CN111453311B - 一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，包括刮板链、机头链轮、机尾链轮、张力检测系统；刮板链套设于机头链轮、机尾链轮外侧；机头链轮设置在机头架上；所述张力检测系统包括压电式压力传感器、霍尔接近开关、无线信号发射装置，信号接收装置，工控机、LCD显示屏、电荷放大器、测量电路和电源供电装置；每间隔一个轮齿设置一个压电式压力传感器，检测数据全面，可以实现对于链条张力的无间断的实时检测。通过霍尔接近开关控制检测，控制精确，节省电量，延长装置使用寿命，同时降低大量无效数据的采集工作，简化数据处理工作，提高数据处理精度降低误差，增加整套张力检测系统的工作稳定性。

Description

一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，属于物料运输技术领域。

背景技术

随着综采技术的不断发展，综采工作面机械化和智能化的程度迅速提升，工作面刮板输送机也向着大功率、高运量和高可靠性方向发展；刮板链作为刮板输送机的牵引构件，其工作状态决定着刮板输送机是否可以正常工作，对于煤炭的生产工作和设备、人员的安全具有极大的意义；由于刮板输送机链条张力会随运载载荷大小而不断变化，使局部链条的松紧程度不断变化，进而对刮板输送机的正常运行造成影响，容易造成脱链、卡链和链条断裂等问题。

中国专利文献CN201811472236.X公开了“一种刮板输送机刮板链动态张力在线监测系统，该张力监测系统由数据采集装置、数据接收装置、霍尔传感器、磁场发生器等部分组成，安装在一种具有张力监测功能的刮板机上。当数据接收装置接近数据采集装置时，数据采集装置开始采集刮板链应力信息并通过射频信号发送给数据接收装置，数据接收装置会将张力信息发送给上位机。”该专利存在以下不足：

1、统采用在刮板链横链圆柱端中部加工平槽粘贴应变片的方法进行链上实时张力的数据采集，应变片基于应变效应制成，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，电阻值发生相应变化，依靠刮板链受力产生形变，导致粘贴在平槽上的应变片受力检测链上拉力的数值；当刮板输送机上负载较小或者空载运行时，链上受力较小导致刮板链变形量较小，从而无法检测实时链上拉力的数值，造成刮板机运行的脱链事故的发生，将严重影响正常的煤炭生产工作。

2、选择将2个应变片放置于刮板链平槽中，将张力采集装置置于刮板之中，这种安排方式导致在放置有采集装置的刮板在第一次和第二次到达采集点的过程中，有相当大的一段时间无法采集链上实时张力的大小，导致监测数据不准确，无法得到一组连续的张力数据，进而无法根据刮板机实时负载的大小对刮板机的运行进行调整。

3、统选用的应变片粘贴的技术要求极高，粘贴的应变片稍有改变就会对测量结果影响巨大，且该系统并未对应变片做防潮处理，使应变片在使用过程中易出现脱落翘曲等情况，应变片受潮出现应变片电阻值不稳定，造成测量数值的不准确，使该系统无法真正的达到测量链上张力数值大小的预定作用。

该系统采用的霍尔接近开关存在着互换性差，信号随温度变化较大的缺陷，该系统没有设置相应的装置对该缺陷进行修正，导致系统整体稳定性不足。

4、采用永磁体产生静磁场激发霍尔接近开关的方法，未考虑矿下工作环境恶劣，使用永磁体会吸附周围环境中的磁性物质，增加清理工作的难度，且会由于吸附的磁性物质对磁场的产生造成影响，从而使霍尔接近开关的接通位置造成影响，使系统无法精确测量链上张力值。

5、采用将刮板链横链圆柱端中部加工平槽的方法，会使刮板链直径减小，降低刮板链的强度；将应变片粘贴到平槽上的方法，无法适应刮板机运行过程中复杂多变的情况，是应变片易出现脱落和失灵等意外。该系统需要对刮板输送机加装保护罩，可能对刮板输送机的正常工作造成干扰。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统。

一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，包括刮板链、张力检测系统；刮板链套设于机头链轮、机尾链轮外侧；机头链轮设置在机头架上，机尾链轮设置在机尾架上；

