TWI709702B - 皮帶感測器系統 - Google Patents

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TWI709702B
TWI709702B TW108126393A TW108126393A TWI709702B TW I709702 B TWI709702 B TW I709702B TW 108126393 A TW108126393 A TW 108126393A TW 108126393 A TW108126393 A TW 108126393A TW I709702 B TWI709702 B TW I709702B
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凱恩 奇納爾
約瑟夫 達克
萊斯禮 布朗
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美商蓋滋公司
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Abstract

一種皮帶感測器系統，包括：一第一IR感測器，其配置成相鄰於一皮帶，以偵測一皮帶表面近接，因而產生一第一信號；一第二IR感測器，其配置成相鄰於一皮帶，以偵測來自一第二皮帶表面的一週期信號，因而產生一第二信號；一信號處理器，其對該第一信號及該第二信號進行運算，以計算一動態皮帶張力，並且在一GUI上顯示該動態皮帶張力。

Description

皮帶感測器系統
本發明係有關於一種皮帶感測器系統，更具體地，係有關於一種包括非接觸式皮帶感測器系統的皮帶感測器系統，非接觸式皮帶感測器系統具有信號處理器，信號處理器對第一信號及第二信號進行運算，以計算動態皮帶張力。
動力傳動帶依靠適當的張力，以便正常運轉。可以藉由相對於從動鏈輪中心調整驅動鏈輪中心來施加張力。亦可以使用自動張力器。
在不使用自動張力器的系統中，皮帶的適當運轉張力會隨著時間逐漸衰減。張力的損失會造成皮帶最終滑動，導致皮帶失效。皮帶故障導致系統的停機時間。
可以確定皮帶張力為安裝皮帶的振盪頻率之函數。音波式皮帶張力計在靜止狀態(亦即，皮帶系統未運轉)下以Hz為單位測量皮帶的振動頻率。沒有與弦樂器不同，較高的頻率表示較高的張力，而較低的頻率表示較低的張力。
該項技藝的代表係揭露一種橫向感測器的美國專利第6852050號，所述橫向感測器定位成緊鄰輸送帶的至少一個邊緣，連續地監測輸送帶的邊緣位置。如果橫向感測器偵測到橫向移動，則調整馬達旋轉，以移動非驅動滑輪的端部來針對橫向移動進行調整。橫向感測器可以是非接觸電感式近接感測器、比例感測器 (例如，線性可變位移轉換器或線性電位計，其藉由監測彈簧的阻力來確定輸送帶的邊緣是否已橫向移動)或霍爾效應感測器。
所需要的是一種具有信號處理器的系統，所述信號處理器對第一信號及第二信號進行運算，以計算動態皮帶張力。本發明符合這種需要。
本發明的一個態樣提供一種具有信號處理器的系統，該信號處理器對一第一信號及一第二信號進行運算，以計算動態皮帶張力。
藉由本發明的下面描述及附圖將指出本發明的其它態樣或使其變得顯而易見。
本發明包括一種皮帶感測器系統，該皮帶感測器系統包括一第一IR感測器，其配置成相鄰於一皮帶，以偵測一皮帶表面近接且因而產生一第一信號；一第二IR感測器，其配置成相鄰於一皮帶，以偵測來自一第二皮帶表面的一週期信號且因而產生一第二信號；一信號處理器，其對該第一信號及該第二信號進行運算，以計算一動態皮帶張力，並且在一GUI上顯示該動態皮帶張力。
10‧‧‧驅動滑輪
20‧‧‧從動滑輪
30‧‧‧皮帶
31‧‧‧皮帶背面
32‧‧‧齒底區域
33‧‧‧齒
40‧‧‧第一紅外線(IR)近接感測器
41‧‧‧硬線
42‧‧‧無線傳輸
43‧‧‧感測器接收器
