CN112639426B - 皮带传感器系统 - Google Patents

Abstract

一种皮带传感器系统，包括邻近皮带布置以检测皮带表面接近度并因此产生第一信号的第一IR传感器，邻近皮带布置以从第二皮带表面检测周期信号并因此产生第二信号的第二IR传感器，作用于第一信号和第二信号以计算动态皮带张力并在GUI上显示动态皮带张力的信号处理器。

Description

皮带传感器系统

技术领域

本发明涉及一种皮带传感器系统，更具体地，涉及一种包括非接触式皮带传感器系统的皮带传感器系统，所述非接触式皮带传感器系统具有作用于第一信号和第二信号以计算动态皮带张力的信号处理器。

背景技术

动力传送带依靠适当的张力才能适当地工作。张力可以通过相对于从动链轮中心调节主动链轮中心来施加。也可以使用自动张紧器。

在不使用自动张紧器的系统中，皮带的适当工作张力会随着时间逐渐衰减。失去张力会导致皮带打滑，最终导致皮带失效。皮带失效导致系统的停机时间。

皮带张力可以作为所安装皮带的振荡频率的函数来确定。声波式皮带张力计测量皮带在静止状态下，即皮带系统不工作时的振动频率，以Hz为单位。较高的频率指示较高的张力，而较低的频率指示较低的张力，就像弦乐器一样。

现有技术的代表是美国专利No.6852050，该专利公开了接近传送带的至少一个边缘定位的横向传感器连续地监测传送带的所述边缘的位置。如果横向传感器检测到横向移动，那么调整电动机旋转，以移动非传动皮带轮的一端，从而调整横向移动。横向传感器可以是非接触式感应接近传感器，比例传感器(比如线性可变位移换能器或线性电位计(它通过监测弹簧中的电阻来判定传送带的边缘是否已横向移动))，或者霍尔效应传感器。

需要一种具有信号处理器的系统，所述信号处理器作用于第一信号和第二信号，以计算动态皮带张力。本发明满足了这一需求。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种具有作用于第一信号和第二信号，以计算动态皮带张力的信号处理器的系统。

本发明的以下说明和附图将指出本发明的其他方面或使之显而易见。

本发明包括一种皮带传感器系统，所述皮带传感器系统包括邻近皮带布置以检测皮带表面接近度并因此产生第一信号的第一IR传感器，邻近皮带布置以从第二皮带表面检测周期信号并因此产生第二信号的第二IR传感器，作用于第一信号和第二信号以计算动态皮带张力并在GUI上显示动态皮带张力的信号处理器。

附图说明

包含在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图图解说明本发明的优选实施例，并连同说明一起用于解释本发明的原理。

图1是系统的示意图。

图2是传感器阵列的细节。

图3是系统流程图。

图4是组合信号的图表。

具体实施方式

图1是系统的示意图。传感器阵列包括两个并行布置的高精度、快速采样、非接触式接近传感器。

例证系统包括主动皮带轮10、从动皮带轮20以及在它们之间拉紧的皮带30。传感器阵列包括第一红外(IR)接近传感器40和第二接近传感器50。两个接近传感器都连接到数字信号处理器60。处理器60连接到控制系统网络。

红外(IR)传感器可以从众多的来源获得，包括InfraTec,Mouser Electronics(#852-GP2Y0D815Z0F)和STMicroelectronics(#VL53L1X)。提供这些例子只是为了举例说明本发明的广度，并不意图将系统仅仅局限于这些设备。

来自每个传感器的信号可以通过蓝牙^TM无线地42、52传送给接收器62，或者经由硬连线41、51传送给接收器62。蓝牙^TM是一种广泛采用的用于短距离交换数据的无线技术标准。该技术使用2.4～2.485GHz的ISM频带中的UHF频率。它既可用在固定设备上，又可用在移动设备上。

传动长度(L)在皮带轮10的中心和皮带轮20的中心之间。

图2是传感器阵列的细节。接近传感器40产生模拟信号，用于检测皮带背面31的相对距离。传感器50产生数字信号，用于在皮带在工作时检测每个齿槽区(tooth land area)32的通过。齿槽区32布置在相邻的齿33之间。基于传感器放置和皮带及每个传感器40、50的已知数据，可以确定到每个表面31、32的相对距离。优选地，传感器放置在主动皮带轮10和从动皮带轮20之间的皮带中心线等距处或附近。

传感器40、50测量皮带30的基波的第一或第三节点的振动。原始信号被认为是双振幅波形内的半整流余弦/正弦波，参见图4。

结合使用来自每个传感器的信号将产生振动皮带的净尺寸位移、总尺寸位移或者峰间尺寸位移。在数据采集之后，DSP对传感器信号进行振幅信号处理技术。齿侧接近传感器50检测啮合/激励频率。DSP将其从来自传感器40的跨度振动(span vibration)信号中过滤出来。