所述张力检测系统包括压电式压力传感器、霍尔接近开关、单片机、无线信号发射装置、信号接收装置、工控机；所述压电式压力传感器设置在机头链轮、机尾链轮内部，压电式压力传感器用于检测张力数据，压电式压力传感器相对的链轮外侧设置有霍尔接近开关，霍尔接近开关用于控制压电式压力传感器的工作；霍尔接近开关与单片机线连接；单片机与压电式压力传感器线连接，无线信号发射装置与电式压力传感器电连接，信号接收装置用于接收无线信号发射装置的信号，信号接收装置与工控机电连接；工控机与电源供电装置电连接。

通过霍尔接近开关向单片机输送信号，单片机控制压电式压力传感器的工作，压电式压力传感器在通过无线信号发射装置将信号传送至工控机，将数据整理收集起来。

根据本发明，优选的，所述张力检测系统还包括电荷放大器、测量电路；电荷放大器与测量电路均顺次连接压电式压力传感器与无线信号发射装置之间。电荷放大器起到放大测量信号、防止电路短路和保护用电器的作用，增加系统的整体稳定性；测量电路将采集到的信号进行信号处理，压电式压力传感器测量得到的信号的电荷经过电荷放大器和测量电路的放大和变换阻抗后成为正比于所受外力的电量输出，利用电荷放大器和测量电路解决微弱信号的转换与放大问题，从而得到足够强的输出信号；

根据本发明，优选的，所述压电式压力传感器设置于机头链轮、机尾链轮的轮齿上，每间隔一个轮齿设置一个压电式压力传感器。

根据本发明，进一步优选的，所述压电式压力传感器型号为澄科CT3005A。

每隔一齿布置一组传感器的布置方式，并对每组压力传感器进行顺序标号，便于对A每个传感器采集数据进行分类和处理分析。

根据本发明，优选的，所述机头架与机头链轮相交最高点处设置电磁铁，所述机尾架与机尾链轮相交最低点处设置电磁铁，电磁铁与电源供电装置之间设置有电磁铁开关。

开关断开，电磁铁断电，磁性消失，便于将电磁铁表面吸附的磁性物质清理干净，使电磁铁发挥最大作用，该电磁铁作用为控制霍尔接近开关的通或断，当布置有压力传感器的链轮齿接近信号检测位置时，感应到该位置机头架上的电磁铁的磁场，霍尔接近开关表面霍尔元件因霍尔效应而改变内部电路状态，从而控制霍尔接近开关的通断，当布置有压力传感器的链轮齿接近数据采集位置时，霍尔接近开关打开，压电式压力传感器开始采集刮板链上的实时压力数据；当该齿离开数据采集位置时，霍尔接近开关断开，压电式压力传感器停止采集数据，节省电量，延长装置使用寿命，同时降低大量无效数据的采集工作，简化数据处理工作，提高数据处理精度降低误差，增加整套张力检测系统的工作稳定性。

根据本发明，优选的，所述无线信号发射装置置于机头链轮和机尾链轮内部。

根据本发明，进一步优选的，无线信号发射装置选用基于CC2540射频芯片的E104-2G4U04A无线信号发射装置。

由于机头链轮和机尾链轮的金属材料对信号传输具有屏蔽作用，因此在刮板

输送机链轮上开设有信号溢出孔，便于无线信号发射装置将信号发射到外界环境中，信号溢出孔口安装有陶瓷材料，陶瓷材料对无线通信所用的电磁波具有较小的衰减作用，可以使无线信号发射装置传输的数据信号低损耗传递到外界环境中，在防止内部精密元件受粉尘影响降低精度和稳定性的前提下，提高信号传输质量，增加整套信号传输系统的稳定性。

