采煤机煤岩识别系统设计

中文题目：采煤机煤岩识别系统的设计外文题目：Design of coal shearer recognition system毕业设计（论文）共 70 页（其中：外文文献及译文 8 页）图纸共 1 张完成日期2015年6月 答辩日期2015年6月摘要煤炭作为当今社会最主要的能源之一，其重要性不言而喻。虽然现在由于过度开采，大家开始更多的关注新能源，并且也取得了令人喜悦的成果。但是煤炭仍将会是目前乃至未来相当长一段时间的主要能源之一。同时更是我国的主要能源之一。所以，也就奠定了煤炭行业成为我国重要经济支柱的原因之一。所以我们必须认识到煤炭的机械化开采和掘进是提高煤炭产量、提高煤炭生产经济效益和社会效益的根本保障。而采煤机作为煤炭机械化生产的十分重要的设备之一，他的机械化进展对于我国煤炭开采的机械化进展必将起到至关重要的作用。为了实现无人工作面采煤机滚筒的自动调高，需要解决煤岩界面自动识别技术。本文分析了当前国际和国内的煤岩识别技术，就这一背景下提出了一种新的、基于滚筒采煤机减速器惰轮轴受力分析的综合煤岩识别方法。我们通过采集采煤机惰轮轴在开采不同硬度的煤岩时的受力，并根据当地的具体情况进行分析，从而实现了采煤机的无人化自动采煤。关键词：采煤机；截齿受力；无线收发模块；单片机IAbstract窗体顶端Coal as the main energy sources in todays society, the importance of self-evident. While it is due to over-exploitation, we began to pay more attention to new energy sources, and also made a joyous results. However, coal will continue to be present and in the future one of the main energy for a long period of time. At the same time it is one of the main energy in China. Therefore, it laid the coal industry has become a major pillar of the economy one of the reasons. Therefore, we must pay attention to the mechanization of coal mining and tunneling excavation is to improve coal production, coal production and improve economic and social benefits of the fundamental guarantee. And one of the mechanized production of coal shearer as an important device, his mechanized progress progress for mechanization of coal mining will play a crucial role.To achieve the automatic increase unmanned Face shearer drum, the need to address automatic coal rock interface recognition technology. This paper analyzes the current international and domestic coal and rock identification technology, it is against this background proposes a new recognition method based on an integrated coal shearer rock idler shaft reducer stress analysis. We collect Shearer idler shaft at different hardness of coal mined by force, and analyzed according to specific local conditions, in order to achieve the unmanned automatic coal shearer.