45‧‧‧信號
50‧‧‧第二近接感測器
51‧‧‧硬線
52‧‧‧無線傳輸
53‧‧‧感測器接收器
54‧‧‧信號
55‧‧‧信號
60‧‧‧數位信號處理器
62‧‧‧接收器
D‧‧‧移動方向
L‧‧‧驅動長度
P‧‧‧皮帶間距
y‧‧‧跨距振動(方向)
包含在說明書中且構成說明書的一部分之附圖說明本發明的較佳具體例，並且與說明書一起用於說明本發明的原理。
圖1係系統的示意圖。
圖2係感測器陣列的細節。
圖3係系統流程圖。
圖4係組合信號的圖表。
圖1係系統的示意圖。感測器陣列包括兩個並行配置的高準確度、快速取樣、非接觸式近接感測器。
示例性系統包括驅動滑輪10及從動滑輪20，並且在它們之間設有皮帶30。感測器陣列包括第一紅外線(IR)近接感測器40及第二近接感測器50。兩個近接感測器皆連接至數位信號處理器60(DSP)。處理器60連接至控制系統網絡。
紅外線(IR)感測器可從許多來源，包括InfraTec,Mouser Electronics(#852-GP2Y0D815Z0F，發光二極體(LED)型及STMicroelectronics(#VL53L1X，一級雷射(Class 1 laser)型)獲得。這些實例僅用於說明本發明的廣度，而沒有意欲將系統僅侷限於這些裝置。
來自每個感測器的信號可以藉由BluetoothTM無線傳輸42、52至接收器62，或者藉由硬線41、51傳輸。BluetoothTM係用於短距離交換資料之廣泛採用的無線技術標準。這種技術在2.4至2.485GHz的ISM頻段內使用UHF頻率。它使用於固定及行動裝置。
驅動長度(L)位於滑輪10的中心與滑輪20的中心之間。
圖2係感測器陣列的細節。近接感測器40產生類比信號且用於偵測皮帶背面31的相對距離。感測器50產生數位信號且用於在皮帶運轉時偵測每個齒底區域32的通過。齒底區域32配置在相鄰齒33之間。可以根據感測器放置以及皮帶及每個感測器40、50的已知基準面測定至每個表面31、32的相對距離。較佳地，感測器放置在驅動滑輪10與從動滑輪20之間等距離的皮帶中心線 處或附近。
感測器40、50測量第一及/或第三波模(mode)之振動，亦即，皮帶30之振動跨距之基本頻率及/或第三諧波。諸感測器之等距離放置使之位在偶數諧波(even harmonic)之節點處，因而對信號無貢獻。較高的奇數諧波(odd harmonic)亦可考慮忽略。原始信號被視為雙振幅波形內的半波整流餘弦/正弦波，參見圖4。
一起使用來自每個感測器的信號將產生振動皮帶的淨、總或峰-峰空間位移。在資料獲取之後，藉由DSP對感測器信號執行振幅信號處理技術。齒側近接感測器50偵測嚙合/激勵頻率。DSP從來自感測器40的跨距振動信號對其進行過濾。
激勵頻率係在運轉時皮帶的線性齒速的函數，因此感測器50偵測皮帶速度。每個平坦表面32將IR信號反射至感測器接收器53。因為每個齒33散射IR光，信號週期性地中斷，因此，感測器50所傳送的信號係週期性的。每個表面32之間的距離係已知的且係根據皮帶間距P。來自表面32的每個信號54之間的週期可用於測定皮帶30在方向D上的速度v。
同樣地，後側近接感測器40測量激勵的跨距振動±y及相關的振盪頻率。方向±y垂直於方向D。表面31將IR信號反射至感測器接收器43。
使用DSP/微控制器及現成的IR感測器。選擇兩個不同的Sharp IR感測器。感測器40使用額定2-15cm的Sharp GP2Y0A51SK0F類比輸出距離感測器。感測器50使用額定5cm的Sharp GP2Y0D805Z0F數位輸出距離感測器。
用於對資料進行雙重取樣的DSP微控制器係以8MHz的時鐘速率在3.3V下操作的Arduino ProTM牌AtmelTMAtmegaTM328P SMD，其可編程為以10-位元解析度在4KHz下取樣類比輸入通道，並且可以在大於100KHz下取樣數位輸入通道。微控制器亦使用Arduino整合開發環境(IDE)軟體(一種用於為控制器創建C程式碼/韌體之Java為基的程式)進行編程。