根据本发明，优选的，所述信号接收装置设置于机头架上，用于接收无线信号发射装置发送的信号数据，信号接收装置与工控机线连接，并将采集数据反馈到工控机。

根据本发明，优选的，所述单片机型号为82C52单片机，用于处理和校正所接收到的霍尔接近开关信号，克服了霍尔接近开关互换性差、信号随温度变化较大等缺点。

根据本发明，优选的，所述工控机，型号为研华IPC-610L。

用于处理和分析接收到的信号数据，使用DVI连接线与LCD显示屏连接，并预留DVI-HDMI转换接口，用于外接其他显示设备。

根据本发明，优选的，所述电源供电装置，包含两组共六块电池，一组布置于机头链轮内，另一组布置机尾链轮内，每组电池共含三块电池。

为整个装置进行供电。

根据本发明，优选的，所述张力检测系统还包括LCD显示屏，使用DVI连接线与工控机相连接，用于显示采集的刮板链上实时张力数据。

根据本发明，优选的，所述机头链轮和机尾链轮上设置有type-c充电接口，type-c充电接口与电源供电装置连接，用于对电源供电装置充电。

本发明的有益效果在于：

1、所述压电式压力传感器设置于机头链轮、机尾链轮的轮齿上，将压力传感器置于链轮内部，通过测量链轮与刮板链接触时的应力，反应出链上应力值的大小，选用压电式压力传感器且布置于链轮内可极大的提高检测系统的稳定性，最大程度减少外界不利条件的影响，且压电式压力传感器具有一定的防潮作用，避免由于外界环境的改变对测量数值造成的误差；且在链轮处布置张力检测装置，每一个张力检测装置随链轮转到检测点时都可以测量出此时链轮与刮板链之间拉力值的大小，从而得到一组连续的链上实时张力值。

2、通过霍尔接近开关控制检测，控制精确，节省电量，延长装置使用寿命，同时降低大量无效数据的采集工作，简化数据处理工作，提高数据处理精度降低误差，增加整套张力检测系统的工作稳定性。

3、充分考虑刮板输送机复杂的工作环境，将压电式压力传感器、张力信号信号发射装置均安放于链轮内部，依靠链轮作为保护壳保护上述装置。

4、刮板输送机负载的大小，均可以依靠刮板链与链轮表面想接触时的压力进行链上张力信号的采集。

5、本张力检测系统利用电磁铁产生静磁场激发霍尔接近开关的方法，利用电磁铁发生磁场，可在电磁铁表面吸附有较多磁性物质时断电清理，减少磁性物质对产生的静磁场的干扰，在一定程度上提高系统的精确性。