窗体顶端Keywords: shearer; cutter force; wireless transceiver module; SCM窗体底端窗体底端目录 1绪论11.1课题研究的背景与意义11.2国外煤岩界面识别的研究现状21.3国内煤岩界面识别的研究现状31.4目前煤岩界面识别研究存在的问题42滚筒扭矩测试分析52.1截齿破煤过程52.2煤岩识别方法实现62.3惰轮轴受力分析72.4测试系统描述83扭矩传感器的的选择103.1常见传感器的介绍103.1.1电阻传感器103.1.2电容式传感器103.1.3速度传感器113.2传感器的选择标准123.2.1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型123.2.2 灵敏度的选择123.2.3响应特性 （反应时间）123.2.4线性范围123.2.5稳定性133.3销轴传感器133.3.1销轴传感器的原理及特点143.3.2应变计的选择方法133.3.3惰轮轴扭矩的计算163.3.4销轴传感器的选择174数据的采集与处理194.1数据采集电路设计194.1.1集成运算放大器的设计194.1.2A/D转换电路214.2中央处理器的选择234.2.1单片机的介绍及特点244.2.2MCS-51型单片机254.3无线数据传输模块284.3.1短距离无线传输技术284.3.2无线数据传输模块315煤岩识别系统软件的设计365.1BeeData软件的介绍365.2软件系统的调试365.2.1必创 BeeData软件单机版的主要特点与功能365.2.2BeeData软件主程序接口及菜单说明385.2.3数据的采集465.3软件抗干扰措施485.4实验结果496经济与技术分析517结论52致谢53参考文献54附录A译文56附录B外文文献601绪论1.1课题研究的背景与意义 采掘工作面上是煤矿事故多发点，通过煤矿机械化、自动化和信息化，可以提高煤 炭产量、保证安全生产、降低劳动强度、改善作业环境和增加经济效益。在现代化采掘成套设备中，采煤机是主要设备。滚筒式采煤机因其能适应复杂的煤层条件，是综合机械化采煤工作面的主要设备之一，其自动化是整个工作面自动化的中心环节。滚筒式采煤机的自动调高，是实现采煤工作面自动化的关键技术之一，其核心就是煤岩界面识别技术。滚筒式采煤机主要由电动机、牵引部、截割部和附属装置等部分组成。电动机是滚筒式采煤机的动力部分，它通过两端输出轴分别驱动两个截割部和牵引部，而且采煤机的电动机都是防爆的。牵引部是采煤机的行走机构。截割部主要由截割电机、摇臂减速 箱和截割滚筒组成，主要是将截割电机的动力经过减速后驱动滚筒割煤。滚筒的主要任 务是落煤和装煤，通过滚筒上的螺旋叶片和截齿将煤截割并装到刮板输送机中。滚筒一 侧装有挡煤板，其目的是提高装煤效果。 在现有的采煤机滚筒调高控制中，除国外极少数的采煤机采用记忆存储切割外，大 部分是靠手动操作，即判断采煤机滚筒是在割煤还是割岩完全依靠现场工作人员视觉观 察和截割噪音的判断。但是在实际的工作过程中，大量煤尘的产生会使工作面的能见度变得很低，加上采煤机械本身噪音很大，现场工作人员很难准确及时的判断出采煤机滚筒的截割状态。并且在薄煤层工作面上，现场工作人员行走不便，很难及时调节滚筒的截割高度，如果采煤机的滚筒高度不能及时得到调节，滚筒常常会截割进入岩石，造成截齿的磨损。截割岩石产生的粉尘既对现场工作人员的身体有危害，又影响视线；如果矿井中含有高瓦斯，则截割岩石产生的火花有可能引发爆炸等恶性事故；如果振动非常剧烈，则会引起大面积的顶岩崩塌，顶岩的大量崩落会使岩石混入原煤中，造成原煤质量下降；如果滚筒调高控制不当有可能使得留煤过厚；降低回采率实现采煤机滚筒的自动调高可以解决这一问题。实现采煤机滚筒自动调高不仅可以延长机器工作寿命、提高机械设备的稳定性与可靠性，而且可以保障井下工作人员的安全，是实现综采工作 面生产过程自动化的重要环节，对于提高煤炭质量具有重要意义。 根据采煤机调高系统所要求的功能，调高系统包括正确地识别采煤机的工作状态和 实时地对滚筒的高度进行调整。因此，采煤机滚筒自动调节高度的系统主要包括控制和 识别两个系统部分。滚筒要实现自动调高，首先要自动识别煤岩界面，就是要确定采煤 机的工作状态是截割岩石还是截割煤层，因此，要求煤岩界面方法的识别具有准确率高， 实时性强、适应性广、可靠性好。煤岩界面识别问题是国内外公认的高难度、高技术课 题，同时，滚筒的自动调高又建立在煤岩界面正确识别的基础之上。近年来，煤岩界面 识别问题得到了世界各个产煤国的关注和研究。 煤岩界面识别是满足采煤机可以自动追踪辨识煤岩界面，这样不仅可以实现煤矿井下采煤工作面的自动化，生产效益得到提高；还可以减少在洗煤的过程中那些必须要去掉的岩石及其它矿物质。这同时适用于人工操作以及计算机操控的采煤机。无论是安全作业方面，还是经济效益方面，煤岩界面的识别系统的可靠性都具有突出的优点。