礦山機(jī)電畢業(yè)論文（含外文翻譯）采煤機(jī)煤巖識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　采煤機(jī)煤巖識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　Design of coal shearer recognition system</p><p>　　所在學(xué)院

2、 </p><p>　　專業(yè)班級 礦山機(jī)電 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年

3、 月 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 70 頁（其中：外文文獻(xiàn)及譯文 8 頁）圖紙共 1 張</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　煤炭作為當(dāng)今社會最主要的能源之一，其重要性不言而喻。雖然現(xiàn)在由于過度開采，大家開始更多的關(guān)注新能源，并且也取得了令人喜悅的成果。但是煤炭仍將會是目前乃至未來

4、相當(dāng)長一段時(shí)間的主要能源之一。同時(shí)更是我國的主要能源之一。所以，也就奠定了煤炭行業(yè)成為我國重要經(jīng)濟(jì)支柱的原因之一。所以我們必須認(rèn)識到煤炭的機(jī)械化開采和掘進(jìn)是提高煤炭產(chǎn)量、提高煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的根本保障。而采煤機(jī)作為煤炭機(jī)械化生產(chǎn)的十分重要的設(shè)備之一，他的機(jī)械化進(jìn)展對于我國煤炭開采的機(jī)械化進(jìn)展必將起到至關(guān)重要的作用。</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)無人工作面采煤機(jī)滾筒的自動調(diào)高，需要解決煤巖界面自動識別技術(shù)

5、。本文分析了當(dāng)前國際和國內(nèi)的煤巖識別技術(shù)，就這一背景下提出了一種新的、基于滾筒采煤機(jī)減速器惰輪軸受力分析的綜合煤巖識別方法。我們通過采集采煤機(jī)惰輪軸在開采不同硬度的煤巖時(shí)的受力，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的無人化自動采煤。</p><p>　　關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；截齒受力；無線收發(fā)模塊；單片機(jī)</p><p><b>　　Abstract</b><

6、;/p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　Coal as the main energy sources in today's society, the importance of self-evident. While it is due to over-exploitation, we began to pay more attenti

7、on 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 Chi

8、na. Therefore, it laid the coal industry has become a major pillar of the economy one of the reasons. Therefore, we must pay atten</p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　Keywords: shearer; cu

9、tter force; wireless transceiver module; SCM</p><p><b>　　窗體底端</b></p><p><b>　　窗體底端</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1　緒論1&l

10、t;/b></p><p>　　1.1　課題研究的背景與意義1</p><p>　　1.2　國外煤巖界面識別的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3　國內(nèi)煤巖界面識別的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4　目前煤巖界面識別研究存在的問題4</p><p>　　2　滾筒扭矩測試分析5</p>

11、<p>　　2.1　截齒破煤過程5</p><p>　　2.2　煤巖識別方法實(shí)現(xiàn)6</p><p>　　2.3　惰輪軸受力分析7</p><p>　　2.4　測試系統(tǒng)描述8</p><p>　　3　扭矩傳感器的的選擇10</p><p>　　3.1　常見傳感器的介紹10</p>

12、<p>　　3.1.1　電阻傳感器10</p><p>　　3.1.2　電容式傳感器10</p><p>　　3.1.3　速度傳感器11</p><p>　　3.2　傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)12</p><p>　　3.2.1　根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型12</p><p>　　3.2.2 靈

13、敏度的選擇12</p><p>　　3.2.3　響應(yīng)特性 （反應(yīng)時(shí)間）12</p><p>　　3.2.4　線性范圍12</p><p>　　3.2.5　穩(wěn)定性13</p><p>　　3.3　銷軸傳感器13</p><p>　　3.3.1　銷軸傳感器的原理及特點(diǎn)14</p><p>

14、;　　3.3.2　應(yīng)變計(jì)的選擇方法13</p><p>　　3.3.3　惰輪軸扭矩的計(jì)算16</p><p>　　3.3.4　銷軸傳感器的選擇17</p><p>　　4　數(shù)據(jù)的采集與處理19</p><p>　　4.1　數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1.1　集成運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)19<

15、/p><p>　　4.1.2　A/D轉(zhuǎn)換電路21</p><p>　　4.2　中央處理器的選擇23</p><p>　　4.2.1　單片機(jī)的介紹及特點(diǎn)24</p><p>　　4.2.2　MCS-51型單片機(jī)25</p><p>　　4.3　無線數(shù)據(jù)傳輸模塊28</p><p>　　4.3

16、.1　短距離無線傳輸技術(shù)28</p><p>　　4.3.2　無線數(shù)據(jù)傳輸模塊31</p><p>　　5　煤巖識別系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)36</p><p>　　5.1　BeeData軟件的介紹36</p><p>　　5.2　軟件系統(tǒng)的調(diào)試36</p><p>　　5.2.1　必創(chuàng) BeeData軟件單機(jī)版的主要

17、特點(diǎn)與功能36</p><p>　　5.2.2　BeeData軟件主程序接口及菜單說明38</p><p>　　5.2.3　數(shù)據(jù)的采集46</p><p>　　5.3　軟件抗干擾措施48</p><p>　　5.4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果49</p><p>　　6　經(jīng)濟(jì)與技術(shù)分析51</p><p&

18、gt;<b>　　7　結(jié)論52</b></p><p><b>　　致謝53</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)54</b></p><p><b>　　附錄A譯文56</b></p><p>　　附錄B外文文獻(xiàn)60</p>

19、<p><b>　　1　緒論</b></p><p>　　1.1　課題研究的背景與意義 </p><p>　　采掘工作面上是煤礦事故多發(fā)點(diǎn)，通過煤礦機(jī)械化、自動化和信息化，可以提高煤 炭產(chǎn)量、保證安全生產(chǎn)、降低勞動強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境和增加經(jīng)濟(jì)效益。在現(xiàn)代化采掘成套設(shè)備中，采煤機(jī)是主要設(shè)備。滾筒式采煤機(jī)因其能適應(yīng)復(fù)雜的煤層條件，是綜合機(jī)械化采煤工作面的主要

20、設(shè)備之一，其自動化是整個(gè)工作面自動化的中心環(huán)節(jié)。滾筒式采煤機(jī)的自動調(diào)高，是實(shí)現(xiàn)采煤工作面自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心就是煤巖界面識別技術(shù)。</p><p>　　滾筒式采煤機(jī)主要由電動機(jī)、牽引部、截割部和附屬裝置等部分組成。電動機(jī)是滾筒式采煤機(jī)的動力部分，它通過兩端輸出軸分別驅(qū)動兩個(gè)截割部和牽引部，而且采煤機(jī)的電動機(jī)都是防爆的。牽引部是采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)。截割部主要由截割電機(jī)、搖臂減速 箱和截割滾筒組成，主要是將截割

