucc （3—21） n=1 R+N-1/N·（△R1+△R2+…+△Rn） 同理：若N个传感器有着相同的灵敏度K，则可推得： N ∑ Uouti N i=1 ∑ Fi = （3—22） i=1 N K[Ucc-(N-1)/N ·∑ Uouti] i=1 由上式可见N个传感器所受的合力可由输出电压和来推算。其K值可沿用单个传感器的标定值（若各个传感器的K值稍微有点差别时，可用其均值）。 另外从式（3-22）还可以看出随着N的增大，输出压力和输出电压和之间的变换灵敏度则在逐渐地变小，因而不易过多的传感器公用同一套电路。 由以上的推导计算，我们得到这样一个结论： 当几个传感器共同使用同一个供桥点源，并且输出端有一端接地，同时接入一个加法电路公用同一组信号处理电路时，每个传感器的输出信号虽会有相互影响，即与单独供电使用时输出值不同，但如果每个传感器具有相等的或非常接近的灵敏度，则几个传感器输出信号之和却与传感器所受合力之间有着确定的标定关系，式（3—22）这是一个非常令人满意和有用的结论。 另外应该特别注意的是供桥稳压电源为一虚地，不能与后续的加法放大器处理电路的地线相连，需要用一个独立的稳压电压，否则，传感器的应变电桥将无法工作。 4 传感变送电路的设计 4.1概述 通过一个加法电路把经过传感器转变而成的六个电压信号放大相加，为 图4-1 信号处理电路 了防止误动作，先经过低通滤波滤除一些无用的信号，再经过50/60Hz陷波滤波电路滤除电源所带来的频率，然后经过一个积分电路把一些冲击所带来的大信号滤除，最后把积分所得的结果输入比较器，若该积分值超过预定的阈值，则比较器输出高电平，向计算机发出中断信号，请求计算机先停止其它操作来处理该命令，计算机发出指令，令控制箱动作，切断整机电源，其原理框图见图4—1。 图4-2 加法放大电路原理图 4.2加法放大器的设计 4.2.1电路的功能 加法运算器是指输出信号是几个输入信号的和。根据求和端子的不同有反相加法器和同相加法器。在设计中