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

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　采煤機煤巖識別系統(tǒng)的設(shè)計</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（論文）共 70 頁（其中：外文文獻及譯文 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)長一段時間的主要能源之一。同時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)濟支柱的原因之一。所以我們必須認(rèn)識到煤炭的機械化開采和掘進是提高煤炭產(chǎn)量、提高煤炭生產(chǎn)經(jīng)濟效益和社會效益的根本保障。而采煤機作為煤炭機械化生產(chǎn)的十分重要的設(shè)備之一，他的機械化進展對于我國煤炭開采的機械化進展必將起到至關(guān)重要的作用。</p><p>　　為了實現(xiàn)無人工作面采煤機滾筒的自動調(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惰輪軸在開采不同硬度的煤巖時的受力，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況進行分析，從而實現(xiàn)了采煤機的無人化自動采煤。</p><p>　　關(guān)鍵詞：采煤機；截齒受力；無線收發(fā)模塊；單片機</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14</p><p>

14、;　　3.3.2　應(yīng)變計的選擇方法13</p><p>　　3.3.3　惰輪軸扭矩的計算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19</p><p>　　4.1.1　集成運算放大器的設(shè)計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　單片機的介紹及特點24</p><p>　　4.2.2　MCS-51型單片機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軟件單機版的主要

17、特點與功能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　實驗結(jié)果49</p><p>　　6　經(jīng)濟與技術(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54</b></p><p><b>　　附錄A譯文56</b></p><p>　　附錄B外文文獻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，通過煤礦機械化、自動化和信息化，可以提高煤 炭產(chǎn)量、保證安全生產(chǎn)、降低勞動強度、改善作業(yè)環(huán)境和增加經(jīng)濟效益。在現(xiàn)代化采掘成套設(shè)備中，采煤機是主要設(shè)備。滾筒式采煤機因其能適應(yīng)復(fù)雜的煤層條件，是綜合機械化采煤工作面的主要

20、設(shè)備之一，其自動化是整個工作面自動化的中心環(huán)節(jié)。滾筒式采煤機的自動調(diào)高，是實現(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>　　滾筒式采煤機主要由電動機、牽引部、截割部和附屬裝置等部分組成。電動機是滾筒式采煤機的動力部分，它通過兩端輸出軸分別驅(qū)動兩個截割部和牽引部，而且采煤機的電動機都是防爆的。牽引部是采煤機的行走機構(gòu)。截割部主要由截割電機、搖臂減速 箱和截割滾筒組成，主要是將截割

21、電機的動力經(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)有的采煤機滾筒調(diào)高控制中，除國外極少數(shù)的采煤機采用記憶存儲切割外，大 部分是靠手動操作，即判斷采煤機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，加上采煤機械本身噪音很大，現(xiàn)場工作人員很難準(zhǔn)確及時的判斷出采煤機滾筒的截割狀態(tài)。并且在薄煤層工作面上，現(xiàn)場工作人員行走不便，很難及時調(diào)節(jié)滾筒的截割高度，如果采煤機的滾筒高度不能及時得到調(diào)節(jié)，滾筒常常會截割進入巖石，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；降低回采率實現(xiàn)采煤機滾筒的自動調(diào)高可以解決這一問題。實現(xiàn)采煤機滾筒自動調(diào)高不僅可以延長機器工作壽命、提高機械設(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的工作狀態(tài)和 實時地對滾筒的高度進行調(diào)

24、整。因此，采煤機滾筒自動調(diào)節(jié)高度的系統(tǒng)主要包括控制和 識別兩個系統(tǒng)部分。滾筒要實現(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， 實時性強、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，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可以自動追蹤辨識煤巖界面，這樣不僅可以實現(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)。這同時適用于人工操作以及計算機操控的采煤機。無論是安全作業(yè)方面，還是經(jīng)濟效益方面，煤巖界面的識別系統(tǒng)的可靠性都具有突出的優(yōu)點。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)備維修量和停機時間；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)離危險的采煤工作面。作為實現(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開發(fā)項目。 </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，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射線具有不同的強度和能量。由于射線經(jīng)過煤層時的衰減作用，通過測量經(jīng)過衰減后的射線強度來確定頂?shù)酌簩雍穸?，由此來識別煤巖界面。這個方法具有無放射源的優(yōu)點，所以容易進行管理，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，英美便開始進行基于截割力響應(yīng)的識別系統(tǒng)研究?；诓擅簷C 截割力的分析方法，這種方法的應(yīng)用特點與NGR法正好具有互補性。因為巖石與煤層具有不同的力學(xué)特性，所以采煤機在切割煤層和切割巖石時表 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切割的狀態(tài)。所以，在進行 采煤機截割狀態(tài)識別的時候，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行了研究，基本的類型主要有槽波地震、機械振動和聲學(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行定向的測量，由于