21、電機(jī)的動力經(jīng)過減速后驅(qū)動滾筒割煤。滾筒的主要任 務(wù)是落煤和裝煤，通過滾筒上的螺旋葉片和截齒將煤截割并裝到刮板輸送機(jī)中。滾筒一 側(cè)裝有擋煤板，其目的是提高裝煤效果。</p><p>　　在現(xiàn)有的采煤機(jī)滾筒調(diào)高控制中，除國外極少數(shù)的采煤機(jī)采用記憶存儲切割外，大 部分是靠手動操作，即判斷采煤機(jī)滾筒是在割煤還是割巖完全依靠現(xiàn)場工作人員視覺觀 察和截割噪音的判斷。但是在實(shí)際的工作過程中，大量煤塵的產(chǎn)生會使工作面的能見度變得

22、很低，加上采煤機(jī)械本身噪音很大，現(xiàn)場工作人員很難準(zhǔn)確及時(shí)的判斷出采煤機(jī)滾筒的截割狀態(tài)。并且在薄煤層工作面上，現(xiàn)場工作人員行走不便，很難及時(shí)調(diào)節(jié)滾筒的截割高度，如果采煤機(jī)的滾筒高度不能及時(shí)得到調(diào)節(jié)，滾筒常常會截割進(jìn)入巖石，造成截齒的磨損。截割巖石產(chǎn)生的粉塵既對現(xiàn)場工作人員的身體有危害，又影響視線；如果礦井中含有高瓦斯，則截割巖石產(chǎn)生的火花有可能引發(fā)爆炸等惡性事故；如果振動非常劇烈，則會引起大面積的頂巖崩塌，頂巖的大量崩落會使巖石混入原煤中

23、，造成原煤質(zhì)量下降；如果滾筒調(diào)高控制不當(dāng)有可能使得留煤過厚；降低回采率實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的自動調(diào)高可以解決這一問題。實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動調(diào)高不僅可以延長機(jī)器工作壽命、提高機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性，而且可以保障井下工作人員的安全，是實(shí)現(xiàn)綜采工作 面生產(chǎn)過程自動化的重要環(huán)節(jié)，對于提高煤炭質(zhì)量具有重要意義。</p><p>　　根據(jù)采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)所要求的功能，調(diào)高系統(tǒng)包括正確地識別采煤機(jī)的工作狀態(tài)和 實(shí)時(shí)地對滾筒的高度進(jìn)行調(diào)

24、整。因此，采煤機(jī)滾筒自動調(diào)節(jié)高度的系統(tǒng)主要包括控制和 識別兩個(gè)系統(tǒng)部分。滾筒要實(shí)現(xiàn)自動調(diào)高，首先要自動識別煤巖界面，就是要確定采煤 機(jī)的工作狀態(tài)是截割巖石還是截割煤層，因此，要求煤巖界面方法的識別具有準(zhǔn)確率高， 實(shí)時(shí)性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、可靠性好。煤巖界面識別問題是國內(nèi)外公認(rèn)的高難度、高技術(shù)課 題，同時(shí)，滾筒的自動調(diào)高又建立在煤巖界面正確識別的基礎(chǔ)之上。近年來，煤巖界面 識別問題得到了世界各個(gè)產(chǎn)煤國的關(guān)注和研究。</p><

25、;p>　　煤巖界面識別是滿足采煤機(jī)可以自動追蹤辨識煤巖界面，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下采煤工作面的自動化，生產(chǎn)效益得到提高；還可以減少在洗煤的過程中那些必須要去掉的巖石及其它礦物質(zhì)。這同時(shí)適用于人工操作以及計(jì)算機(jī)操控的采煤機(jī)。無論是安全作業(yè)方面，還是經(jīng)濟(jì)效益方面，煤巖界面的識別系統(tǒng)的可靠性都具有突出的優(yōu)點(diǎn)。它使煤層的回采率得到提高；降低了矸石、灰粉和硫 在煤中的含量，提高了采煤工作效率；減輕采煤裝備磨損；減少設(shè)備維修量和停機(jī)時(shí)間；由

26、于振動較小，從而降低空氣中巖塵的含量，并且可以使操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的采煤工作面。作為實(shí)現(xiàn)采煤自動化的關(guān)鍵設(shè)備之一，近些年來美國及其它國家均把它作為重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目。 </p><p>　　1.2　國外煤巖界面識別的研究現(xiàn)狀 </p><p>　　從上世紀(jì)60年代起，世界各主要煤礦生產(chǎn)國，如美國、德國、英國、澳大利亞等國 家對煤巖界面的識別技術(shù)做了大量的研究工作，到目前為止國內(nèi)外已經(jīng)提出了20多

27、種煤 巖界面分界方法。英國是最早開始研究這方面的，1967年英國科學(xué)家研究了 γ 背散射法。這種方法是在頂煤的下方放置放射性物質(zhì)探測器以及放射源，探測器可以探測到人工的放射源釋放出的射線 ，這種射線是與頂煤發(fā)生反應(yīng)后被反射到空氣中的。反射到空氣中的射線強(qiáng)度和頂煤的厚度有關(guān)系。這種方法的不足是散射γ射線的穿透能力不強(qiáng)，如果頂煤厚度大于二百五十毫米就不能測得；很難保證和頂煤的接觸較好；探測精度容易受到煤層中夾雜物的影響。上世紀(jì)八十年代，英國

28、和美國對天然γ射線法進(jìn)行了研究。在頂板和底板巖石中 一般含有釷，鈾二大放射性元素，這些放射性元素的含量隨著頂巖巖性不同也有所改變，所以放射出的γ射線具有不同的強(qiáng)度和能量。由于射線經(jīng)過煤層時(shí)的衰減作用，通過測量經(jīng)過衰減后的射線強(qiáng)度來確定頂?shù)酌簩雍穸龋纱藖碜R別煤巖界面。這個(gè)方法具有無放射源的優(yōu)點(diǎn)，所以容易進(jìn)行管理，探測范圍也很大，傳感器為不易損壞的非接觸式。 但是如果頂板沒有放射性元素或者工作面上的放射性元素</p><

29、;p>　　從八十年代開始，英美便開始進(jìn)行基于截割力響應(yīng)的識別系統(tǒng)研究?；诓擅簷C(jī) 截割力的分析方法，這種方法的應(yīng)用特點(diǎn)與NGR法正好具有互補(bǔ)性。因?yàn)閹r石與煤層具有不同的力學(xué)特性，所以采煤機(jī)在切割煤層和切割巖石時(shí)表 現(xiàn)出不同的力學(xué)特征，通過這種特性可以對煤巖界面進(jìn)行識別。這種方法不局限于采煤 工藝和地質(zhì)條件，通過頂?shù)装迕簩优c巖石就可以得到采煤機(jī)切割的狀態(tài)。所以，在進(jìn)行 采煤機(jī)截割狀態(tài)識別的時(shí)候，利用多路信號也就是多參數(shù)。美國礦業(yè)局對