它使煤层的回采率得到提高；降低了矸石、灰粉和硫 在煤中的含量，提高了采煤工作效率；减轻采煤装备磨损；减少设备维修量和停机时间；由于振动较小，从而降低空气中岩尘的含量，并且可以使操作人员远离危险的采煤工作面。作为实现采煤自动化的关键设备之一，近些年来美国及其它国家均把它作为重点开发项目。 1.2国外煤岩界面识别的研究现状 从上世纪60年代起，世界各主要煤矿生产国，如美国、德国、英国、澳大利亚等国 家对煤岩界面的识别技术做了大量的研究工作，到目前为止国内外已经提出了20多种煤 岩界面分界方法。英国是最早开始研究这方面的，1967年英国科学家研究了 背散射法。这种方法是在顶煤的下方放置放射性物质探测器以及放射源，探测器可以探测到人工的放射源释放出的射线 ，这种射线是与顶煤发生反应后被反射到空气中的。反射到空气中的射线强度和顶煤的厚度有关系。这种方法的不足是散射射线的穿透能力不强，如果顶煤厚度大于二百五十毫米就不能测得；很难保证和顶煤的接触较好；探测精度容易受到煤层中夹杂物的影响。上世纪八十年代，英国和美国对天然射线法进行了研究。在顶板和底板岩石中 一般含有钍，铀二大放射性元素，这些放射性元素的含量随着顶岩岩性不同也有所改变，所以放射出的射线具有不同的强度和能量。由于射线经过煤层时的衰减作用，通过测量经过衰减后的射线强度来确定顶底煤层厚度，由此来识别煤岩界面。这个方法具有无放射源的优点，所以容易进行管理，探测范围也很大，传感器为不易损坏的非接触式。 但是如果顶板没有放射性元素或者工作面上的放射性元素的含量比较低、以及矿井下煤 层的夹矸太多，在这些情况下这种方法就不能适用 。从八十年代开始，英美便开始进行基于截割力响应的识别系统研究。基于采煤机 截割力的分析方法，这种方法的应用特点与NGR法正好具有互补性。因为岩石与煤层具有不同的力学特性，所以采煤机在切割煤层和切割岩石时表 现出不同的力学特征，通过这种特性可以对煤岩界面进行识别。这种方法不局限于采煤 工艺和地质条件，通过顶底板煤层与岩石就可以得到采煤机切割的状态。所以，在进行 采煤机截割状态识别的时候，利用多路信号也就是多参数。美国矿业局对振动性的煤岩界面识别方法进行了研究，基本的类型主要有槽波地震、机械振动和声学特性等。美国麻省理工学院的采矿系统改造中心于1985年研制了一台截齿振动监测样机系统，将 振动转换为变化的磁场，而后再转换成正比于截齿振动的电信号，但自1985年后该项目研究工作一直处于停顿状态。 近年来，煤岩界面识别技术重点研究的是无源红外探测技术。利用高灵敏度的红外 测温仪对截齿附近煤岩体的温度进行定向的测量，由于煤块和岩石不同的物理特性，切割时所产生的温度也不相同，根据这种特性可以判断滚筒割煤或是割岩。这种方法的最突出的优点是工作对象可以为各种坚硬的顶板；能够使得所采煤层全部都可以采至顶板；而且反应非常迅速，当截齿接触顶板时，瞬间就可以采取有效的措施；可以穿透水雾与尘埃，而且它的衰减率比较小。虽然，这项技术目前都无成熟产品问世，但这种探测方法被认为很有前途。 美国的JOY公司等生产的采煤机是基于记忆截割法的工作原理。主要原理是：应用 传感器拾取采煤机沿工作面行走切割的第一刀相应的数据，然后传输到控制系统，将这些数据作为控制采煤机调高系统的依据来实现后面的切割。 1.3国内煤岩界面识别的研究现状 自八十年代以来，国内从事煤岩识别方面研究的主要有中国矿业大学的盂惠荣教授 和山西矿业学院的陈延康教授。 陈延康教授在这方面研究了基于截割力响应的煤岩识别及采煤机滚筒自动调高控制系统。此系统是采用记忆程序控制，以此实现跟踪前一刀的煤岩分界。根据本次切割的煤岩分界线，采用逐点对比切割力的方法，基于MFIC软件辨别和控制滚筒的位置，而且可以作为采煤机故障诊断和状态监测的依据。这种系统对我国的煤矿开采有极其宝贵的参考价值。1.4目前煤岩界面识别研究存在的问题 煤厚测量法，以天然射线（NGR）探测仪为代表，这项技术虽然相对比较成熟，而 且已经研制出产品这种方法特别适合于含有较高瓦斯的煤矿，但是 这种方法要求采煤工艺中必须留一定厚度的顶煤，这样就降低了回采率；另外，还要求必须含有放射性元素在顶底板的围岩上。例如，非常适合于页岩顶板，但是不适合于砂岩顶板。在英国有50%的煤矿可以使用这种方法，在美国则有90%的煤矿可以使用，但是，在我国可以应用这种方法的煤矿却只有20%左右。所以限制了这种方法的广泛推广。记忆切割法主要适用于地质条件比较好、煤层较为平整的矿井，这种方法对于那些 地质条件不太好的矿井局限性很大，推广很难。无源红外探测方法是一种有应用前景的方法，但仍处于进一步的研究中，没有形成产品。针对目前各国所研究的各种煤岩界面识别方法进行分析，都没有成熟产品问世，目前仍处于研究阶段，都没有从理论出发来分析采煤机滚筒截煤过程状态，找出采煤机截 割煤和岩石力矩变化的本质规律，因此为了使煤岩界面识别更具有可行性、准确性、可靠性，适应性，能推动煤岩界面识别技术的进步，为了能给采煤机滚筒自动调高系统产品化提供设计依据，本课题提出基于电流信号的煤岩识别方法。 