31、煤塊和巖石不同的物理特性，切割時所產(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)點是工作對象可以為各種堅硬的頂板；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，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)作為控制采煤機調(diào)高系統(tǒng)的依據(jù)來實現(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)來分析采煤機滾筒截煤過程狀態(tài)，找出采煤機截 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)的進步，為了能給采煤機滾筒自動調(diào)高系統(tǒng)產(chǎn)品化提供設(shè)計依據(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>　　截齒破煤過程是進行破煤機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、層時截割能量迅速升高，同時密實核也迅速形成，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，在接觸處很小的范圍 內(nèi)產(chǎn)生很強的壓應(yīng)力，因為煤巖是脆性材料，當(dāng)接觸應(yīng)力達到極限值時，煤巖開始被局部壓碎，形成很細(xì)的粉末，并形成煤粉密實核。在截齒截入的過程中，煤粉的密實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大，密實核也不斷擴大，核內(nèi)的煤粉因受到擠壓而積聚能量，并向密實核四周的煤體施壓，截齒的截割阻力也隨之?dāng)U大。當(dāng)密實核擴大到煤巖與截齒前方接觸點D時，該處煤巖發(fā)生比較小的塊狀脫落，密實核中的區(qū)域Ⅱ的煤粉受到強烈壓縮后高速噴出，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，與截齒齒身錐面發(fā)生強烈摩擦，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動，同時對煤巖產(chǎn)生楔入作用。隨著截齒繼續(xù)楔

39、入，形成的密實核體積會繼續(xù)增大，這就造成截齒的前進阻力增大，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，截齒的截割阻力才會下降。最后當(dāng)截齒推進到B點時，密實核內(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，剪切裂紋會擴大并匯合到煤巖表面，煤塊BCD與煤巖體的 內(nèi)部強度消失，沿裂紋BC脫落，此時</p><p>　　2.2　煤巖識別方法實現(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，在上位機顯示屏上實時顯示銷軸傳感器應(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、布線繁瑣等實驗現(xiàn)場的動態(tài)應(yīng)變測量，在實驗過程中實驗人員可以遠(yuǎn)離實驗現(xiàn)場，保證了實驗的高效安全。</p><p>　　綜采工作面自動化采煤是一個比較復(fù)雜的過程，除了采用先進的煤巖識別技術(shù)外，還需要整個工作面各個設(shè)備之間協(xié)同工作，實現(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)，即人工操作采煤機在工作面運行幾個往返行程后，采煤機自動記憶截割高度、牽引速度、截割深度以及惰輪軸

43、受力值，并進行標(biāo)定，以實現(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，前幾個循環(huán)，人工控制采煤機設(shè)定截割高度、割煤厚度、滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度后，采煤機在鏈牽引下開始割煤，銷軸傳感器開始實時監(jiān)測惰輪軸受力，液壓支架自動追機拉架，推動整個工作面向前推移，每一個工作循環(huán)，根據(jù)采煤機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)過幾個循環(huán)的運行，采煤機在記憶截割模式下對每次采集到數(shù)據(jù)進行求平均值，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。之后采煤機進入自動截割運行狀態(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)適時監(jiān)控工作面的運行狀況。在自動模式下，采煤機根據(jù)規(guī)劃好的路線進行記憶截割，滾筒保持正常截割高度運行，同時銷軸傳感器檢測惰輪軸受力，采煤機自動識別系統(tǒng)識別出截割巖石時滾筒自動調(diào)節(jié)截割高度，保證采煤機始終處于截割煤層

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)實時預(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)控制進行修正標(biāo)定，提高了采煤機的追</p><p>　　在實際截割過程中，若采煤機遇到斷層、夾矸層或者煤層厚度太薄影響工作面推進的情況時，則采煤機根據(jù)惰輪軸受力數(shù)據(jù)與之前數(shù)據(jù)進行綜合對比分析可快速識別，對采煤機的狀態(tài)參數(shù)進行調(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，采煤機安全強行割巖推進，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。智能控制系統(tǒng)對采煤機電動機電壓、電流、油缸壓力等關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)進行監(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，采煤機可自動停機并發(fā)出警報故障信號。</p><p>　　2.3　惰輪軸受力分析</p&g

