CN203704971U - 用于工程机械故障检测的传感器系统 - Google Patents

Abstract

用于工程机械故障检测的传感器系统，包括：微应变片阵列、微加速度传感器、微压电超声传感器、数据处理模块及无线传输元件。微应变片阵列直接粘贴在工程机械上应力集中处，微加速度传感器、微压电超声传感器、数据处理模块、无线传输元件集成于柔性基板上并固定于工程机械。柔性基板上设有印刷电路使微应变片阵列及传感器实现系统内的电连接，无线传输元件输出检测信号。微应变片阵列粘贴在工程机械臂架、连杆及销轴上，微加速度传感器安装于工程机械振动强烈的臂架连接部位及整根臂架末端，微压电超声传感器安装于工程机械臂架以及连杆上。本实用新型的优点是运用多传感器系统对工程机械使用进行全面检测，及时处理工程机械的故障。

Description

用于工程机械故障检测的传感器系统

技术领域

本实用新型涉及工程机械安全监控设备，特别涉及一种用于工程机械故障检测的传感器系统。

背景技术

传感器作为一种监测设备已在社会中得到广泛的应用，它为系统的决策和处理提供了所必须的原始数据。例如，在轿车上就集成多种传感器，用于整车一些重要数据的提取与监控，保证车辆及使用者的安全。但在工程机械上却较少看到用于安全监测的传感器。

在我国以及美国的专利数据库到目前为止还未找到将微应变片阵列的微加速度计，微压电超声传感器用于工程机械安全监控的案例，在实际工程中也很少见到这样的运用。目前国产工程机械在中国市场的占有率已达80%以上，用于安全监测的传感器在工程机械上的使用还处于落后的状态。我国工程机械普遍施工任务繁重，工作环境恶劣，不重视设备保养，因此我国的工程机械往往寿命短，使用中存在严重的安全隐患。在我国，传统的工程机械往往没有安全监测装置，或者只是针对某一种重要的故障形式实现监控，难以实现故障点的全面监测，因此工程机械在使用时存在着诸多的安全隐患。

发明内容

本实用新型的目的是针对已有技术中存在的缺陷，提供一种用于工程机械故障检测的传感器系统。

在本实用新型中，通过使用应变片阵列监测工程机械关键部位的应力、应变状况，用加速度计监测工程机械工作部件的振动，用微压电超声传感器监测工程机械工作部件关键处的裂纹，并将三者集成，从而达到对工程机械全面实时安全监控的目的。

本实用新型的系统由微应变片阵列、微加速度传感器、微压电超声传感器、数据处理模块、无线传输元件组成，其特征在于所述微应变片阵列直接粘贴于工程机械应力集中处，用于检测粘贴处的应力状况。微加速度传感器、微压电超声传感器、数据处理模块、无线传输元件集成于柔性基板上，通过柔性基板固定于工程机械。该基板具有柔韧性，能够随粘贴部位产生一定的微形变，柔性基板上设有印刷电路，从而实现系统内的电连接，微应变片阵列及传感器经印刷电路实现系统内的电连接，系统经无线传输元件输出检测信号。微加速度传感器安装于工程机械振动强烈（如整套臂架的端部）及主要的连接部位（如各节臂架以及连杆上）。通过采集各处微加速度传感器所测得的数据，对工程机械臂架的振动水平进行监测。微压电超声传感器安装于工程机械臂架以及连杆上。系统经无线传输元件输出检测信号，根据工程机械关键部位危险点的具体应力分布特征及构件几何特征，采用应变片花或惠斯通电桥对构件的应力水平进行实时检测。在普通工作状态下，微压电超声传感器处于低功耗的监听状态。当有裂纹产生或扩展时，所激发的机械波会激活微压电超声传感器，微压电超声传感器会主动发出超声波到结构中，再通过检测从结构中反射回来的超声波对裂纹位置和大小进行准确的定位。

所述数据处理模块由数据放大器，A/D转换器及单片机组成。其中微应变片、微加速度传感器、微压电超声传感器与数据放大器连接，数据放大器与A/D转换器电路连接，A/D转换器与单片机电路连接，单片机与无线传输元件电路连接。