612滚筒扭矩测试分析2.1截齿破煤过程截齿破煤过程是进行破煤机理分析及滚筒截割阻力矩模型建立的基础，所以，需要截齿的破煤过程进行分析。截割破碎不同阶段的表现是不同的，截入煤层时截割能量迅速升高，同时密实核也迅速形成，破煤阶段能量突然以较大的比率减少，所以煤和岩石破裂。图2-1截齿破没过程图截齿以截割速度v截割煤岩时，在接触处很小的范围 内产生很强的压应力，因为煤岩是脆性材料，当接触应力达到极限值时，煤岩开始被局部压碎，形成很细的粉末，并形成煤粉密实核。在截齿截入的过程中，煤粉的密实核将以非常高的速度沿齿身锥面排出，从而压碎范围不断扩大，密实核也不断扩大，核内的煤粉因受到挤压而积聚能量，并向密实核四周的煤体施压，截齿的截割阻力也随之扩大。当密实核扩大到煤岩与截齿前方接触点D时，该处煤岩发生比较小的块状脱落，密实核中的区域的煤粉受到强烈压缩后高速喷出，使积聚的能量突然释放，截割阻力也突然减小。煤粉在高速喷出时，与截齿齿身锥面发生强烈摩擦，导致在截齿齿尖部分形成聚集物的区域，它粘附在截齿齿尖上并与截齿一起运动，同时对煤岩产生楔入作用。随着截齿继续楔入，形成的密实核体积会继续增大，这就造成截齿的前进阻力增大，直至 截齿附近的煤岩再次发生较小的块状脱落使得积聚的煤粉喷出时，截齿的截割阻力才会下降。最后当截齿推进到B点时，密实核内聚集足够的压力，就会致使煤岩内部出现剪切裂纹，随着截齿的推进，剪切裂纹会扩大并汇合到煤岩表面，煤块BCD与煤岩体的 内部强度消失，沿裂纹BC脱落，此时煤粉散落密实核消失，截齿的截割阻力也下降到最小。所以，截齿的截煤过程是截入、密实核形成、跃进破碎的过程。2.2煤岩识别方法实现 基于惰轮轴受力分析的综合煤岩识别方法，其实现过程如下：滚筒受力通过销轴传感器将检测数据发送到无线应变采集模块，再经无线通讯方式传输至数据采集终端，在上位机显示屏上实时显示销轴传感器应变大小和应变变化趋势曲线，应变数据可从采集模块存储区中导出，用于数据分析，数据采集流程图如图2-2，网络拓扑结构如图2-3所示。图2-2数据采集流程Figure 2-3 The process of data collection图2-3 网络拓扑结构Figure 2-3 Network topology 在摇臂靠近电机侧开窗口安装无线应变采集模块，此模块为定制的无线应变采集模块，无线应变采集模块主要应用于有线传输信号距离远、受干扰严重、布线繁琐等实验现场的动态应变测量，在实验过程中实验人员可以远离实验现场，保证了实验的高效安全。综采工作面自动化采煤是一个比较复杂的过程，除了采用先进的煤岩识别技术外，还需要整个工作面各个设备之间协同工作，实现同步有序互锁。煤岩识别系统融合了目前比较成熟的记忆截割技术，即人工操作采煤机在工作面运行几个往返行程后，采煤机自动记忆截割高度、牵引速度、截割深度以及惰轮轴受力值，并进行标定，以实现自动割煤。具体过程如下： 采煤工作面全部设备启动后，前几个循环，人工控制采煤机设定截割高度、割煤厚度、滚筒转速和牵引速度后，采煤机在链牵引下开始割煤，销轴传感器开始实时监测惰轮轴受力，液压支架自动追机拉架，推动整个工作面向前推移，每一个工作循环，根据采煤机割煤和割岩惰轮轴受力差异，人工调节牵引速度、割煤厚度、截割高度和滚筒转速，达到平稳截割，然后采集这些参数并存储标定，经过几个循环的运行，采煤机在记忆截割模式下对每次采集到数据进行求平均值，并存储，完成路线记忆，并根据惰轮轴平均受力，设定割煤受力和割岩受力期望值。之后采煤机进入自动截割运行状态，工人撤离工作面在顺槽控制中心通过视频监控系统适时监控工作面的运行状况。在自动模式下，采煤机根据规划好的路线进行记忆截割，滚筒保持正常截割高度运行，同时销轴传感器检测惰轮轴受力，采煤机自动识别系统识别出截割岩石时滚筒自动调节截割高度，保证采煤机始终处于截割煤层的状态；随着煤岩层走势的变化，通过智能灰色理论建模系统实时预测和修正截割路线，以适应煤岩界面走势的变化，提高了采煤机的自适应能力，若煤岩层硬度变化，则受力期望值根据经典的PID反馈闭环控制进行修正标定，提高了采煤机的追煤响应速度。在顺槽控制中心，工人可在监控主机上实时观察采煤机割煤状态，根据观测数据也可进行远程遥控采煤机，进行采煤机状态的调节。在实际截割过程中，若采煤机遇到断层、夹矸层或者煤层厚度太薄影响工作面推进的情况时，则采煤机根据惰轮轴受力数据与之前数据进行综合对比分析可快速识别，对采煤机的状态参数进行调节，降低滚筒转速和牵引速度，并减小截割深度，按照综采工作面对顶板倾角的最大限制，采煤机安全强行割岩推进，保证工作面对顶板和底板的纵向、横向角度及平滑度的要求，确保工作面液压支架的顺利推移和支架对顶板的有效维护。智能控制系统对采煤机电动机电压、电流、油缸压力等关键状态参数进行监测，若参数超过正常工作限定值或遇到突发紧急情况时，采煤机可自动停机并发出警报故障信号。