30、振動性的煤巖界面識別方法進(jìn)行了研究，基本的類型主要有槽波地震、機(jī)械振動和聲學(xué)特性等。美國麻省理工學(xué)院的采礦系統(tǒng)改造中心于1985年研制了一臺截齒振動監(jiān)測樣機(jī)系統(tǒng)，將 振動轉(zhuǎn)換為變化的磁場，而后再轉(zhuǎn)換成正比于截齒振動的電信號，但自1985年后該項(xiàng)目研究工作一直處于停頓狀態(tài)。</p><p>　　近年來，煤巖界面識別技術(shù)重點(diǎn)研究的是無源紅外探測技術(shù)。利用高靈敏度的紅外 測溫儀對截齒附近煤巖體的溫度進(jìn)行定向的測量，由于

31、煤塊和巖石不同的物理特性，切割時(shí)所產(chǎn)生的溫度也不相同，根據(jù)這種特性可以判斷滾筒割煤或是割巖。這種方法的最突出的優(yōu)點(diǎn)是工作對象可以為各種堅(jiān)硬的頂板；能夠使得所采煤層全部都可以采至頂板；而且反應(yīng)非常迅速，當(dāng)截齒接觸頂板時(shí)，瞬間就可以采取有效的措施；可以穿透水霧與塵埃，而且它的衰減率比較小。雖然，這項(xiàng)技術(shù)目前都無成熟產(chǎn)品問世，但這種探測方法被認(rèn)為很有前途。</p><p>　　美國的JOY公司等生產(chǎn)的采煤機(jī)是基于記憶截

32、割法的工作原理。主要原理是：應(yīng)用 傳感器拾取采煤機(jī)沿工作面行走切割的第一刀相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，將這些數(shù)據(jù)作為控制采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的依據(jù)來實(shí)現(xiàn)后面的切割。 </p><p>　　1.3　國內(nèi)煤巖界面識別的研究現(xiàn)狀 </p><p>　　自八十年代以來，國內(nèi)從事煤巖識別方面研究的主要有中國礦業(yè)大學(xué)的盂惠榮教授 和山西礦業(yè)學(xué)院的陳延康教授。 </p><p>　

33、　陳延康教授在這方面研究了基于截割力響應(yīng)的煤巖識別及采煤機(jī)滾筒自動調(diào)高控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)是采用記憶程序控制，以此實(shí)現(xiàn)跟蹤前一刀的煤巖分界。根據(jù)本次切割的煤巖分界線，采用逐點(diǎn)對比切割力的方法，基于MFIC軟件辨別和控制滾筒的位置，而且可以作為采煤機(jī)故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測的依據(jù)。這種系統(tǒng)對我國的煤礦開采有極其寶貴的參考價(jià)值。</p><p>　　1.4　目前煤巖界面識別研究存在的問題 </p><p&g

34、t;　　煤厚測量法，以天然射線（NGR）探測儀為代表，這項(xiàng)技術(shù)雖然相對比較成熟，而 且已經(jīng)研制出產(chǎn)品這種方法特別適合于含有較高瓦斯的煤礦，但是 這種方法要求采煤工藝中必須留一定厚度的頂煤，這樣就降低了回采率；另外，還要求必須含有放射性元素在頂?shù)装宓膰鷰r上。例如，非常適合于頁巖頂板，但是不適合于砂巖頂板。在英國有50%的煤礦可以使用這種方法，在美國則有90%的煤礦可以使用，但是，在我國可以應(yīng)用這種方法的煤礦卻只有20%左右。所以限制了這種

35、方法的廣泛推廣。記憶切割法主要適用于地質(zhì)條件比較好、煤層較為平整的礦井，這種方法對于那些 地質(zhì)條件不太好的礦井局限性很大，推廣很難。無源紅外探測方法是一種有應(yīng)用前景的方法，但仍處于進(jìn)一步的研究中，沒有形成產(chǎn)品。針對目前各國所研究的各種煤巖界面識別方法進(jìn)行分析，都沒有成熟產(chǎn)品問世，目前仍處于研究階段，都沒有從理論出發(fā)來分析采煤機(jī)滾筒截煤過程狀態(tài)，找出采煤機(jī)截 割煤和巖石力矩變化的本質(zhì)規(guī)律，因此為了使煤巖界面識別更具有可行性、準(zhǔn)確性、可靠性

36、，適應(yīng)性，能推動煤巖界面識別技術(shù)的進(jìn)步，為了能給采煤機(jī)滾筒自動調(diào)高系統(tǒng)產(chǎn)品化提供設(shè)計(jì)依據(jù)，本課題提出基于電流信號的煤巖識別方法。</p><p>　　2　滾筒扭矩測試分析</p><p>　　2.1　截齒破煤過程</p><p>　　截齒破煤過程是進(jìn)行破煤機(jī)理分析及滾筒截割阻力矩模型建立的基礎(chǔ)，所以，需要截齒的破煤過程進(jìn)行分析。截割破碎不同階段的表現(xiàn)是不同的，截入煤

37、層時(shí)截割能量迅速升高，同時(shí)密實(shí)核也迅速形成，破煤階段能量突然以較大的比率減少，所以煤和巖石破裂。</p><p>　　圖2-1截齒破沒過程圖</p><p>　　截齒以截割速度v截割煤巖時(shí)，在接觸處很小的范圍 內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的壓應(yīng)力，因?yàn)槊簬r是脆性材料，當(dāng)接觸應(yīng)力達(dá)到極限值時(shí)，煤巖開始被局部壓碎，形成很細(xì)的粉末，并形成煤粉密實(shí)核。在截齒截入的過程中，煤粉的密實(shí)核將以非常高的速度沿齒身錐面排出，

38、從而壓碎范圍不斷擴(kuò)大，密實(shí)核也不斷擴(kuò)大，核內(nèi)的煤粉因受到擠壓而積聚能量，并向密實(shí)核四周的煤體施壓，截齒的截割阻力也隨之?dāng)U大。當(dāng)密實(shí)核擴(kuò)大到煤巖與截齒前方接觸點(diǎn)D時(shí)，該處煤巖發(fā)生比較小的塊狀脫落，密實(shí)核中的區(qū)域Ⅱ的煤粉受到強(qiáng)烈壓縮后高速噴出，使積聚的能量突然釋放，截割阻力也突然減小。煤粉在高速噴出時(shí)，與截齒齒身錐面發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，導(dǎo)致在截齒齒尖部分形成聚集物的區(qū)域Ⅰ，它粘附在截齒齒尖上并與截齒一起運(yùn)動，同時(shí)對煤巖產(chǎn)生楔入作用。隨著截齒繼續(xù)楔