47、t;<p>　　惰輪是兩個不互相接觸的傳動齒輪中間起傳遞作用的齒輪，同時跟這兩個齒輪嚙合，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、相對整個截割滾筒傳動系統(tǒng)的慣性矩較小，可以忽略不計。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) 在搖臂靠近電機側(cè)開窗口安裝無線應(yīng)變采集模塊，并采用蓋板進行密封處理，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物如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6銷軸傳感器實物圖</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、布線繁瑣等實驗現(xiàn)場動態(tài)應(yīng)變測量，在實驗過程中實驗人員可以遠(yuǎn)離實驗現(xiàn)場，保證了實驗的高效安全。</p>

53、<p>　　在搖臂靠近電機側(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 </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, 電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變, 而僅改變其中一個參數(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)性強等

59、優(yōu)點。</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)式速度傳感器與運動物體直接接觸。當(dāng)運動物體與旋轉(zhuǎn)式速度傳感器接觸時，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，無需增加補償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離整數(shù)倍，因此速度運算相對比較復(fù)雜。風(fēng)帶動風(fēng)速計旋轉(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，無需增加補償電路。但脈沖當(dāng)量不是距離整數(shù)倍，因

62、此速度運算相對比較復(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。功能齊全的微機芯片，使運算變換系數(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>　　要進行—個具體的測量工作，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。因為，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)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y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)還是進口，價格能否承受，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。因為只有靈敏度高時，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，實際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時間越短越好。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(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)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，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，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</p><p>　　根據(jù)上文所介紹的傳感器選方法，本次設(shè)計我們將會采用銷軸傳感器來實現(xiàn)系統(tǒng)的識別目的。軸銷傳感器實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，即兩個凹槽處的雙剪型電阻應(yīng)變計共同組成一個惠斯通電橋，或分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)進行測量?；菟雇姌蛉鐖D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圓柱體，由不銹鋼制成，它由中間部分即壓力承載區(qū)、兩個傳感器支撐區(qū)和兩個測力區(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。因為考慮到測量形式，所以銷軸式傳感器有一個最佳測量方向。在這個最佳方向上，輸出信號可達到最大值。此時，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，彎矩為零的截面在同一截面；</p><p>　　4 當(dāng)設(shè)計較大容量的軸銷傳感器時，中心孔也較大，雙剪型電陰應(yīng)變計可以粘貼在孔內(nèi)，即得到很好的保 護又可以實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)變計選擇方法 </p><p

74、>　　在實際應(yīng)用中，應(yīng)遵循試驗或應(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比的應(yīng)變計。下表列出了選擇應(yīng)變計應(yīng)考慮的內(nèi)容，僅適用于常規(guī)情況，不包括核輻射、強磁場、高離心力等特殊場合。 </p>

75、<p>　　a）選擇應(yīng)變計的步驟 </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償系數(shù)或彈性模量自補償系數(shù)。 </p><p>　　6） 根據(jù)彈性體的固有蠕變特性、實際測試的精度、工藝方法、防護膠種類、密封形式等選 擇蠕變補償代號。 </p><p>　　7） 根據(jù)實際需要選擇應(yīng)變計的引線連接方式。

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

78、變場變化不大和一般傳感器用途.</p><p>　　2）應(yīng)變計敏感柵材料和基底材料的選擇： </p><p>　　60℃以內(nèi)、長時間、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（BE 、ZF 、BA 及日用衡器類應(yīng)變計系列）；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（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（BF 、ZF 系列）。 </p><p>　　3）應(yīng)變計敏感柵結(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)變時選用多軸應(yīng)變計，前者可用三軸互相夾角為45°，或60°，或120°等的應(yīng)變計，后者用夾角為9 0 °的二軸應(yīng)變計；測

80、量已知主應(yīng)力方向試件的應(yīng)變時，可選用單軸應(yīng)變計；用于壓力傳感器的應(yīng)變計可選用圓形敏感柵的多軸應(yīng)變計；測量應(yīng)力分布時，可選用排列成串或成行的5～10個敏感柵的多軸應(yīng)變計。 </p><p><b>　　4）柵間距的選擇 </b></p><p>　　常見的雙軸應(yīng)變計的柵間距一般有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)變計電阻的選擇： </p><p>　　應(yīng)變計電阻的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)變計的散熱面積、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。對于應(yīng)力分布試驗、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償系數(shù)的選擇 </p><p>　　應(yīng)變計溫度及彈性模量自補償系數(shù)的選擇可參照溫度自補償功能及彈性模量自補償功能中所述來進行選擇。 </p><p>　　8）蠕變標(biāo)號的選擇 </p><p>　　應(yīng)變計型號中