2.3惰轮轴受力分析惰轮是两个不互相接触的传动齿轮中间起传递作用的齿轮，同时跟这两个齿轮啮合，用来改变被动齿轮的转动方向，使之与主动齿轮相同。它的作用只是改变转向并不能改变传动比，称之为惰轮。而惰轮轴可以改变外啮合的次数。 拖轮轴的受力分析图如下图所示。图2-4 惰轮轴受力分析图Figure 2-4 idler shaft stress analysis diagram图2-5 惰轮轴受力简图Figure 2-5 idler shaft force diagram， 测试过程中，采煤机滚筒加减速过程中，惯性力矩可以不予考虑。由于惰性轮轴及齿轮的惯性矩相对整个截割滚筒传动系统的惯性矩较小，可以忽略不计。因此，采用销轴传感器替代惰轮轴，通过测量惰性轮销轴受力，求出合力Ft，进而获得截割滚筒扭矩。2.4测试系统描述滚筒扭矩测试通过销轴传感器将测试数据经过连接线缆发送到nRF903无线应变采集模块，再经无线通讯方式传输至数据采集终端，最终获得销轴受力。系统连接说明：1) 在摇臂靠近电机侧开窗口安装无线应变采集模块，并采用盖板进行密封处理，预留充电，数据下载接口，并保证防水，无线通信；2) 将安装在惰轮轴上的销轴传感器通过导线接入无线应变采集模块；3) 整个系统开始采集后，无线应变采集模块存储数据，并通过无线传输的方式传输数据，并统一在采集终端接收信号，与其他被测量一起显示在显示屏上；4) 事后可将无线应变采集模块中存储的数据导出，并进行分析。待安装的滚筒扭矩测试中所使用的销轴传感器实物如图2-6所示。图2-6销轴传感器实物图窗体顶端Figure 2-6 pin sensor physical map窗体底端无线应变采集模块主要应用于有线传输信号距离远受干扰严重、布线繁琐等实验现场动态应变测量，在实验过程中实验人员可以远离实验现场，保证了实验的高效安全。在摇臂靠近电机侧开窗口安装无线应变采集模块为定制的无线应变采集模块。3传感器的的选择3.1常见传感器的介绍3.1.1电阻传感器电阻式传感器种类繁多，应用广泛，其基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。 电阻式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。 应变式传感器特点 1) 精度高，测量范围广；2) 使用寿命长，性能稳定可靠；3) 结构简单，体积小，重量轻；4) 频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；5) 价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。3.1.2电容式传感器电容的转换原理可用平板电容来说明。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为式中，A -极板的有效覆盖面积（）；-为两极板的间介质的介电常数； d-平行板距离 C-电容量（F）； 为电容极板间介质的介电常数,=0r,其中0为真空介电常数。当被测参数变化使得上式中的A，d或发生变化时, 电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变, 而仅改变其中一个参数, 就可把该参数的变化转换为电容量的变化, 通过测量电路就可转换为电量输出。电容传感器可以分为三类:极距变化型电容传感器、面积变化型电容传感器、介质变化型电容传感器。变面积变化式一般用于测量角位移或较大的线位移。变间隙式一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化。变介电常数式常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。这种传感器具有高阻抗、小功率、动态范围大、动态响应较快、几乎没有零漂、结构简单和适应性强等优点。3.1.3速度传感器当今的速度传感器主要分为接触式和非接触式两种接触式主要分为接触式旋转式速度传感器与运动物体直接接触。当运动物体与旋转式速度传感器接触时，摩擦力带动传感器的滚轮转动。装在滚轮上的转动脉冲传感器，发送出一连串的脉冲。每个脉冲代表着一定的距离值，从而就能测出线速度。 接触式旋转速度传感器结构简单，使用方便。但是接触滚轮的直径是与运动物体始终接触着，滚轮的外周将磨损，从而影响滚轮的周长。而脉冲数对每个传感器又是固定的。影响传感器的测量精度。要提高测量精度必须在二次仪表中增加补偿电路。另外接触式难免产生滑差，滑差的存在也将影响测量的正确性。 非接触式风带动风速计旋转，经齿轮传动后带动凸轮成比例旋转。光纤被凸轮轮盘遮断形成一串光脉冲，经光电管转换成定信号，经计算可检测出风速。