系統亦包括用於剖析信息、將資料記錄至檔案以及顯示皮帶的齒頻及振動的MatLabTM為基的GUI。將com埠設定、鮑率及流量控制類型硬編碼至微控制器韌體及GUI軟體中。
將三段個別的C程式碼組合成微控制器上的一個主迴圈，並且為了測試此技術調查的理論及應用，編寫MatLab為基的使用者顯示器；微控制器上的韌體用於時序控制、資料獲取及傳送串列信息，以及MatLab腳本程式用於圖形使用者界面(GUI)及資料記錄。
為微控制器編寫的韌體係三種個別演算法的組合；近接感測器的類比取樣以及經由快速傅立葉變換(FFT)及微秒頻率計數器計算大量時間序列為基的近接資料之陣列。在設置非揮失性總體變數之後，會宣告計時器準確地控制類比取樣及串列輸出速率。串列輸出速率靜態地設置成以10Hz更新COM埠，類比取樣速率根據用於FFT的陣列大小(2^n項)。在每個樣本之後，類比值儲存在循環緩衝器陣列中，以供以後使用。在這個系統中，陣列設置為256(2^8)項，其中一半是實數值，一半是虛數值；在頻率分析中只使用實數項。因為FFT係一系列程序密集型功能，所以只有在串列輸出傳送至COM埠之前，才會呼叫它來對陣列進行運算。
在DSP/微控制器的韌體中使用之另一種演算法係齒頻計數器。邏輯與RPM感測器相同，其中以微秒為單位測量從低至高脈衝轉換之間的時間，並將其置於滾動平均陣列中。近接感測 器的數位輸入與微控制器的接腳中斷功能相關聯。
然後將陣列的滾動平均值儲存在總體變數中，在那裡將算出其平均數，以便計算至使用者顯示器或網路之串列輸出中的嚙合頻率及驅動速度。
串列信息係根據一個計時器，所述計時器設置成用於每100毫秒或1/10秒從微控制器呼叫函數，並遵循一個非常簡單的形式：2個位元組用於標頭，16個位元組用於FFT信息，16個位元組用於齒嚙合頻率，以及2個位元組用於末行字元。
Matlab為基的GUI腳本程式在允許來自微控制器的任何信息通過之前執行使用者設置的COM埠設定。一旦設定匹配，Matlab從COM埠的循環緩衝器拉取每個位元組，並開始尋找從微控制器傳送的標頭位元組。在正確的標頭比較之後，腳本程式將記錄時戳，讀取緩衝器，直到末行字元為止，並且將原始位元組寫入檔案。腳本程式亦更新FFT的繪圖，將原始位元組轉換成十進制形式，並且更新顯示值。
感測器40、50偵測在皮帶運轉時皮帶背面與齒/齒底區域的相對距離。在實例系統中，類比(跨距振動)感測器40具有2-15cm的範圍，並且可以放置在離皮帶的背面31大約4cm處。同樣地，數位(齒計數器)感測器50具有4.5-5.5cm範圍的滯後，並且可以放置在離皮帶的齒33及齒底32大約5cm處。
圖3係系統流程圖。在步驟1001中啟動系統。在步驟1002中執行設定。在步驟1003中讀取使用者輸入。在步驟1004中讀取來自感測器40的位移信號。在步驟1005中將資料儲存在循環緩衝器中。循環緩衝器係一種資料結構，其使用單個固定大小的緩衝器，宛如像以循環方式將頭尾連接。這種結構對於緩衝諸如來自即時感測器陣列40、50的資料流係有用的。在步驟1006中從緩衝器讀取資料，或者在步驟1003中直接從使用者輸入讀取資料。
在步驟1009中執行FFT。FFT在一段時間內對信號進行取樣且將其分解成其頻率分量。這些分量係不同頻率的單個正弦振盪，每個振盪具有自己的振幅及相位。因此，FFT用於將來自感測器50的信號從其原始時域轉換成頻域的表示，反之亦然。
在步驟1010中過濾來自感測器50的嚙合頻率。然後，在步驟1012中從緩衝器刪除在步驟1009、1010中使用之資料。在步驟1011中選擇主要頻率。在步驟1013中使用所選擇的主要頻率(f)，使用梅森定律(Mersenne's law)來計算皮帶張力(T)。