39、入，形成的密實(shí)核體積會繼續(xù)增大，這就造成截齒的前進(jìn)阻力增大，直至 截齒附近的煤巖再次發(fā)生較小的塊狀脫落使得積聚的煤粉噴出時(shí)，截齒的截割阻力才會下降。最后當(dāng)截齒推進(jìn)到B點(diǎn)時(shí)，密實(shí)核內(nèi)聚集足夠的壓力，就會致使煤巖內(nèi)部出現(xiàn)剪切裂紋，隨著截齒的推進(jìn)，剪切裂紋會擴(kuò)大并匯合到煤巖表面，煤塊BCD與煤巖體的 內(nèi)部強(qiáng)度消失，沿裂紋BC脫落，此時(shí)</p><p>　　2.2　煤巖識別方法實(shí)現(xiàn) </p><p&

40、gt;　　基于惰輪軸受力分析的綜合煤巖識別方法，其實(shí)現(xiàn)過程如下：</p><p>　　滾筒受力通過銷軸傳感器將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到無線應(yīng)變采集模塊，再經(jīng)無線通訊方式傳輸至數(shù)據(jù)采集終端，在上位機(jī)顯示屏上實(shí)時(shí)顯示銷軸傳感器應(yīng)變大小和應(yīng)變變化趨勢曲線，應(yīng)變數(shù)據(jù)可從采集模塊存儲區(qū)中導(dǎo)出，用于數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2-2，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-2數(shù)據(jù)采集流程<

41、/p><p>　　Figure 2-3 The process of data collection</p><p>　　圖2-3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　Figure 2-3 Network topology </p><p>　　在搖臂靠近電機(jī)側(cè)開窗口安裝無線應(yīng)變采集模塊，此模塊為定制的無線應(yīng)變采集模塊，無線應(yīng)變采集模塊主要應(yīng)用于有

42、線傳輸信號距離遠(yuǎn)、受干擾嚴(yán)重、布線繁瑣等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的動態(tài)應(yīng)變測量，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員可以遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，保證了實(shí)驗(yàn)的高效安全。</p><p>　　綜采工作面自動化采煤是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，除了采用先進(jìn)的煤巖識別技術(shù)外，還需要整個(gè)工作面各個(gè)設(shè)備之間協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)同步有序互鎖。煤巖識別系統(tǒng)融合了目前比較成熟的記憶截割技術(shù)，即人工操作采煤機(jī)在工作面運(yùn)行幾個(gè)往返行程后，采煤機(jī)自動記憶截割高度、牽引速度、截割深度以及惰輪軸

43、受力值，并進(jìn)行標(biāo)定，以實(shí)現(xiàn)自動割煤。具體過程如下： </p><p>　　采煤工作面全部設(shè)備啟動后，前幾個(gè)循環(huán)，人工控制采煤機(jī)設(shè)定截割高度、割煤厚度、滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度后，采煤機(jī)在鏈牽引下開始割煤，銷軸傳感器開始實(shí)時(shí)監(jiān)測惰輪軸受力，液壓支架自動追機(jī)拉架，推動整個(gè)工作面向前推移，每一個(gè)工作循環(huán)，根據(jù)采煤機(jī)割煤和割巖惰輪軸受力差異，人工調(diào)節(jié)牽引速度、割煤厚度、截割高度和滾筒轉(zhuǎn)速，達(dá)到平穩(wěn)截割，然后采集這些參數(shù)并存儲標(biāo)

44、定，經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)的運(yùn)行，采煤機(jī)在記憶截割模式下對每次采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值，并存儲，完成路線記憶，并根據(jù)惰輪軸平均受力，設(shè)定割煤受力和割巖受力期望值。之后采煤機(jī)進(jìn)入自動截割運(yùn)行狀態(tài)，工人撤離工作面在順槽控制中心通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)適時(shí)監(jiān)控工作面的運(yùn)行狀況。在自動模式下，采煤機(jī)根據(jù)規(guī)劃好的路線進(jìn)行記憶截割，滾筒保持正常截割高度運(yùn)行，同時(shí)銷軸傳感器檢測惰輪軸受力，采煤機(jī)自動識別系統(tǒng)識別出截割巖石時(shí)滾筒自動調(diào)節(jié)截割高度，保證采煤機(jī)始終處于截割煤層

45、的狀態(tài)；隨著煤巖層走勢的變化，通過智能灰色理論建模系統(tǒng)實(shí)時(shí)預(yù)測和修正截割路線，以適應(yīng)煤巖界面走勢的變化，提高了采煤機(jī)的自適應(yīng)能力，若煤巖層硬度變化，則受力期望值根據(jù)經(jīng)典的PID反饋閉環(huán)控制進(jìn)行修正標(biāo)定，提高了采煤機(jī)的追</p><p>　　在實(shí)際截割過程中，若采煤機(jī)遇到斷層、夾矸層或者煤層厚度太薄影響工作面推進(jìn)的情況時(shí)，則采煤機(jī)根據(jù)惰輪軸受力數(shù)據(jù)與之前數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比分析可快速識別，對采煤機(jī)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，降

46、低滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度，并減小截割深度，按照綜采工作面對頂板傾角的最大限制，采煤機(jī)安全強(qiáng)行割巖推進(jìn)，保證工作面對頂板和底板的縱向、橫向角度及平滑度的要求，確保工作面液壓支架的順利推移和支架對頂板的有效維護(hù)。智能控制系統(tǒng)對采煤機(jī)電動機(jī)電壓、電流、油缸壓力等關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，若參數(shù)超過正常工作限定值或遇到突發(fā)緊急情況時(shí)，采煤機(jī)可自動停機(jī)并發(fā)出警報(bào)故障信號。</p><p>　　2.3　惰輪軸受力分析</p&g

47、t;<p>　　惰輪是兩個(gè)不互相接觸的傳動齒輪中間起傳遞作用的齒輪，同時(shí)跟這兩個(gè)齒輪嚙合，用來改變被動齒輪的轉(zhuǎn)動方向，使之與主動齒輪相同。它的作用只是改變轉(zhuǎn)向并不能改變傳動比，稱之為惰輪。而惰輪軸可以改變外嚙合的次數(shù)。 拖輪軸的受力分析圖如下圖所示。</p><p>　　圖2-4 惰輪軸受力分析圖</p><p>　　Figure 2-4 idler shaft stress

48、 analysis diagram</p><p>　　圖2-5 惰輪軸受力簡圖</p><p>　　Figure 2-5 idler shaft force diagram</p><p><b>　　，，</b></p><p>　　測試過程中，采煤機(jī)滾筒加減速過程中，慣性力矩可以不予考慮。由于惰性輪軸及齒輪的慣性矩