非接触式旋转速度传感器寿命长，无需增加补偿电路。但脉冲当量不是距离整数倍，因此速度运算相对比较复杂。风带动风速计旋转，经齿轮传动后带动凸轮成比例旋转。光纤被凸轮轮盘遮断形成一串光脉冲，经光电管转换成定信号，经计算可检测出风速。非接触式旋转速度传感器寿命长，无需增加补偿电路。但脉冲当量不是距离整数倍，因此速度运算相对比较复杂。旋转式速度传感器的性能可归纳如下：(1).传感器的输出信号为脉冲信号，其稳定性比较好，不易受外部噪声干扰，对测量电路无特殊要求。(2).结构比较简单，成本低，性能稳定可靠。功能齐全的微机芯片，使运算变换系数易于获得，故速度传感器应用极为普遍。3.2传感器的选择标准3.2.1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 3.2.2 灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的于扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3.2.3响应特性 （反应时间） 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。 3.2.4线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 3.2.5稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定。3.3销轴传感器3.3.1销轴传感器的原理及特点根据上文所介绍的传感器选方法，本次设计我们将会采用销轴传感器来实现系统的识别目的。轴销传感器实际上就是一根承受剪力作用的空心截面圆轴，双剪型电阻应变计粘贴在中心孔内凹槽中心的位置上，有两种组桥测量方式，即两个凹槽处的双剪型电阻应变计共同组成一个惠斯通电桥，或分别组成惠斯通电桥再并联进行测量。惠斯通电桥如图所示。图3-1 惠斯通电桥原理图Figure 3-1 Wheatstone bridge schematic销轴称重传感器是一个圆柱体，由不锈钢制成，它由中间部分即压力承载区、两个传感器支撑区和两个测力区构成。测量装置为由应变片制成的惠斯登电桥，安装在销轴式传感器内，以防外部不良影响（如：机械损伤、灰尘、潮湿等）。传感器基本结构输出为电压信号输出。 销轴式传感器的中间部分力的输入形式为剪切载荷，作用在传感器左、右两部分的支撑力使传感器发生变化，由剪切应力引起的变形转换成与负载成正比的电信号。因为考虑到测量形式，所以销轴式传感器有一个最佳测量方向。在这个最佳方向上，输出信号可达到最大值。此时，传感器中间部分上的压力方向与主要测量方向一致，测量方向由两个箭头在传感器上表示出来。 此外，称重传感器在设备上的实际使用，还会受到温度、侧向分力的影响。销轴传感器具有以下特性：1） 弹性元件为一整体空心截面圆轴，结构紧凑，几何外形简单，容易加工出很高的尺寸和形位精度；2） 空心截面具有很强的抗扭转、抗弯曲能力，并且轴销中性轴处的应力最大；3） 当空心截面轴销承受垂直和水平弯曲时，弯矩为零的截面在同一截面；4 当设计较大容量的轴销传感器时，中心孔也较大，双剪型电阴应变计可以粘贴在孔内，即得到很好的保 护又可以实施抽真空充惰性气体密封工艺；5） 与相关承力部件组装容易，使用方便。3.3.2应变计选择方法 在实际应用中，应遵循试验或应用条件（即应用精度、环境条件包括温度，湿度，环境恶劣状况，各类干扰，共模共地问题、试件材料大小尺寸、粘贴面积、曲率半径、安装条件等）为先，试件或弹性体材料状况（材料线膨胀系数、弹性模量、结构、大概受力状况或应力分布状况等）次之的原则，利用上述内容来选用与之匹配为最佳性价比的应变计。下表列出了选择应变计应考虑的内容，仅适用于常规情况，不包括核辐射、强磁场、高离心力等特殊场合。 a）选择应变计的步骤 1） 首先根据应用精度、环境条件选择应变计的系列。 2） 根据试件材料大小尺寸、粘贴面积、曲率半径、安装条件、应变梯度选择敏感栅栅长。 3） 根据应变梯度、应力种类、散热条件、安装空间、应变计电阻等选择敏感栅结构。 4） 根据使用条件、功耗大小、最大允许电压等选择标称电阻。 5） 根据试件材料类型、工作温度范围、应用精度选择温度自补偿系数或弹性模量自补偿系数。 6） 根据弹性体的固有蠕变特性、实际测试的精度、工艺方法、防护胶种类、密封形式等选 择蠕变补偿代号。 7） 根据实际需要选择应变计的引线连接方式。 b）选择应变计的方法 1）应变计敏感栅长度的选择： 应变计在加载状态下的输出应变是敏感栅区域的平均应变。为了获得真实的测量值，通常应变计的栅长应不大于测量区域半径的1/51/10。