激励频率是皮带工作时的线性齿速的函数，从而传感器50检测皮带速度。每个平直表面32将IR信号反射到传感器接收器53。由于每个齿33散射IR光，信号周期性地下降，因此，传感器53传送的信号是周期性的。每个表面32之间的距离已知并基于皮带齿距(pitch)P。来自表面32的每个信号54之间的周期可以用于确定皮带30在方向D上的速度v。

类似地，背侧接近传感器40测量受激跨度振动±y和相关的振荡频率。方向±y垂直于方向D。表面31将IR信号反射到传感器接收器43。

使用DSP/微控制器和现成的IR传感器。选择两种不同的Sharp IR传感器。传感器40使用额定为2-15cm的Sharp GP2Y0A51SK0F模拟距离传感器。传感器50使用额定为5cm的Sharp GP2Y0D805Z0F数字距离传感器。

用于对数据进行双重采样的DSP微控制器是在3.3V以8MHz时钟速率运行的Arduino Pro^TM品牌的Atmel^TMAtmega^TM328P SMD，它可以被编程为以10位分辨率在4KHz对模拟输入通道进行采样，并且可以对大于100KHz的数字输入通道进行采样。微控制器也使用Arduino集成开发环境(IDE)编程，这是一种用于为控制器创建C代码/固件的基于Java的程序。

该系统还包括基于MatLab^TM的GUI，用于解析消息，将数据记录到文件，以及显示皮带的齿频率和振动。COM端口设置、波特率和流量控制的类型被硬编码到微控制器固件和GUI软件中。

在微控制器上将三段独立的C代码组合成一个主循环，并且出于测试该技术研究的理论和应用的目的，编写了基于MatLab的用户显示器；微控制器上的用于定时控制、数据采集和发送串行消息的固件，以及用于图形用户界面(GUI)和数据记录的Matlab脚本。

为微控制器编写的固件是三种独立算法的组合；接近传感器的模拟采样，通过快速傅立叶变换(FFT)计算大量基于时序的接近数据，和微秒频率计数器。在设定非易失性全局变量之后，声明定时器，以精确地控制模拟采样和串行输出速率。静态地设定串行输出速率，以按10Hz更新COM端口，模拟采样速率基于用于FFT的数组大小(2^n项)。在每次采样之后，模拟值被存储在循环缓冲器数组中以供稍后使用。在该系统中，数组被设定为256(2^8)项，其中一半是实数值，一半是虚数值；频率分析中只使用实数项。由于FFT是过程密集型的函数系列，因此只在串行输出被发送到COM端口之前调用它来作用于数组。

在DSP/微控制器的固件中使用的另一算法是齿频计数器。逻辑与RPM传感器相同，其中在低到高脉冲跃迁之间测量以微秒为单位的时间，并置于移动平均数组中。接近传感器的数字输入与微控制器的引脚中断功能相关联。

数组的移动平均值(rolling average)然后被存储在全局变量中，在该全局变量中，移动平均值将被平均，以便计算到用户显示器或网络的串行输出中的啮合频率和传动速度。

串行消息基于定时器，该定时器被设定为从微控制器每100毫秒或1/10秒调用该功能，并且遵循非常简单的形式：2字节用于报头，16字节用于FFT消息，16字节用于齿啮合频率，以及2字节用于行尾字符。

在允许来自微控制器的任何消息通过之前，基于Matlab的GUI脚本运行用户设定的COM端口设置。一旦设置匹配，Matlab就从COM端口的循环缓冲器中拉取每个字节，并开始寻找从微控制器发送的报头字节。在正确的报头比较之后，脚本将记录时间戳，读取缓冲器直到行尾字符，并且将原始字节写入文件。该脚本还更新FFT的曲线，将原始字节转换成十进制形式，并更新值以便显示。

当皮带工作时，传感器40、50检测皮带背面和齿/齿槽区的相对距离。在例证系统中，模拟(跨度振动)传感器40具有2-15cm的范围，可以放置在距离皮带背面31大约4cm处。类似地，数字(齿计数器)传感器50具有4.5-5.5cm的范围滞后，可以放置在距离皮带的齿33和齿槽侧32大约5cm处。

图3是系统流程图。系统在1001启动。在1002运行设置。在1003读取用户输入。在1004读取来自传感器40的位移信号。在1005，数据被存储在循环缓冲器中。循环缓冲器是使用好像以循环方式头尾相连似的单一固定大小的缓冲器的数据结构。这种结构可用于缓冲诸如来自即时传感器阵列40、50的数据流。在1006从缓冲器读取数据，或者在1003直接从用户输入读取数据。