49、相對整個(gè)截割滾筒傳動系統(tǒng)的慣性矩較小，可以忽略不計(jì)。因此，采用銷軸傳感器替代惰輪軸，通過測量惰性輪銷軸受力，求出合力Ft，進(jìn)而獲得截割滾筒扭矩。</p><p>　　2.4　測試系統(tǒng)描述</p><p>　　滾筒扭矩測試通過銷軸傳感器將測試數(shù)據(jù)經(jīng)過連接線纜發(fā)送到nRF903無線應(yīng)變采集模塊，再經(jīng)無線通訊方式傳輸至數(shù)據(jù)采集終端，最終獲得銷軸受力。</p><p>&l

50、t;b>　　系統(tǒng)連接說明：</b></p><p>　　1) 在搖臂靠近電機(jī)側(cè)開窗口安裝無線應(yīng)變采集模塊，并采用蓋板進(jìn)行密封處理，預(yù)留充電，數(shù)據(jù)下載接口，并保證防水，無線通信；</p><p>　　2) 將安裝在惰輪軸上的銷軸傳感器通過導(dǎo)線接入無線應(yīng)變采集模塊；</p><p>　　3) 整個(gè)系統(tǒng)開始采集后，無線應(yīng)變采集模塊存儲數(shù)據(jù)，并通過無

51、線傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，并統(tǒng)一在采集終端接收信號，與其他被測量一起顯示在顯示屏上；</p><p>　　4) 事后可將無線應(yīng)變采集模塊中存儲的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并進(jìn)行分析。</p><p>　　待安裝的滾筒扭矩測試中所使用的銷軸傳感器實(shí)物如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6銷軸傳感器實(shí)物圖</p><p><b>　　窗體頂端&l

52、t;/b></p><p>　　Figure 2-6 pin sensor physical map</p><p><b>　　窗體底端</b></p><p>　　無線應(yīng)變采集模塊主要應(yīng)用于有線傳輸信號距離遠(yuǎn)受干擾嚴(yán)重、布線繁瑣等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場動態(tài)應(yīng)變測量，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)人員可以遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，保證了實(shí)驗(yàn)的高效安全。</p>

53、<p>　　在搖臂靠近電機(jī)側(cè)開窗口安裝無線應(yīng)變采集模塊為定制的無線應(yīng)變采集模塊。</p><p><b>　　3　傳感器的的選擇</b></p><p>　　3.1　常見傳感器的介紹</p><p>　　3.1.1　電阻傳感器</p><p>　　電阻式傳感器種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理就是將被測物理量的變化

54、轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路顯示或記錄被測量值的變化。 </p><p>　　電阻式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。</p><p>　　應(yīng)用范圍：可測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。 </p><p><b>　　應(yīng)變式傳感器特點(diǎn) </b></p><p

55、>　　1) 精度高，測量范圍廣；</p><p>　　2) 使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；</p><p>　　3) 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；</p><p>　　4) 頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量；</p><p>　　5) 價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。</p><p>　

56、　3.1.2　電容式傳感器</p><p>　　電容的轉(zhuǎn)換原理可用平板電容來說明。由絕緣介質(zhì)分開的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器, 如果不考慮邊緣效應(yīng), 其電容量為</p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　A ----極板的有效覆蓋面積（㎡）；</p><p>　　ε----為兩極板的間介質(zhì)的介電

57、常數(shù)； </p><p>　　d----平行板距離 </p><p>　　C-----電容量（F）；</p><p>　　ε為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù),ε=ε0·εr,其中ε0為真空介電常數(shù)。當(dāng)被測參數(shù)變化使得上式中的A，d或ε發(fā)生變化時(shí), 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變, 而僅改變其中一個(gè)參數(shù), 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化

58、, 通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容傳感器可以分為三類:極距變化型電容傳感器、面積變化型電容傳感器、介質(zhì)變化型電容傳感器。</p><p>　　變面積變化式一般用于測量角位移或較大的線位移。變間隙式一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化。變介電常數(shù)式常用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測定。這種傳感器具有高阻抗、小功率、動態(tài)范圍大、動態(tài)響應(yīng)較快、幾乎沒有零漂、結(jié)構(gòu)簡單和適應(yīng)性強(qiáng)等

59、優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　3.1.3　速度傳感器</p><p>　　當(dāng)今的速度傳感器主要分為接觸式和非接觸式兩種</p><p>　　接觸式主要分為接觸式旋轉(zhuǎn)式速度傳感器與運(yùn)動物體直接接觸。當(dāng)運(yùn)動物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時(shí)，摩擦力帶動傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動。裝在滾輪上的轉(zhuǎn)動脈沖傳感器，發(fā)送出一連串的脈沖。每個(gè)脈沖代表著一定的距離值，從而就能測出線速度。</p&

60、gt;<p>　　接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但是接觸滾輪的直徑是與運(yùn)動物體始終接觸著，滾輪的外周將磨損，從而影響滾輪的周長。而脈沖數(shù)對每個(gè)傳感器又是固定的。影響傳感器的測量精度。要提高測量精度必須在二次儀表中增加補(bǔ)償電路。另外接觸式難免產(chǎn)生滑差，滑差的存在也將影響測量的正確性。</p><p>　　非接觸式風(fēng)帶動風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動后帶動凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被凸輪輪盤遮斷形成一串光脈

61、沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號，經(jīng)計(jì)算可檢測出風(fēng)速。</p><p>　　非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長，無需增加補(bǔ)償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離整數(shù)倍，因此速度運(yùn)算相對比較復(fù)雜。風(fēng)帶動風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動后帶動凸輪成比例旋轉(zhuǎn)。光纖被凸輪輪盤遮斷形成一串光脈沖，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)換成定信號，經(jīng)計(jì)算可檢測出風(fēng)速。</p><p>　　非接觸式旋轉(zhuǎn)速度傳感器壽命長，無需增加補(bǔ)償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離整數(shù)倍，因

62、此速度運(yùn)算相對比較復(fù)雜。旋轉(zhuǎn)式速度傳感器的性能可歸納如下：</p><p>　　(1).傳感器的輸出信號為脈沖信號，其穩(wěn)定性比較好，不易受外部噪聲干擾，對測量電路無特殊要求。</p><p>　　(2).結(jié)構(gòu)比較簡單，成本低，性能穩(wěn)定可靠。功能齊全的微機(jī)芯片，使運(yùn)算變換系數(shù)易于獲得，故速度傳感器應(yīng)用極為普遍。</p><p>　　3.2　傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)</p

63、><p>　　3.2.1　根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 </p><p>　　要進(jìn)行—個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式

64、還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。 </p><p>　　3.2.2 　靈敏度的選擇 </p><p>　　通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有

65、利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 </p><p>　　3.2.3　響應(yīng)特性 （反應(yīng)時(shí)間）