栅长较长的应变计具有易于粘贴和接线、散热性好等优点，对应变计的性能有一定的改善作用，但应根据实际测量需要进行选择，对于应变场变化不大和一般传感器用途.2）应变计敏感栅材料和基底材料的选择： 60以内、长时间、最大应变量在1000m/m以下的应变测量，一般选用以康铜合金或卡玛合金箔为敏感栅、改性酚醛或聚酰亚胺为基底的应变计（BE 、ZF 、BA 及日用衡器类应变计系列）；150 以内的应变测量，一般选用以康铜、卡玛合金箔为敏感栅、聚酰亚胺为基底的应变计（BA 系列）；60 以内高精度传感器常用以康铜合金或卡玛合金箔为敏感栅、改性酚醛为基底的应变计（BF 、ZF 系列）。 3）应变计敏感栅结构型式的选择： 测量未知主应力方向试件的应变或测量剪应变时选用多轴应变计，前者可用三轴互相夹角为45，或60，或120等的应变计，后者用夹角为9 0 的二轴应变计；测量已知主应力方向试件的应变时，可选用单轴应变计；用于压力传感器的应变计可选用圆形敏感栅的多轴应变计；测量应力分布时，可选用排列成串或成行的510个敏感栅的多轴应变计。 4）栅间距的选择 常见的双轴应变计的栅间距一般有L6 6.0， L68=6.8， L7=7.0， L8=8.0，L0=10.5，L2=12.0，L4=14.0等。 5）应变计电阻的选择： 应变计电阻的选择应根据应变计的散热面积、导线电阻的影响、信噪比、功耗大小来选择。对于传感器一般推荐选用350、1000电阻的应变计。对于应力分布试验、应力测试、静态应变测量等，应尽量选用与仪器相匹配的阻值。 6）极限工作温度的选择 此温度表示应变计的极限工作温度，在极限工作温度应不高于此温度。7）温度及弹性模量自补偿系数的选择 应变计温度及弹性模量自补偿系数的选择可参照温度自补偿功能及弹性模量自补偿功能中所述来进行选择。 8）蠕变标号的选择 应变计型号中N、T为蠕变标号，标号不同，蠕变值不同，其规律是： 相邻标号之间实际蠕变值相差0.010.015%FS/30min。用户在选择应变计蠕变标号时可参照蠕变自补偿功能中所述的选用方法 3.3.3惰轮轴扭矩的计算 本次设计主要针对的是西安煤矿机械有限公司生产的MG500/1130-WD型采煤机。其主要技术参数如下：1） 整机主要参数表3-1 整机的主要参数Table 3-1 Number of main parameters of the machine采高范围1.83.6m机面高度1625mm滚筒直径1800 mm下 切 量370 mm铲 间 距258mm过煤高度730mm装机功率2500 +255+20 kW摇臂摆动中心距7600mm截 深800 mm2）电动机主要技术参数表3-2 电动机主要技术参数窗体顶端Table 3-2 Motor main technical parameters电动机截割电机牵引电机调高泵电机功率500kw55kw20kw转速1470 r/min1470 r/min1470 r/min冷却水量30L/min20L/min10L/min冷却水压1.5 Mpa1.5 Mpa1.5 Mpa根据公式 窗体底端根据公式可以计算的到惰轮轴的扭矩为3.3.4销轴传感器的选择本次设计采用的是北京海博华科技有限公司生产的HC-1011销轴传感器。HC-1011销轴传感器采用轴销外形双剪切梁结构，具有抗偏抗扭曲、精度高等特点，是测量轴承、换轮等构件的径向载荷或钢丝绳张力的专用传感器，它可以代替滑轮轴销安装在结构中作径向力测量。既能起到原有轴的功能，又起到承中测力传感器的作用，从而使整个称重测力系统的机械部件大大简化。可适用于煤炭、水利、船舶等行业的过程控制及系统测量。其具体参数如表3-3所示。表3-3 销轴传感器技术参数Table 3-3 pin sensor technology parameters指标名称技术参数指标名称技术参数灵敏度mV/V1.02.00.05灵敏度温度系FS/100.05非线性FS0.1工作温度范围-20+80滞后FS0.1输入电阻75020蠕变FS/30 min0.1安全过载FS150FS零点输出FS1绝缘电阻M5000(50VDC)零点温度系数FS/100.05推荐激励电压V1015V重复性FS0.05输出电阻0054数据的采集与处理4.1数据采集电路设计4.1.1集成运算放大器的设计a） 集成运算放大器的分类1） 通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广，其性能指标能适合于一般性使用。例mA741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356 都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。