鋼絲繩芯膠帶輸送機故障監測的裝置的設計【4張CAD圖紙+畢業論文】
鋼絲繩芯膠帶輸送機故障監測的裝置的設計【4張CAD圖紙+畢業論文】,4張CAD圖紙+畢業論文,鋼絲繩,膠帶,輸送,故障,監測,裝置,設計,CAD,圖紙,畢業論文
畢業論文
?
姓 名：
學 院：
專 業：
論文題目：鋼絲繩芯膠帶輸送機故障監測的裝置的設計
專 題： （空）
指導教師： 職 稱：
?
?
?
摘 要
礦用鋼繩芯膠帶輸送機縱向撕裂問題一直是煤礦安全急待解決而又未能真正很好解決的難題。本設計針對膠帶撕裂故障絕大多數發生在落料口附近，通過在落料口處裝設撕帶檢測裝置，用于膠帶縱撕故障的實時監測與保護。膠帶縱向撕裂故障通常是由于煤料中摻雜著具有鋒利刃口的大塊煤矸石、鋼釬、角鐵等異物，隨煤料落下并卡住，從而劃傷并刺穿膠帶導致縱向撕裂，因而伴隨著縱向撕裂的發生，膠帶將會承受一個除以重量以外較大的附加壓力，并持續一段時間。基于以上的故障機理及工況條件分析，本文設計了一種在落料口處的緩沖托輥中安裝壓力傳感器的方法去感受皮帶所受的力的變化，當壓力值及其持續時間超過一定的值時，就會產生報警或控制動作。
本論文基于以上原理，設計的一種用于鋼絲繩芯膠帶輸送機故障監測的裝置，包括傳感器的選擇、設計、安裝以及變送電路的設計，還有計算機實時監測與診斷系統、硬件及軟件的總體設計。
關鍵詞：膠帶輸送機 ；皮帶 ；托輥 ；檢測器 ；傳感器
目 錄
1緒論 1
1.1 鋼繩芯膠帶運輸機的簡介 1
1.2 本論文的主要研究內容及意義 3
1.3 鋼繩芯膠帶的縱向撕裂監測保護的國內外研究概括 3
2縱向撕裂的監測診斷方法概述 5
2.1 鋼絲繩芯膠帶縱向撕裂故障發生機理及工況條件 5
2.2 縱向撕裂故障的判斷依據及診斷方法 6
3鋼繩芯膠帶縱向撕裂監測原理及傳感器設計 6
3.1 縱向撕裂的監測原理 6
3.2 傳感器的設計及安裝 7
3.3 傳感器的工作原理 9
3.4 應變片的結構形式 9
3.5 應變效應 10
3.6 工作原理 10
3.7 傳感器供電電源 12
4傳感變送電路的設計 17
4.1 概述 17
4.2 加法放大器的設計 18
4.3 低通濾波器 19
4.4 陷波濾波器 20
4.5 積分電路的設計 21
4.6 定時觸發電路 25
4.7 比較器電路 27
5實時監控系統的總體設計 29
5.1 故障診斷概述 29
5.2 故障診斷的硬件設計 29
5.3 HIS硬件結構及引腳控制 32
5.4 HSO的硬件結構及引腳 32
5.5 監測系統的軟件設計 32
結束語 34
參考文獻 35
致謝……………………………………………………………………………36
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運載，裝到膠帶上的貨載運到端部后，由于膠帶的轉向而卸載，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1/3～1/5固在運輸過程中，貨載與膠帶一起移動，故磨損小，貨載的破碎性小。由于結構簡單，既節省設備又節省人力，故廣泛應用于我國國民經濟的許多工業部門。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、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。隨著我國煤炭工業的迅速發展，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的要求，采用10多臺普通型膠帶輸送機串聯使用，組成一條長距離膠帶輸送線。由于使用設備臺數多，轉載次數多，導致設備成本高，致使運輸機運輸不合理，為此就有了創造運輸能力大、運距長、實現長距離無轉載運輸的新型運輸機的要求，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1－2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бd可達40000N/cm。聯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下：
鋼繩芯膠帶 15500m
尼帶膠帶 9500m
維尼綸膠帶 3800m
棉織物芯膠帶 600m
2）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“浪涌”現象，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）動態性能好，使用壽命長。由于采用鋼絲繩繞成的鋼絲繩做帶芯，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點，鋼繩芯帶一出現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生，價值數十萬元（甚至數百萬元）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。有的在故障發生時并未發現，有的在未出現故障時發生了動作信號。
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生撕裂后輸送帶外部變化的檢測和內部狀態變化的兩類檢測方式。
1.3.1外部檢測系統