6、由于链轮内部设置有凹槽，元件都设置与凹槽内，不与外界直接接触，有一定的防潮措施，可保证系统工作的稳定性和使用寿命。

7、依靠螺栓连接到链轮中部实体上，连接简单可靠，易于操作。

8、有单片机对摩尔接近开关接收到的信号进行处理和校正，进而克服了霍尔接近开关互换性差、信号随温度变化较大等缺点。

附图说明

图1为本发明的张力检测装置安装示意和检测位置图；

图2为链轮立体图；

图3为链轮主视图；

图4为链轮片示意图；

图5为机头架电磁铁安装位置示意图；

图6为系统工作流程图；

图7为信号传输系统工作流程图；

图8为机头架与链轮的安装关系图；

图9为机尾架与链轮安装关系图；

图10为机尾架电磁铁安装位置图；

图11为系统整体图；

其中，1、刮板链；2、机头链轮；3、机尾链轮；4、霍尔接近开关；5、压电式压力传感器；6、单片机；7、无线信号发射装置；8、机尾架；9、工控机；10、Type-C充电接口；11、电源供电装置；12、电磁铁；13、电磁铁开关；14、机头架；15、信号接收装置。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图所示，本实施例提供了一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，包括刮板链1、刮板链1套设于机头链轮2、机尾链轮3外侧；机头链轮2设置在机头架14上，机尾链轮3设置在机尾架8上。所述张力检测系统包括压电式压力传感器5、霍尔接近开关4、单片机6、无线信号发射装置7、信号接收装置15、工控机9和电源供电装置11；所述压电式压力传感器5设置在机头链轮2、机尾链轮3的轮齿内部，共12个，机头链轮2上6个，机尾链轮3上6个，每间隔一个轮齿设置一个压电式压力传感器5。压电式压力传感器5用于检测张力数据，压电式压力传感器5相对的轮齿外侧设置有霍尔接近开关4，霍尔接近开关4用于控制压电式压力传感器5的工作；霍尔接近开关4与单片机6连接；单片机6与压电式压力传感器5线连接，通过单片机6控制压电式压力传感器的开启，无线信号发射装置7与电式压力传感器5电连接，无线信号发射装置7通过螺栓固定于链轮上，信号接收装置用于接收无线信号发射装置的信号，机头链轮2、机尾链轮3内部设置有凹槽，凹槽内固定设置有单片机6、无线信号发射装置7、电源供电装置11；即可以节约空间，又可以保护这些装置，同时机头链轮2、机尾链轮3内部还设置有若干凹缝，凹缝用于放置各个器件之间的连接线，信号接收装置15与工控机9电连接；信号接收装置15与工控机9均固定设置在机尾架8一侧，信号接收装置15将检测到的压力信号传输至工控机9，工控机9与电源供电装置11电连接。机头架14与机头链轮2相交最高点处设置电磁铁12，所述机尾架5与机尾链轮3相交最低点处设置电磁铁12，电磁铁12与设置在机尾链轮3的电源供电装置11之间设置有电磁铁开关13，电源供电装置11给整个装置供电，包含两组共六块电池，一组布置于机头链轮，另一组布置于机尾链轮，每组电池共含三块电池。同时设置LCD显示屏，LCD显示屏设置在使用者易于观察的位置，使用DVI连接线与工控机9相连接，LCD显示屏且预留出DVI-HDMI转换接口，便于工控机9也其他显示设备相连接；用于显示压电式压力传感器的数据。

型号选择：压电式压力传感器5可选用澄科CT3005A，无线信号发射装置7选用基于CC2540射频芯片的E104-2G4U04A无线信号发射装置，单片机6型号为82C52单片机，工控机9型号为研华IPC-610L。

工作原理：

机头链轮2在链条与机头链轮2接触的最高点进行检测，机尾链轮3在链条与机尾链轮3接触的最低点进行检测，根据刮板链张力分布可知，刮板链在机头链轮在轴中心正上方时，链上张力最大，在链轮轴正上方采集链上张力信号，相应的，在机尾链轮轴中心正下方采集链上张力信号；

电磁铁置于此处相对应的机头架内侧，如图1所示，在机头链轮运行到最高点，尾链轮接触的最低点，链轮齿面与刮板链之间力最大，因此在此位置前后30°范围内采集链轮齿面与刮板链之间的力，通过设置霍尔接近开关4的感应范围，在链轮运行到该位置前30°和后30°时，霍尔接近开关4感应到机头架14上电磁铁的磁场，进而霍尔接近开关4接通，张力检测装置开始工作。

其中，链轮包括：中心链轮、左链轮片、右链轮片，其中左右链轮片完全相同，图4为组成该链轮的链轮片；如图2所示，通过在每个齿上设置三个螺栓将中心链轮、左链轮片和右链轮片组合成一个完整的刮板输送机链轮组件。链轮依靠连接筒安装于机头架和机尾架上，经减速器和液力耦合器与驱动电机相连接。本发明对链轮进行了一定程度的改造，由左右两块链轮片和链轮中部实体组成，在链轮内部加工有凹槽便于安放零件，加工有凹缝便于放置连接线，加工有通孔便于安装霍尔接近开关4和压电式压力传感器5，左右链轮片依靠螺栓固定到链轮中部实体上；所选链轮含有六个齿，每隔一个齿安装一套张力采集装置和一个霍尔接近开关，当刮板输送机链轮转动时，布置于前后链轮内的霍尔开关4随链轮转动，当机头链轮2、机尾链轮3转动到数据采集位置时，霍尔接近开关4感应到机头架14内部的电磁铁的磁场，霍尔开关被触发，进而产生一个特定的电信号，唤醒该齿内安装的压电式压力传感器5，测量此时刮板链上的实时张力数值，在该齿离开测量位置后，霍尔接近开关4远离电磁铁磁场，进而关闭，张力采集装置进入休眠状态，节省电能。