2） 高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid（1091012）W,IIB 为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET 作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。3） 低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET 组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650 等。4） 高速型运算放大器在快速A/D 和D/A 转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率SR 一定要高,单位增益带宽BWG一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运放有LM318、mA715 等,其SR=5070V/ms,BWG20MHz。5） 低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C 等,其工作电压为2V18V,消耗电流为50250mA。目前有的产品功耗已达微瓦级,例如ICL7600 的供电电源为1.5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。6） 高压大功率型运算放大器运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路，即可输出高电压和大电流。例如D41集成运放的电源电压可达150V，uA791集成运放的输出电流可达1A。b） 放大器的选择这次设计选用的是LM324放大器，LM324系列器件带有真差动输入的四运算放大器，具有真正的差分输入。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。1） 具有以下特点：2） 短路保护输出 3） 真正的差分输入级4） 单电源供电：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A） 5） 低输入偏置电流：100 nA最大值（LM324A）6） 每个封装又四个放大器7） 内部补偿8） 共模范围扩展至电源9） 输入端的ESD钳位提高了可靠性，且不影响期间工作10）提供无铅封装图4-1 LM324放大器接线图Figure 4-1 LM324 amplifier wiring diagram4.1.2A/D转换电路a) 数模转换器的分类直接ADC是将输入模拟电压直接转换成数字量，如并联比较型ADC和逐次比较型ADC；间接ADC是先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，如双积分型ADC。 1） 并联比较型ADC 优点：采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，因此转换速度快，转换速度与输出码位数无关。 缺点：成本高、功耗大，所用元件数量随ADC位数的增加，以几何级数上升。适用于要求高速、低分辨率的场合。2）逐次逼近型ADC 特点：逐次逼近型ADC每次转换需要n+1个节拍脉冲才能完成，比并联比较型ADC转换速度慢，属于中速ADC器件。另外，当位数较多时，所需的元、器件比并联比较型少得多，应用较广。 3） 双积分型ADC 优点： 抗干扰能力强。采样电压是采样时间内输入电压的平均值。 稳定性好，转换精度高。通过两次积分把VI和VREF之比变成两次计数值之比，只要求RC和TC在两次积分时保持不变即可。 非线性误差小。转换结果与积分时间常数RC无关，消除了积分非线性带来的误差。 b) 模数转换器的数据指标1）分辨率以输出二进制的位数表示分辨率，位数越多，误差越小，转换精度越高。2）相对精度相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想的情况下，所有的转换点应当在一条直线上。3）转换速度他是只完成一次转换所需要的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间，采用不同的转换电路，其转换速度是不同的。并行型比逐次逼近型要快得多。4）电源抑制在输入模拟电压不变的前提下，当转换电路的供电电源电压发生变化时，对输出也会产生影响。这种影响可用输出数字量的绝对变化量来表示。5）选择A/D器件的通道数和封装 这与系统有关，通道数要满足整个采集系统的需要。封装则决定PCB布板的时候的大小，而且在高速应用的时候也影响连线的分布参数。6）选择A/D器件的输出接口 A/D器件接口的种类很多，有并行总线接口的，有SPI、I2C、1-Wire等串行总线接口的。它们在原理和精度上相同，但是控制方法和接口电路会有很大差异。7）