66、</p><p>　　傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。 </p><

67、;p>　　3.2.4　線性范圍 </p><p>　　傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性

68、的，這會給測量帶來極大的方便。 </p><p>　　3.2.5　穩(wěn)定性 </p><p>　　傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定。</p><p><b>　　3.3　銷軸傳感器</b></p>

69、<p>　　3.3.1　銷軸傳感器的原理及特點(diǎn)</p><p>　　根據(jù)上文所介紹的傳感器選方法，本次設(shè)計(jì)我們將會采用銷軸傳感器來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的識別目的。軸銷傳感器實(shí)際上就是一根承受剪力作用的空心截面圓軸，雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在中心孔內(nèi)凹槽中心的位置上，有兩種組橋測量方式，即兩個(gè)凹槽處的雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)共同組成一個(gè)惠斯通電橋，或分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)進(jìn)行測量。惠斯通電橋如圖所示。</p>

70、<p>　　圖3-1 惠斯通電橋原理圖</p><p>　　Figure 3-1 Wheatstone bridge schematic</p><p>　　銷軸稱重傳感器是一個(gè)圓柱體，由不銹鋼制成，它由中間部分即壓力承載區(qū)、兩個(gè)傳感器支撐區(qū)和兩個(gè)測力區(qū)構(gòu)成。測量裝置為由應(yīng)變片制成的惠斯登電橋，安裝在銷軸式傳感器內(nèi)，以防外部不良影響（如：機(jī)械損傷、灰塵、潮濕等）。傳感器基本結(jié)構(gòu)輸

71、出為電壓信號輸出。 </p><p>　　銷軸式傳感器的中間部分力的輸入形式為剪切載荷，作用在傳感器左、右兩部分的支撐力使傳感器發(fā)生變化，由剪切應(yīng)力引起的變形轉(zhuǎn)換成與負(fù)載成正比的電信號。因?yàn)榭紤]到測量形式，所以銷軸式傳感器有一個(gè)最佳測量方向。在這個(gè)最佳方向上，輸出信號可達(dá)到最大值。此時(shí)，傳感器中間部分上的壓力方向與主要測量方向一致，測量方向由兩個(gè)箭頭在傳感器上表示出來。 </p><p>

72、　　此外，稱重傳感器在設(shè)備上的實(shí)際使用，還會受到溫度、側(cè)向分力的影響。</p><p>　　銷軸傳感器具有以下特性：</p><p>　　1） 彈性元件為一整體空心截面圓軸，結(jié)構(gòu)緊湊，幾何外形簡單，容易加工出很高的尺寸和形位精度；</p><p>　　2） 空心截面具有很強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)、抗彎曲能力，并且軸銷中性軸處的應(yīng)力最大；</p><p>　

73、　3） 當(dāng)空心截面軸銷承受垂直和水平彎曲時(shí)，彎矩為零的截面在同一截面；</p><p>　　4 當(dāng)設(shè)計(jì)較大容量的軸銷傳感器時(shí)，中心孔也較大，雙剪型電陰應(yīng)變計(jì)可以粘貼在孔內(nèi)，即得到很好的保 護(hù)又可以實(shí)施抽真空充惰性氣體密封工藝；</p><p>　　與相關(guān)承力部件組裝容易，使用方便。</p><p>　　3.3.2　應(yīng)變計(jì)選擇方法 </p><p

74、>　　在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)遵循試驗(yàn)或應(yīng)用條件（即應(yīng)用精度、環(huán)境條件包括溫度，濕度，環(huán)境惡劣狀況，各類干擾，共模共地問題、試件材料大小尺寸、粘貼面積、曲率半徑、安裝條件等）為先，試件或彈性體材料狀況（材料線膨脹系數(shù)、彈性模量、結(jié)構(gòu)、大概受力狀況或應(yīng)力分布狀況等）次之的原則，利用上述內(nèi)容來選用與之匹配為最佳性價(jià)比的應(yīng)變計(jì)。下表列出了選擇應(yīng)變計(jì)應(yīng)考慮的內(nèi)容，僅適用于常規(guī)情況，不包括核輻射、強(qiáng)磁場、高離心力等特殊場合。 </p>

75、<p>　　a）選擇應(yīng)變計(jì)的步驟 </p><p>　　1） 首先根據(jù)應(yīng)用精度、環(huán)境條件選擇應(yīng)變計(jì)的系列。 </p><p>　　2） 根據(jù)試件材料大小尺寸、粘貼面積、曲率半徑、安裝條件、應(yīng)變梯度選擇敏感柵柵長。 </p><p>　　3） 根據(jù)應(yīng)變梯度、應(yīng)力種類、散熱條件、安裝空間、應(yīng)變計(jì)電阻等選擇敏感柵結(jié)構(gòu)。 </p><p>

76、;　　4） 根據(jù)使用條件、功耗大小、最大允許電壓等選擇標(biāo)稱電阻。 </p><p>　　5） 根據(jù)試件材料類型、工作溫度范圍、應(yīng)用精度選擇溫度自補(bǔ)償系數(shù)或彈性模量自補(bǔ)償系數(shù)。 </p><p>　　6） 根據(jù)彈性體的固有蠕變特性、實(shí)際測試的精度、工藝方法、防護(hù)膠種類、密封形式等選 擇蠕變補(bǔ)償代號。 </p><p>　　7） 根據(jù)實(shí)際需要選擇應(yīng)變計(jì)的引線連接方式。

77、</p><p>　　b）選擇應(yīng)變計(jì)的方法 </p><p>　　1）應(yīng)變計(jì)敏感柵長度的選擇： </p><p>　　應(yīng)變計(jì)在加載狀態(tài)下的輸出應(yīng)變是敏感柵區(qū)域的平均應(yīng)變。為了獲得真實(shí)的測量值，通常應(yīng)變計(jì)的柵長應(yīng)不大于測量區(qū)域半徑的1/5～1/10。柵長較長的應(yīng)變計(jì)具有易于粘貼和接線、散熱性好等優(yōu)點(diǎn)，對應(yīng)變計(jì)的性能有一定的改善作用，但應(yīng)根據(jù)實(shí)際測量需要進(jìn)行選擇，對于應(yīng)

78、變場變化不大和一般傳感器用途.</p><p>　　2）應(yīng)變計(jì)敏感柵材料和基底材料的選擇： </p><p>　　60℃以內(nèi)、長時(shí)間、最大應(yīng)變量在1000μm/m以下的應(yīng)變測量，一般選用以康銅合金或卡瑪合金箔為敏感柵、改性酚醛或聚酰亞胺為基底的應(yīng)變計(jì)（BE 、ZF 、BA 及日用衡器類應(yīng)變計(jì)系列）；150 ℃以內(nèi)的應(yīng)變測量，一般選用以康銅、卡瑪合金箔為敏感柵、聚酰亞胺為基底的應(yīng)變計(jì)（BA