根據齒頻計算皮帶速度，並且在步驟1015中使用皮帶速度。皮帶速度可以從系統轉速計(RPM meter)(未顯示)獲得或根據嚙合頻率來計算。在步驟1014中讀取使用者提供的皮帶材料常數。在步驟1016中讀取使用者提供的驅動常數。將步驟1014的皮帶材料常數輸入至步驟1013的梅森定律計算。
來自感測器40及感測器50的信號之差異產生用於計算振盪頻率(f)之更清晰的跨距振動波形。使用獲得的頻率(f)，以用於弦振動的梅森定律來近似主動皮帶張力(T)：
Figure 108126393-A0305-02-0009-1
 其中T=皮帶張力
f=頻率
n=波模或諧波數目
L=驅動長度
μ=每皮帶單位長度的質量
除了來自感測器40及50的測量值之外，還使用系統常數(亦即，驅動中心距離(L)及皮帶的線性密度(μ))來計算動態皮帶張力(T)。
在步驟1013中之計算的執行產生主動張力測量1017(T)。然後將主動張力測量輸入至動態張力Tdyn補償方程式1018。Tdyn項係W/2(靜態)+T(t)與T(s)之間的張力差之一半的總和，其為施加的轉矩。W/2(靜態)相當於靜態皮帶張力(W)。W係在安裝時經由滑輪施加至皮帶的靜態負載。
Tt-Ts=2Q/Dp係方程式的主動部分，其中Q係傳輸轉矩，Dp係滑輪10、20的節徑。使用近接感測器可測量Tt及Ts的跨距振動，並且使用用於張力求解的梅森定律來計算每側的張力。在步驟1013中計算T(t)(拉緊側張力)及T(s)(鬆弛側張力)。
離心項係起因於運轉驅動=K*m*v2。K係單位系統常數，對於公制單位被設定為等於1。同樣地，英制單位K=8.6374×10^6。最後，m=μ，並且是質量/單位長度，以及v係使用測量的齒頻來計算之皮帶速度。
因此，可以藉由對方程式的所有部分求和來計算動態張力：
Tdyn=W/2(靜態)+/-(Tt-Ts)/2(主動)+Kmv2(離心)。
計算產生總動態張力Tdyn 1019。此結果信號可以輸出至GUI 1020或儲存1021在系統記憶體中。
總動態張力Tdyn可以根據動態皮帶張力來控制系統 操作。例如，可以包括警報限度，以在系統偏離規定限度的情況下警告操作員。系統歷史記錄可用於評估剩餘皮帶壽命。
圖4係組合信號的圖表。原始信號測量被視為雙振幅波形內的半波整流餘弦/正弦波。信號45來自感測器40。信號55來自感測器50。信號55的週期性質係每個齒底32經過感測器50的通過速度之函數。信號45的正弦性質係沿著垂直於移動方向D之軸線的皮帶跨距振動之結果。
儘管在此已經描述本發明的形式，但是對於熟悉該項技藝者來說顯而易見的是，在不脫離在此所述之本發明的精神及範圍的情況下，可以對零件的結構及關係進行改變。除非另有特別說明，否則附圖中所描繪的組件未按比例繪製。數值實例用於說明本發明，而不是用於限制請求項的廣度。再者，任何所附請求項或請求元件沒有意欲援用35 U.S.C.§112(f)，除非在特定請求項中明確使用字詞「用於......的手段」或「用於......的步驟」。本發明絕不應受限於附圖中所說明及本文所描述的示例性具體例或數字尺寸。
10‧‧‧驅動滑輪
20‧‧‧從動滑輪
30‧‧‧皮帶
40‧‧‧第一紅外線(IR)近接感測器
41‧‧‧硬線
42‧‧‧無線傳輸
50‧‧‧第二近接感測器
51‧‧‧硬線
52‧‧‧無線傳輸
60‧‧‧數位信號處理器
62‧‧‧接收器
L‧‧‧驅動長度

Claims (15)

  1. 一種皮帶感測器系統，包括：一第一高準確度、快速取樣、非接觸式紅外線感測器，其配置成相鄰於皮帶，以偵測一皮帶表面近接，因而產生一第一信號；一第二高準確度、快速取樣、非接觸式紅外線感測器，其配置成相鄰於皮帶，以偵測來自一第二皮帶表面的一週期信號，因而產生一第二信號；一信號處理器，其對該第一信號及該第二信號進行運算，以使用下面方程式來計算一靜態或動態皮帶張力：
    Figure 108126393-A0305-02-0013-2