在1009进行FFT。FFT在一段时间内对信号进行采样，并将信号分成其频率分量。这些分量是在不同频率处的单个正弦振荡，每一个都具有它们自己的振幅和相位。因此，FFT用于将来自传感器50的信号从其原始时域转换成频域中的表示，反之亦然。

在1010，过滤来自传感器50的啮合频率。然后在1012，从缓冲器中删除在1009、1010使用过的数据。在1011选择主频率。在1013，通过利用选择的主频率(f)，使用Mersenne定律来计算皮带张力(T)。

从齿频率计算皮带速度，在1015使用计算的皮带速度。皮带速度可以从系统RPM计(未图示)获得或者从啮合频率计算。在1019，读取用户提供的皮带材料常数。在1016读取用户提供的传动常数。在1013，皮带材料常数1019被输入到Mersenne定律计算中。

来自传感器40和传感器50的信号的差异产生用于计算振荡频率(f)的更清晰的跨度振动波形。导出的频率(f)用于利用Mersenne弦振动定律来近似主动皮带张力(T)：

其中T＝皮带张力

f＝频率

n＝节点

L＝传动长度

μ＝皮带单位长度的质量

动态皮带张力(T)是使用系统常数，即传动中心距离(L)和皮带的线密度(μ)，以及来自传感器40和50的测量值计算的。

在1013的计算的执行给出主动张力测量值1017(T)。主动张力测量值随后被输入到动态张力T_dyn补偿方程1018中。T_dyn项是W/2(静态)+T(t)与T(s)之间的张力差的一半(它是施加的扭矩)之和。W/2(静态)相当于静态皮带张力(W)。W是在安装时通过皮带轮施加于皮带的静载荷。

T_t-T_s＝2Q/Dp是方程的活动部分，其中Q是传递的扭矩，D_p是皮带轮10、20的节径。T_t和T_s的跨度振动可使用接近传感器测量，并且每侧的张力使用求解张力的Mersenne定律计算。在步骤1013，计算T(t)(紧侧张力)和T(s)(松侧张力)。

离心项归因于运转传动＝K*m*v²。K是用于单位的系统常数，对于公制单位被设定为1。类似地，对于英制单位被设定为K＝8.6374×10^6。最后，m＝μ，是质量/单位长度，v是利用测量的齿频率计算的皮带速度。

于是，通过相加方程的所有部分，可以计算动态张力：

T_dyn＝W/2(静态)+/-(T_t-T_s)/2(活动)+Kmv²(离心)。

该计算给出了总的动态张力T_dyn1019。该结果信号可以被输出到GUI1020或者在1021被存储在系统存储器中。

总的动态张力T_dyn可以用于基于动态皮带张力控制系统运行。例如，可以包括报警限值，以在系统偏离规定的限值的情况下向操作人员报警。系统历史可以用于估计剩余的皮带寿命。

图4是组合信号的图表。原始信号测量值被认为是双振幅波形内的半整流余弦/正弦波。信号45来自传感器40。信号55来自传感器50。信号55的周期性是每个齿槽32通过传感器50的通过速度的函数。信号45的正弦性是沿着与移动方向D垂直的轴线的皮带跨度振动的结果。

尽管本文中描述了本发明的一种形式，不过对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离记载在本文中的本发明的精神和范围的情况下，可以对各个部分的构造和关系作出各种变更。除非另有具体说明，否则附图中描述的组件不是按比例绘制的。数值例子用于举例说明本发明，并不意图限制权利要求的范围。此外，除非在特定权利要求中明确地使用词语“用于…的装置”或“用于…的步骤”，否则任何附加的权利要求或权利要求要素都不意图援引35U.S.C.§112(f)。本公开决不应局限于附图中图解所示和本文中描述的例证实施例或数值尺寸。

Claims (4)

1.一种皮带传感器系统，包括：

第一红外传感器，邻近齿形皮带布置以检测第一背面皮带表面处的皮带振荡并因此产生第一信号；

第二红外传感器，邻近齿形皮带布置以检测周期信号和第二齿形皮带表面的相邻皮带齿之间的齿槽区处的皮带振荡，因此产生第二信号；

信号处理器，作用于第一信号和第二信号以计算皮带的振荡频率f并且利用以下方程计算动态皮带张力：

其中T＝皮带张力

f＝皮带的振荡频率

n＝节点

L＝传动长度

μ＝皮带单位长度的质量；和

用于显示动态皮带张力的GUI。

2.按照权利要求1所述的皮带传感器系统，其中所述第一红外传感器检测皮带表面可变接近度。

3.按照权利要求1所述的皮带传感器系统，其中第一信号包括模拟信号并且第二信号包括数字信号，并且该系统还包括用于存储动态皮带张力以供用户使用的存储器。

4.按照权利要求3所述的皮带传感器系统，其中所述数字信号用于确定皮带速度。

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