79、系列）；60 ℃以內(nèi)高精度傳感器常用以康銅合金或卡瑪合金箔為敏感柵、改性酚醛為基底的應(yīng)變計(jì)（BF 、ZF 系列）。 </p><p>　　3）應(yīng)變計(jì)敏感柵結(jié)構(gòu)型式的選擇： </p><p>　　測量未知主應(yīng)力方向試件的應(yīng)變或測量剪應(yīng)變時(shí)選用多軸應(yīng)變計(jì)，前者可用三軸互相夾角為45°，或60°，或120°等的應(yīng)變計(jì)，后者用夾角為9 0 °的二軸應(yīng)變計(jì)；測

80、量已知主應(yīng)力方向試件的應(yīng)變時(shí)，可選用單軸應(yīng)變計(jì)；用于壓力傳感器的應(yīng)變計(jì)可選用圓形敏感柵的多軸應(yīng)變計(jì)；測量應(yīng)力分布時(shí)，可選用排列成串或成行的5～10個(gè)敏感柵的多軸應(yīng)變計(jì)。 </p><p><b>　　4）柵間距的選擇 </b></p><p>　　常見的雙軸應(yīng)變計(jì)的柵間距一般有L6＝ 6.0， L68=6.8， L7=7.0， L8=8.0，L0=10.5，L2=12

81、.0，L4=14.0等。 </p><p>　　5）應(yīng)變計(jì)電阻的選擇： </p><p>　　應(yīng)變計(jì)電阻的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)變計(jì)的散熱面積、導(dǎo)線電阻的影響、信噪比、功耗大小來選擇。對于傳感器一般推薦選用350Ω、1000Ω電阻的應(yīng)變計(jì)。對于應(yīng)力分布試驗(yàn)、應(yīng)力測試、靜態(tài)應(yīng)變測量等，應(yīng)盡量選用與儀器相匹配的阻值。 </p><p>　　6）極限工作溫度的選擇 </p&g

82、t;<p>　　此溫度表示應(yīng)變計(jì)的極限工作溫度，在極限工作溫度應(yīng)不高于此溫度。</p><p>　　7）溫度及彈性模量自補(bǔ)償系數(shù)的選擇 </p><p>　　應(yīng)變計(jì)溫度及彈性模量自補(bǔ)償系數(shù)的選擇可參照溫度自補(bǔ)償功能及彈性模量自補(bǔ)償功能中所述來進(jìn)行選擇。 </p><p>　　8）蠕變標(biāo)號的選擇 </p><p>　　應(yīng)變計(jì)型號中

83、N※、T※為蠕變標(biāo)號，標(biāo)號不同，蠕變值不同，其規(guī)律是： 相鄰標(biāo)號之間實(shí)際蠕變值相差0.01～0.015%FS/30min。用戶在選擇應(yīng)變計(jì)蠕變標(biāo)號時(shí)可參照蠕變自補(bǔ)償功能中所述的選用方法 </p><p>　　3.3.3　惰輪軸扭矩的計(jì)算</p><p>　　本次設(shè)計(jì)主要針對的是西安煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的MG500/1130-WD型采煤機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：</p><

84、p><b>　　整機(jī)主要參數(shù)</b></p><p>　　表3-1 整機(jī)的主要參數(shù)</p><p>　　Table 3-1 Number of main parameters of the machine</p><p>　　2）電動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　表3-2 電動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)</p>

85、;<p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　Table 3-2 Motor main technical parameters</p><p><b>　　根據(jù)公式 </b></p><p><b>　　窗體底端</b></p><p>　　

86、根據(jù)公式可以計(jì)算的到惰輪軸的扭矩為</p><p>　　3.3.4　銷軸傳感器的選擇</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的是北京海博華科技有限公司生產(chǎn)的HC-1011銷軸傳感器。HC-1011銷軸傳感器采用軸銷外形雙剪切梁結(jié)構(gòu)，具有抗偏抗扭曲、精度高等特點(diǎn)，是測量軸承、換輪等構(gòu)件的徑向載荷或鋼絲繩張力的專用傳感器，它可以代替滑輪軸銷安裝在結(jié)構(gòu)中作徑向力測量。既能起到原有軸的功能，又起到承中測

87、力傳感器的作用，從而使整個(gè)稱重測力系統(tǒng)的機(jī)械部件大大簡化?？蛇m用于煤炭、水利、船舶等行業(yè)的過程控制及系統(tǒng)測量。</p><p>　　其具體參數(shù)如表3-3所示。</p><p>　　表3-3 銷軸傳感器技術(shù)參數(shù)</p><p>　　Table 3-3 pin sensor technology parameters</p><p>　　4　數(shù)據(jù)

88、的采集與處理</p><p>　　4.1　數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1.1　集成運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)</p><p>　　a） 集成運(yùn)算放大器的分類</p><p>　　1） 通用型運(yùn)算放大器</p><p>　　通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣，其性能指

89、標(biāo)能適合于一般性使用。例mA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場效應(yīng)管為輸入級的LF356 都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。</p><p>　　2） 高阻型運(yùn)算放大器</p><p>　　這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,一般rid>（109~1012）W,IIB 為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主

90、要措施是利用場效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn),用場效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級。用FET 作輸入級,不僅輸入阻抗高,輸入偏置電流低,而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn),但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。</p><p>　　3） 低溫漂型運(yùn)算放大器</p><p>　　在精密儀器、弱信號檢測等自動控制儀表

91、中,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET 組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650 等。</p><p>　　4） 高速型運(yùn)算放大器</p><p>　　在快速A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中,要求集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR 一定要高,單位增

92、益帶寬BWG一定要足夠大,像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運(yùn)放有LM318、mA715 等,其SR=50~70V/ms,BWG>20MHz。</p><p>　　5） 低功耗型運(yùn)算放大器</p><p>　　由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,必須使用低電源

93、電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器相適用。常用的運(yùn)算放大器有TL-022C、TL-060C 等,其工作電壓為±2V~±18V,消耗電流為50~250mA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級,例如ICL7600 的供電電源為1.5V,功耗為10mW,可采用單節(jié)電池供電。</p><p>　　6） 高壓大功率型運(yùn)算放大器</p><p>　　運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。

94、在普通的運(yùn)算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏,輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流,集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)±150V，uA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。</p><p><b>　　b） 放大器的選擇</b></p><p>

95、　　這次設(shè)計(jì)選用的是LM324放大器，LM324系列器件帶有真差動輸入的四運(yùn)算放大器，具有真正的差分輸入。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性。</p><p>　　1） 具有以下特點(diǎn)：</p><p