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，從而觸發開關。
1.3.2機械電氣聯合防撕裂裝置
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接觸發生作用，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輸送帶發生撕裂引起的外部性態變化的檢測
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，觸發保護開關指令輸送機停車，圖1－3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測器而不誤停車，監測器中應裝有可調的時間繼電器。帶寬監測器有超聲波檢測系統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
內部檢測系統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，偏心圓盤使輸送帶產生橫向強迫振動，振動接收器受輸送帶發生縱向撕裂時，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
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
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安一個強導磁帶，這樣就構成一個閉合的磁短路環，如果出現輸送帶撕裂，導磁橡膠與輸送帶分開，輸送帶外面就會出現磁場，磁接收裝置收到磁信號便會停止運行。
4)無觸點電子監測器
日本采用的輸送帶防撕裂無觸點監測器在輸送帶內隔50～100m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、發射天線各一根，當輸送帶發生縱向撕裂時，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300～400千周。
5)BSE-12型輸送帶縱向撕裂保護裝置
這種裝置使被監測的鋼絲繩芯輸送帶必須預先埋入監視導線，導線相距為30-60m,1m寬帶配一根監視導線,1.2m以上的帶寬配有兩根監視導線,監視導線形成閉合回路。
在裝載點前后監視處各安裝一個BSE-12型發射機和接收機,在輸送帶運行過程中,輸送帶上某一監視導線經過發射機S1時,如輸送帶未被撕裂,輸送帶上的導線未斷,則接收機E1將通過導線接收發射機S1的信號,輸送帶繼續前進,該導線經過危險點的發射機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,該監視導線已被拉斷,則E2接收不到S2發射的信號,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性的變化,但并不是一次撕裂各種形態都出現,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。內部檢測系統具有動作靈敏可靠的優點，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 縱向撕裂的監測診斷方法概述
2.1鋼絲繩芯膠帶縱向撕裂故障發生機理及工況條件
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（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。多數輸送機系統還應裝設撕裂檢測系統，當輸送帶發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%以上都發生在給料處，而目前國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一定的時間，則證明輸送帶有可能或已經發生撕裂，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測原理及傳感器設計
3.1縱向撕裂的監測原理
目前對膠帶運輸機皮帶的撕裂監測的研究已有很多，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、分析運算傳輸到記錄或顯示器中測量者觀察。傳感器是測量裝置的輸入環節，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節特性來描述。
在穩定狀態下，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，也稱為元件傳遞系數。
如果輸入量為干擾信號，則此靈敏度為干擾靈敏度。整個傳感器靜態特性的分析應與控制理論相聯系。
隨著科學技術的發展，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ρ,對于連續于連續貨流的膠帶輸送機單位長度質量為：
q=1000F·ρ
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3－1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α，其半徑為r,中心角為2α，則梯形面積為