所述微应变片阵列、微加速度传感器、微压电超声传感器、数据处理模块、无线传输元件之间的连接方式为有线电路连接，实现系统功能和数据传输，系统由外部电源统一供电，或通过能量收集器供电。

所述在工程机械上易布线的位置采用传统电线供能，不易布线的位置及小功率器件采用能量收集装置或电池供能。能量收集器为具有压电功能的能量收集装置，能够在工程机械工作的时候，将其部分机械能转化为电能，对系统中的微电装置供能。

所述微应变片阵列粘贴在销轴上采用应变花监测方式，粘贴在工程机械臂架上的微应变片阵列采用惠斯通电桥监测方式。

本发明的优点是通过基于MEMS技术的芯片制作及封装方法，将多传感器监测系统的总体尺寸减到最小，运用多传感器系统对工程机械使用进行全面检测，实现在工程机械上的可行性，及时处理工程机械的故障。

附图说明

图1传感器在工程机械上的结构布置示意图；

图2应变片在臂架底端U型槽处的粘贴方式示意图；

图3应变片在臂架连接销轴处的粘贴方式示意图；

图4微压电超声传感器的工作原理示意图，其中：（a）微压电超声传感器被动监测，低功耗状态；（b）裂纹的产生与扩展产生机械波；（c）主动监测，发出超声波；（d）裂纹将超声波发射回微压电超声传感器；图5系统通过柔性基板在臂架上的结构固定示意图。

图中：1臂架、2连杆、3销轴、4微应变片阵列、5微加速度传感器、6微压电超声传感器、7能量收集器、8应变片、9应变片、10应变片、11应变片、12臂架底端U型槽。13臂架、14销轴、15应变花、17臂架钢结构、18裂纹、19定值电阻、20固定胶板、21测量应变片、22信号放大器、23A/D转换器、24单片机、25无线传输元件、26温度补偿应变片、27金属隔离台、28臂架、30柔性基板。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的实施例。参见图1～4，

微应变片阵列4、微加速度传感器5、微压电超声传感器6、数据处理模块、无线传输元件25集成于柔性基板上，柔性基板上设有印刷电路，微应变片阵列4及传感器经印刷电路实现系统内的电连接，系统经无线传输元件25输出检测信号。

参见图1，图1显示的是用于工程机械关键部件（臂架1，连杆2，销轴3）安全监控的传感器布置实施例，将微应变片阵列4贴装于臂架1以及连杆2之上，粘贴位置皆为利用仿真计算以及实验分析之后得到的危险点，用于监测结构表面的应力水平；微加速度传感器5安装于臂架1的两处，用于监测臂架1的振动水平；微压电超声传感器6贴装于臂架1以及销轴6之上，用于对结构的裂纹的生长和扩展进行主/被动相结合的方式进行监测。

微应变片阵列4及其数据处理模块、微加速度传感器5、微压电超声传感器6及无线传输元件25之间的电路连接为有线电路连接，由外部电源统一供电，或通过能量收集器供电。本实施例采用能量收集器供电。在臂架1连接部位以及销轴3上安装的传感器由于难以进行有线互联，在传感器安装处集成能量收集器7，用于吸收工程机械的振动能量，给微应变片阵列4、微加速度传感器5、微压电超声传感器6供能，所采集的信号通过无线引出。

应力需要监测的部位包括应力水平较大的部位，如臂架底端U型槽处，应力水平较复杂的部位，如各节臂架连接销轴处。微应变片阵列粘贴在销轴上采用应变花监测方式，粘贴在工程机械臂架上的微应变片阵列采用惠斯通电桥监测方式。应变片在这些部位的具体粘贴方式如图2、图3所示。其中，图2是应变片在臂架底端U型槽12处的粘贴方式，由于这个部位位于钢板端部，因此可在钢板的内外表面均粘贴应变片8、应变片9、应变片10、应变片11，并通过内外钢板一面受拉，一面受压的受力特点及将应变片组成惠斯通电桥，从而提高电桥的灵敏度。图3是应变片在各节臂架13连接销轴处的粘贴方式，由于这个位置的应力水平较复杂，很难判断出主应力的方向，因此采用应变花15对此部位进行应力监测。