96、>　　2） 短路保護(hù)輸出 </p><p>　　3） 真正的差分輸入級</p><p>　　4） 單電源供電：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A） </p><p>　　5） 低輸入偏置電流：100 nA最大值（LM324A）</p><p>　　6） 每個(gè)封裝又四個(gè)放大器</p><p>

97、;<b>　　7） 內(nèi)部補(bǔ)償</b></p><p>　　8） 共模范圍擴(kuò)展至電源</p><p>　　9） 輸入端的ESD鉗位提高了可靠性，且不影響期間工作</p><p><b>　　10）提供無鉛封裝</b></p><p>　　圖4-1 LM324放大器接線圖</p><

98、p>　　Figure 4-1 LM324 amplifier wiring diagram</p><p>　　4.1.2　A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　a) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類</p><p>　　直接ADC是將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如并聯(lián)比較型ADC和逐次比較型ADC；間接ADC是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字

99、量，如雙積分型ADC。 </p><p>　　1） 并聯(lián)比較型ADC </p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：采用各量級同時(shí)并行比較，各位輸出碼同時(shí)并行產(chǎn)生，因此轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位數(shù)無關(guān)。 </p><p>　　缺點(diǎn)：成本高、功耗大，所用元件數(shù)量隨ADC位數(shù)的增加，以幾何級數(shù)上升。適用于要求高速、低分辨率的場合。</p><p>　　2）逐次

100、逼近型ADC </p><p>　　特點(diǎn)：逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換需要n+1個(gè)節(jié)拍脈沖才能完成，比并聯(lián)比較型ADC轉(zhuǎn)換速度慢，屬于中速ADC器件。另外，當(dāng)位數(shù)較多時(shí)，所需的元、器件比并聯(lián)比較型少得多，應(yīng)用較廣。 </p><p>　　3） 雙積分型ADC 優(yōu)點(diǎn)： 抗干擾能力強(qiáng)。采樣電壓是采樣時(shí)間內(nèi)輸入電壓的平均值。 穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換精度高。通過兩次積分把VI和VREF之比變成兩次計(jì)數(shù)值之比，

101、只要求RC和TC在兩次積分時(shí)保持不變即可。 </p><p>　　非線性誤差小。轉(zhuǎn)換結(jié)果與積分時(shí)間常數(shù)RC無關(guān)，消除了積分非線性帶來的誤差。 </p><p>　　b) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)指標(biāo)</p><p><b>　　1）分辨率</b></p><p>　　以輸出二進(jìn)制的位數(shù)表示分辨率，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越

102、高。</p><p><b>　　2）相對精度</b></p><p>　　相對精度是指實(shí)際的各個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差。在理想的情況下，所有的轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上。</p><p><b>　　3）轉(zhuǎn)換速度</b></p><p>　　他是只完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到轉(zhuǎn)換控制

103、信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時(shí)間，采用不同的轉(zhuǎn)換電路，其轉(zhuǎn)換速度是不同的。并行型比逐次逼近型要快得多。</p><p><b>　　4）電源抑制</b></p><p>　　在輸入模擬電壓不變的前提下，當(dāng)轉(zhuǎn)換電路的供電電源電壓發(fā)生變化時(shí)，對輸出也會產(chǎn)生影響。這種影響可用輸出數(shù)字量的絕對變化量來表示。</p><p>　　

104、5）選擇A/D器件的通道數(shù)和封裝 這與系統(tǒng)有關(guān)，通道數(shù)要滿足整個(gè)采集系統(tǒng)的需要。封裝則決定PCB布板的時(shí)候的大小，而且在高速應(yīng)用的時(shí)候也影響連線的分布參數(shù)。</p><p>　　6）選擇A/D器件的輸出接口 A/D器件接口的種類很多，有并行總線接口的，有SPI、I2C、1-Wire等串行總線接口的。它們在原理和精度上相同，但是控制方法和接口電路會有很大差異。</p><p>

105、;　　7）選擇A/D器件溫度范圍 這僅僅與一些苛刻的環(huán)境有關(guān)，注意每個(gè)AD有固定的應(yīng)用的溫度范圍。</p><p>　　此外，尚有功率消耗、溫度系數(shù)、輸入模擬電壓范圍以及輸出數(shù)字信號的邏輯電平等技術(shù)指標(biāo)，在此不再一一介紹。</p><p>　　c)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇</p><p>　　根據(jù)上文指標(biāo)所提到的，本次設(shè)計(jì)采用MC14433型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。MC1443

106、3是美國Motorola公司推出的單片3 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，其中集成了雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器所有的CMOS模擬電路和數(shù)字電路。具有外接元件少，輸入阻抗高，功耗低，電源電壓范圍寬，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只要外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要技術(shù)參數(shù)如下：</p><p>　　1） 精度：讀數(shù)的±0.05%±1字</p><p&

107、gt;　　2） 模擬電壓輸入量程：1.999V和199.9mV兩檔</p><p>　　3） 轉(zhuǎn)換速率：2-25次/s</p><p>　　4） 輸入阻抗：大于1000MΩ</p><p>　　5） 輸入阻抗：大于1000MΩ</p><p>　　6） 功耗：8mW（±5V電源電壓時(shí)，典型值）</p><p>

108、;　　7） 功耗：8mW（±5V電源電壓時(shí)，典型值）</p><p>　　MC14433型轉(zhuǎn)換器與MCS-51型單片機(jī)的接線圖如圖所示</p><p>　　圖4-2 MC14433型轉(zhuǎn)換器與MCS-51單片機(jī)接線圖</p><p>　　Figure 4-2 MC14433 converter and MCS-51 microcontroller wiri

109、ng diagram</p><p>　　4.2　中央處理器的選擇</p><p>　　中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規(guī)模的集成電路，是一臺計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。它的功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。</p><p>　　中央處理器主要包括運(yùn)算器和高速緩沖存儲器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀

110、態(tài)的總線。它與內(nèi)部存儲器和輸入/輸出設(shè)備合稱為電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。考慮到單片機(jī)具有較高的性能價(jià)格比，集成度高，體積小，可靠性好，控制功，能強(qiáng)低電壓低功耗開發(fā)周期短等特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)將采用單片機(jī)作為中央處理器。</p><p>　　4.2.1　單片機(jī)的介紹及特點(diǎn)</p><p>　　單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型

111、的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機(jī)具有特點(diǎn)：</p><p>　　1）高集成度，體積小，高可靠性 </p><p>　　單片機(jī)將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的。芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)

112、境要求設(shè)計(jì)的，內(nèi)部布線很短，其抗工業(yè)噪音性能優(yōu)于一般通用的CPU。單片機(jī)程序指令，常數(shù)及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故可靠性高。 </p><p><b>　　2）控制功能強(qiáng) </b></p><p>　　為了滿足對對象的控制要求，單片機(jī)的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件分支轉(zhuǎn)移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。