F1＝(0.4B+0.8B)/2 ×0..2B ×tg30°=0.0693B2
圓弧面積為：
F2＝r2/2×(2α-Sin2α)=1/2(0.4B/ Sinα)2(2α-Sin2α)
總面積為:
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
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
∴它的總質量
Q煤＝0.9×q＝0.9×113.2kg＝101.9kg
查文獻《礦井運輸及提升設備》得
上托輥每米質量為qg＝10.4kg/m
又∵帶寬1.2m的槽型托輥長為0.4B＝0.4×1.2＝0.48m
∴每節上托輥的質量為
Qg′＝10.4×0.48＝4.992kg
又因為在運輸機的尾部安放三組緩沖托輥，而每組槽型托輥由三個托輥組成，因此托輥的總質量為
Qg＝4.992×9＝44.928 kg
圖3-2 傳感器安裝示意圖
又根據《連續運輸機》表1－27，選取Gx－4000皮帶，其每米質量為q。＝57kg/m?！嘣跈z測部分鋼繩芯帶的質量Q。＝57×0.9＝51.3kg
據試驗（如圖3－2所示）可得，當附加力超過200kgF時，才有可能發生皮帶撕裂。
據上面所得的數據，選擇安徽電子科研所生產的TL－3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 kgF＝0.9×10‐3mv/v·kgF
3.2.4傳感器的安裝
帶式輸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3－2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，將引出線用環氧樹脂固壓在軸孔內，傳感器與軸接觸面加環氧樹脂固緊，其安裝圖如圖3－3所示。
3.3傳感器的工作原理
等參數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、動態影響快、測量精度高等優點。
3.4應變片的結構形式
應變片有多種形式，目前常用的有兩大類①金屬應變片；②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0.003～0.01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大，穩定性差，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＝ρ·L/S來表示，如果沿整條電阻線作用的均勻應力，由于L、ρ、s的變化引起電阻R的變化，對上式全微分得
dR＝ρ/SdL－Ρl/s2ds+L/Sdρ
用相對變化量dR/R表示得：
dR/R＝dL/L－ds/s+dρ/ρ
或
△R/R＝△L/L－△S/S + △ρ/ρ
對于半徑為r的圓電阻絲，其截面積s＝πr2
因此
ds＝2πrdr
ds/s＝2πr/drπr2＝2dr/r
縱何應變ε＝dl/l和橫向應變dr/r的關系可用泊松比從來描述
dr/r＝－μ(dl/l)＝－με
因此
ds/s ＝－2μ(dl/l)＝ －2με
試驗表明，電阻率的變化與電阻絲的應力б有關。
dρ/ρ＝πlб
式中πl－電阻材料的壓阻系數
而б＝Eε
因此 dρ/ρ＝πlE
總結上述各式得
dr/R＝dl/l+2μ(dl/l)+πlE(dl/l)＝(1+2μ+πlE)ε
此式就是應變效應的表達式，應變靈敏度系數K為：
K＝dR/R/ε＝1+2μ+πlE
K－應變片的靈敏系數
靈敏系數前兩項是幾何尺寸變化引起的。對于金屬絲應變片來說，其πlE值很小，可以忽略不計。因此，其靈敏系數K≌（1+2μ），其值在1～2之間。但半導體材料的πlE值卻很大，其值在60～170之間，遠遠大于（1+2μ）。因此，半導體應變片的靈敏系數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3－4所示。
其供橋電壓為一恒定的直流電壓（由穩定電源提供），傳感器不受力時，電橋處于平衡狀態，輸出電壓U為零。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：
U＝△R/ 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
ΔR/R＝K1ε （3-2）
應變片處傳感器所受的壓力為：
б＝Eε （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:
б＝K2·F （3－4）
將（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/E＝K，則有以下兩式
U＝K·Ucc·F （3－6）
ΔR/R＝K·F （3－7）
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時，其輸出信號會產生誤差，由穩定電壓帶來50Hz信號干擾是常見的。
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3－5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，進行后續的采集和計算。