     其中T=皮帶張力f=跨距振動頻率n=波模數目L=驅動長度μ=每皮帶單位長度的質量密度。
  2. 如請求項1之皮帶感測器系統，其中，該皮帶包括一帶齒皮帶。
  3. 如請求項2之皮帶感測器系統，其中，該第二感測器係偵測皮帶之帶齒表面。
  4. 如請求項3之皮帶感測器系統，其中，該第一感測器係偵測對立於帶齒表面的皮帶表面之可變近接。
  5. 一種皮帶感測器系統，包括：一第一紅外線感測器，其配置成相鄰於皮帶，以偵測一第一皮帶表面近接，因而產生一類比信號； 一第二紅外線感測器，其配置成相鄰於皮帶，以偵測一第二皮帶表面近接，因而產生一數位信號；一信號處理器，其對該類比信號及該數位信號進行運算，以使用下面方程式來計算一動態皮帶張力：
    Figure 108126393-A0305-02-0014-3
     其中T=皮帶張力f=跨距振動頻率n=波模數目L=驅動長度μ=每皮帶單位長度的質量密度；以及儲存該動態皮帶張力，以供使用者使用。
  6. 一種皮帶感測器系統，包括：一第一感測器，其配置成相鄰於皮帶，以偵測一皮帶表面近接，因而產生一類比信號；一第二感測器，其配置成相鄰於皮帶，以偵測來自一第二皮帶表面近接的一週期信號，因而產生一第二信號；一信號處理器，其對該類比信號及該第二信號進行運算，以使用下面方程式來計算一動態皮帶張力：
    Figure 108126393-A0305-02-0014-6
     其中T=皮帶張力f=跨距振動頻率n=波模數目 L=驅動長度μ=每皮帶單位長度的質量密度，以及儲存該動態皮帶張力，以供使用者使用。
  7. 如請求項6之皮帶感測器系統，其中，該第一感測器係一紅外線感測器。
  8. 如請求項6之皮帶感測器系統，其中，該第二感測器係一紅外線感測器。
  9. 一種皮帶感測器系統，包括：一感測器陣列，其偵測一帶齒皮帶，從而由皮帶之背面產生一第一信號，且由皮帶之齒側產生一第二信號；一信號處理器，其對該第一信號及該第二信號進行運算，以計算一動態皮帶張力；以及儲存該動態皮帶張力於一記憶體中。
  10. 如請求項9之皮帶感測器系統，其中，該第一信號用於判定一皮帶振動，而該第二信號用於判定一皮帶速度。
  11. 如請求項9之皮帶感測器系統，其中，該第一信號係由一高準確度、快速取樣、非接觸式IR感測器產生。
  12. 如請求項9之皮帶感測器系統，其中，該第二信號係由一高準確度、快速取樣、非接觸式IR感測器產生。
  13. 如請求項9之皮帶感測器系統，其中，該第一信號和該第二信號係由雷射感測器所產生。
  14. 如請求項2之皮帶感測器系統，其中，該等感測器係聚焦於帶齒皮帶之諸對立的表面，而位在或靠近兩個滑輪之間等距離的皮帶中心線。
  15. 如請求項4之皮帶感測器系統，其中，該第一感測器和該第二感測器為雷射感測器。
TW108126393A 2018-07-25 2019-07-25 皮帶感測器系統 TWI709702B (zh)

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US16/045,293 2018-07-25
US16/045,293 US11105401B2 (en) 2018-07-25 2018-07-25 Belt sensor system

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TW202012812A TW202012812A (zh) 2020-04-01
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EP (1) EP3827235A1 (zh)
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