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)號之間實際蠕變值相差0.01～0.015%FS/30min。用戶在選擇應(yīng)變計蠕變標(biāo)號時可參照蠕變自補償功能中所述的選用方法 </p><p>　　3.3.3　惰輪軸扭矩的計算</p><p>　　本次設(shè)計主要針對的是西安煤礦機械有限公司生產(chǎn)的MG500/1130-WD型采煤機。其主要技術(shù)參數(shù)如下：</p><

84、p><b>　　整機主要參數(shù)</b></p><p>　　表3-1 整機的主要參數(shù)</p><p>　　Table 3-1 Number of main parameters of the machine</p><p>　　2）電動機主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　表3-2 電動機主要技術(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，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，從而使整個稱重測力系統(tǒng)的機械部件大大簡化?？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</p><p>　　4.1.1　集成運算放大器的設(shè)計</p><p>　　a） 集成運算放大器的分類</p><p>　　1） 通用型運算放大器</p><p>　　通用型運算放大器就是以通用為目的而設(shè)計的。這類器件的主要特點是價格低廉、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（單運放）、LM358（雙運放）、LM324（四運放）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算放大器。</p><p>　　2） 高阻型運算放大器</p><p>　　這類集成運算放大器的特點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,用場效應(yīng)管組成運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,但輸入失調(diào)電壓較大。常見的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。</p><p>　　3） 低溫漂型運算放大器</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。低溫漂型運算放大器就是為此而設(shè)計的。目前常用的高精度、低溫漂運算放大器有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,像通用型集成運放是不能適合于高速應(yīng)用的場合的。高速型運算放大器主要特點是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見的運放有LM318、mA715 等,其SR=50~70V/ms,BWG>20MHz。</p><p>　　5） 低功耗型運算放大器</p><p>　　由于電子電路集成化的最大優(yōu)點是能使復(fù)雜電路小型輕便,所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴大,必須使用低電源

93、電壓供電、低功率消耗的運算放大器相適用。常用的運算放大器有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） 高壓大功率型運算放大器</p><p>　　運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,集成運放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運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集成運放的電源電壓可達±150V，uA791集成運放的輸出電流可達1A。</p><p><b>　　b） 放大器的選擇</b></p><p>

95、　　這次設(shè)計選用的是LM324放大器，LM324系列器件帶有真差動輸入的四運算放大器，具有真正的差分輸入。與單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。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：</p><p

96、>　　2） 短路保護輸出 </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） 每個封裝又四個放大器</p><p>

97、;<b>　　7） 內(nèi)部補償</b></p><p>　　8） 共模范圍擴展至電源</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：采用各量級同時并行比較，各位輸出碼同時并行產(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：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：逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換需要n+1個節(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，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： 抗干擾能力強。采樣電壓是采樣時間內(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之比變成兩次計數(shù)值之比，

101、只要求RC和TC在兩次積分時保持不變即可。 </p><p>　　非線性誤差小。轉(zhuǎn)換結(jié)果與積分時間常數(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>　　相對精度是指實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。在理想的情況下，所有的轉(zhuǎn)換點應(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)換所需要的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(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，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)要滿足整個采集系統(tǒng)的需要。封裝則決定PCB布板的時候的大小，而且在高速應(yīng)用的時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，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，典型值）</p><p>

108、;　　7） 功耗：8mW（±5V電源電壓時，典型值）</p><p>　　MC14433型轉(zhuǎn)換器與MCS-51型單片機的接線圖如圖所示</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，是一臺計算機的運算核心和控制核心。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。</p><p>　　中央處理器主要包括運算器和高速緩沖存儲器及實現(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)備合稱為電子計算機三大核心部件?？紤]到單片機具有較高的性能價格比，集成度高，體積小，可靠性好，控制功，能強低電壓低功耗開發(fā)周期短等特點，本次設(shè)計將采用單片機作為中央處理器。</p><p>　　4.2.1　單片機的介紹及特點</p><p>　　單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型

111、的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機具有特點：</p><p>　　1）高集成度，體積小，高可靠性 </p><p>　　單片機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芯片內(nèi)，故可靠性高。 </p><p><b>　　2）控制功能強 </b></p><p>　　為了滿足對對象的控制要求，單片機的指令系統(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。