以下就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
我們希望兩個壓力傳感器可以共用同一個供電的穩壓電源，那么由于兩個傳感器的壓力信號不盡相同，而且有一個輸出端相連接，因而兩個電橋之間將會產生電位的相互鉗制作用及電流的波動，那么這些因素會不會影響橋的輸出電壓以及它們的相加和呢？這是我們需要研究和推算的一個問題。
設這里有兩個傳感器共用一只電源，且其輸出有一端同接在后續加法放大電路的地上， 同時假設兩只傳感器具有相同的靈敏度k。1#、2#傳感器的受力分別為F1、F2，產生的應變電阻變化為△R1、△R2，這時對于1#傳感器則有：
U1＝Ud1－Uc （3－8）
考慮到輸出端接高輸入阻抗電路，因而其輸出電流非常小，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的高次項非常小，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
由于箔式力傳感器△R1+△R2/2R通常在滿量程輸出時，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）
由此可見，兩傳感器輸出電壓之和與兩傳感器所受作用力之和之間的標定關系，與單個傳感器的力與輸出電壓的標定關系基本一樣，即靈敏度均為Ko這表明當兩個傳感器共用同一電源，且一個輸出端共地時，每個傳感器的輸出信號值雖會受到影響，即與單獨供電時的輸出值不一樣，但兩輸出信號之和都與單獨供電時的輸出信號之和完全相同，其作為“二合一”傳感器，有著與每個傳感器相同的靈敏度，即輸入的合力與輸出信號和之間的標定關系可以沿用傳感器本身的標定系數。
那么，如果有若干個力傳感器共用一個電源，且輸出仍然也用同一個加法放大電路。這時的情況又會怎樣呢？
我們不妨先推導一下四個和六個傳感器時的情況，經過上述同樣方法推導得出：
（1） 四個傳感器共用時：
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)
當四只傳感器均達到滿量程時，△R/R≈1%，3（△R1+△R2+△R3+△R4）/4R≈3%，因而若忽略分母中的后一項，產生的最大誤差約為3%。下面我們來推導一下準確的換算公式，假設四個傳感器具有相同的靈敏度K，則有：
Ri
＝K·Fi ( i=1,2,3,4 )
R
4 △ Ri 4
∴∑ =K ∑ Fi （3—12）
i=1 R i=1
將上式代入（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
可見只要4個傳感器靈敏度相同或接近，便可以式（3—13）標明輸入合力與輸出電壓和之間的確切關系式，即可以利用輸出電壓和推算出4個傳感器所受的壓力和。
（2） 六個傳感器共用時：
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，假設這六個傳感器的靈敏度均為K，則有：
6 △ Ri 6
∑ =K ∑ Fi （3—14）
i=1 R i=1
∴同樣可以推得：
6
∑ Uouti
6 i=1
∴∑ Fi = （3—15）
i=1 6
K(Ucc-5/6?∑ Uouti)
i=1
同理，可以推導出更為一般的情況。
若有N個傳感器共用電源和同一處理電路時：
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）
將式（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端為第N個傳感器的獨立的正極輸出端）將（3—19）、（3—17）兩式相減便是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個傳感器有著相同的靈敏度K，則可推得：
N
∑ Uouti
N i=1
∑ Fi = （3—22）
i=1 N
K[Ucc-(N-1)/N ·∑ Uouti]
i=1
由上式可見N個傳感器所受的合力可由輸出電壓和來推算。其K值可沿用單個傳感器的標定值（若各個傳感器的K值稍微有點差別時，可用其均值）。
另外從式（3-22）還可以看出隨著N的增大，輸出壓力和輸出電壓和之間的變換靈敏度則在逐漸地變小，因而不易過多的傳感器公用同一套電路。
由以上的推導計算，我們得到這樣一個結論：
當幾個傳感器共同使用同一個供橋點源，并且輸出端有一端接地，同時接入一個加法電路公用同一組信號處理電路時，每個傳感器的輸出信號雖會有相互影響，即與單獨供電使用時輸出值不同，但如果每個傳感器具有相等的或非常接近的靈敏度，則幾個傳感器輸出信號之和卻與傳感器所受合力之間有著確定的標定關系，式（3—22）這是一個非常令人滿意和有用的結論。
另外應該特別注意的是供橋穩壓電源為一虛地，不能與后續的加法放大器處理電路的地線相連，需要用一個獨立的穩壓電壓，否則，傳感器的應變電橋將無法工作。
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，計算機發出指令，令控制箱動作，切斷整機電源，其原理框圖見圖4—1。
圖4-2 加法放大電路原理圖
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
收藏