振动需要监测的部位包括整套臂架的端部及各节臂架的连接处。通过在这些部位固定微加速度传感器5，完成对泵车臂架振动状况的监测。其固定方式为将微加速度传感器5集成于柔性基板，再将柔性基板固定于臂架的钢结构上。

微压电超声传感器的主/被动结合的检测方式如图4所示，微压电超声传感器6安装在臂架的钢结构17表面，正常工作情况下，微压电超声传感器6处于低功耗的监听状态，即被动检测，如图4a。当臂架钢结构17有裂纹18生长或扩展时，会产生高频机械波，就会被处于被动监测状态的微压电超声传感器6捕捉到，如图4b。此时，微压电超声传感器6激活，发出大功率的超声波，即转为主动检测，如图4c。结构的裂纹18会将超声波反射回微压电超声传感器，如图4d。通过信号的分析，可以实现对裂纹的精确定位。

参见图5，柔性基板30用于电子器件的固定和电互连。相比于IC工业中常用的印制电路板，该柔性基板30具有轻，薄，小，结构灵活等特点，能够进行动态弯曲，卷曲和折叠，适合于在臂架钢结构上的集成。其中定值电阻19、测量应变片21、温度补偿应变片26构成整个惠斯通电桥，设有两个定值电阻19，整个电桥为半桥形式。固定胶板20用于两个定值电阻19在臂架28上的固定，金属隔离台27的金属成分与臂架28的金属成分相同，目的是将温度补偿应变片隔离起来，使其不受臂架应力的作用，真正起到温度补偿的作用。测量应变片21通过粘结剂直接粘贴在臂架28上，用于臂架28应变的测量。

数据处理模块由数据放大器22，A/D转换器23及单片机24组成，微应变片4、微加速度传感器5、微压电超声传感器6与数据放大器22电路连接，数据放大器22与A/D转换器23电路连接，A/D转换器23与单片机24电路连接，单片机24与无线传输元件电路25连接。单片机24处理过的数据信息通过25无线传输元件传输给系统中心进行进一步处理。微加速度传感器5、微压电超声传感器6采集的信息传输给无线发射装置25，发送到系统中心进行数据融合。信号放大器22、A/D转换器23、单片机24、无线发射装置25、微加速度传感器5、微压电超声传感器6均固定在柔性基板30之上，而柔性基板30固定于臂架28之上。

如果整套臂架的端部只需要监测振动而无需监测应变，则在此处的柔性基板上只需集成加速度传感器，不需要固定应变片；同理有些部位只需应变测量而不用振动监测，则在此处的柔性基板上只需固定应变片及其信号处理模块。

各传感器组成监测系统后，还要对整套系统进行系统封装。系统封装的目的在于将器件保护起来，使其免受外部的污染，通过器件集成，减小总体尺寸，系统封装采用塑料封装，使其获得较高可靠性。

Claims (4)

1.一种用于工程机械故障检测的传感器系统，包括：微应变片阵列、微加速度传感器、微压电超声传感器、数据处理模块及无线传输元件，其特征在于所述微应变片阵列直接粘贴在工程机械上应力集中处，微加速度传感器、微压电超声传感器、数据处理模块及无线传输元件集成于柔性基板上，通过柔性基板固定于工程机械，柔性基板上设有印刷电路，微应变片阵列及传感器经印刷电路实现系统内的电连接，系统经无线传输元件输出检测信号，微应变片阵列粘贴在工程机械臂架、连杆及销轴上，微加速度传感器安装于工程机械振动强烈的臂架连接部位及整根臂架末端，微压电超声传感器安装于工程机械臂架以及连杆上。

2.根据权利要求1所述的用于工程机械故障检测的传感器系统，其特征在于所述数据处理模块由数据放大器，A/D转换器及单片机组成，微应变片、微加速度传感器、微压电超声传感器与数据放大器连接，数据放大器与A/D转换器连接，A/D转换器与单片机电路连接，单片机与无线传输元件电路连接。

3.根据权利要求1所述的用于工程机械故障检测的传感器系统，其特征在于所述微应变片阵列为应变花监测粘贴在销轴上。

4.根据权利要求1所述的用于工程机械故障检测的传感器系统，其特征在于所述微应变片阵列为惠斯通电桥监测粘贴在工程机械臂架上。