为保证霍尔接近开关不会在链轮运行过程中被碰撞而导致失灵，因此在霍尔接近开关安装时，使开关略低于链轮的端面位置。所述电磁铁，如图所示，位于刮板输送机机头架14内侧，与电源供电装置11相连接，设置电磁铁开关13，当电磁铁表面磁性物质过多影响其磁场时，可断电失磁，清理电磁铁；无线信号发射装置7用于将刮板链张力采集装置采集到的信号发送给位于刮板输送机一侧的信号接收装置15，随后信号接受装置15将接收到的张力信号传输到工控机9，在LCD显示屏上将具体的张力数值显示出来，系统工作原理图如图6所示，信息传送系统工作原理如图7所示。

实施例2：

一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其结构如实施例1所示，不同的是：所述张力检测系统还包括电荷放大器、测量电路；电荷放大器与测量电路均顺次连接压电式压力传感器5与无线信号发射装置7之间。

荷放大器起到放大测量信号、防止电路短路和保护用电器的作用，增加系统的整体稳定性；测量电路将采集到的信号进行信号处理，压电式压力传感器5测量得到的信号的电荷经过电荷放大器和测量电路的放大和变换阻抗后成为正比于所受外力的电量输出，再通过无线信号发射装置7发射出去，利用电荷放大器和测量电路解决微弱信号的转换与放大问题，从而得到足够强的输出信号。

实施例3：

一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其结构如实施例1所示，不同的是：链轮上设置有为Type-C充电接口10，接口外侧有保护胶皮保护充电插头，Type-C充电接口10与内部三块电池连接，充电时仅需使用Type-C数据线将充电接口与充电器连接即可对链轮内部电源进行充电，无需多次拆卸链轮进行电池的更换。

实施例4：

一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其结构如实施例1所示，不同的是：由于钢铁会屏蔽无线信号发射装置的信号，因此在链轮上放置压电式压力传感器5的凹槽与边缘一侧贯穿，如图4所示，作为信号溢出孔，使得信号更好的发射出去。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：包括刮板链、张力检测系统；刮板链套设于机头链轮、机尾链轮外侧；机头链轮设置在机头架上，机尾链轮设置在机尾架上；

所述张力检测系统包括压电式压力传感器、霍尔接近开关、单片机、无线信号发射装置、信号接收装置、工控机；所述压电式压力传感器设置在机头链轮、机尾链轮内部，压电式压力传感器用于检测张力数据，压电式压力传感器相对的链轮外侧设置有霍尔接近开关，霍尔接近开关用于控制压电式压力传感器的工作；霍尔接近开关与单片机线连接；单片机与压电式压力传感器线连接，无线信号发射装置与电式压力传感器电连接，信号接收装置用于接收无线信号发射装置的信号，信号接收装置与工控机电连接；工控机与电源供电装置电连接。

2.根据权利要求1所述的基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：所述张力检测系统还包括电荷放大器、测量电路；电荷放大器与测量电路均顺次连接在压电式压力传感器与无线信号发射装置之间。

3.根据权利要求1所述的基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：所述压电式压力传感器设置于机头链轮、机尾链轮的轮齿上，每间隔一个轮齿设置一个压电式压力传感器。

4.根据权利要求1所述的基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：所述传感器型号为澄科CT3005A。

5.根据权利要求1所述的基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：所述机头架与机头链轮相交最高点处设置电磁铁，所述机尾架与机尾链轮相交最低点处设置电磁铁，电磁铁与电源供电装置之间设置有电磁铁开关。

6.根据权利要求1所述的基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：所述无线信号发射装置置于机头链轮和机尾链轮内部。

7.根据权利要求1所述的基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：所述信号接收装置设置于机头架上，信号接收装置与工控机线连接。

8.根据权利要求1所述的基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：所述电源供电装置，包含两组共六块电池，一组布置于机头链轮内，另一组布置于机尾链轮内，每组电池共含三块电池。

9.根据权利要求1所述的基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：所述张力检测系统还包括LCD显示屏，使用DVI连接线与工控机相连接。

10.根据权利要求1所述的基于压电效应的刮板链实时张力检测系统，其特征在于：所述机头链轮和机尾链轮上设置有type-c充电接口，type-c充电接口与电源供电装置连接。

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