矿井胶带应变传感实时监控系统的研发与应用

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【摘 要】胶带作为一种工程承载构件，在使用过程中由于种种原因必然会发生磨损、撕裂甚至骤断等现象，其操作不当及承载能力降低会直接危及设备和人身安全。本文介绍了基于动态测量原理研发的胶带实时监控系统，可以通过胶带内部表现出来的应变应力等物理量的动态变化与传递情况、胶带撕裂前后的受力特征设计定胶带撕裂检测装置，可有效地向操作人员提供早期故障报警，同时降低维修成本，进而提高煤矿的生产效率，同时保证了煤矿的安全生产。

【关键词】应变传感 预警

中图分类号：TV641.4；TV52 文献标识码：A 文章编号：1009―914X（2013）35―486―02

系统研发的背景及意义：胶带作为一种工程承载构件，在使用过程中由于种种原因必然会发生磨损、撕裂甚至骤断等现象，其操作不当及承载能力降低会直接危及设备和人身安全。为了防患于未然，许多国家早就针对胶带的使用问题制定了相应的行业安全规程和国家检测标准。但是胶带撕裂及断裂事故仍时有发生，之所以发成这样的事故，其中一方面是由于目前尚缺乏可靠的胶带状态连续的实时检测手段和检测标准，另一方面由于现有检测仪器的准确性、可靠性和实时性的不足。即便胶带使用部门采用仪器检测，其断带、撕带等事故仍然时有发生。目前，煤矿生产中一般采用人工目视检查和定期强制更换胶带的办法来确保安全生产。这种方法不仅不能及时更换掉由于各种偶然因素而造成严重损伤的胶带，而且很多时候还报废了仍有使用价值的胶带从而造成巨大的浪费。生产现场调查显示，约有20%的胶带，其强度下降30%却仍在使用，约有70%的胶带，其强度损失很少甚至没有损失却被强制更换。

随着人们对胶带结构形式、制造工艺和材料的深入研究，胶带的结构变得越来越复杂，性能越来越好，制造工艺越来越先进，缺陷状态也表现的更为多样和复杂，增加了损伤检测的技术难度。多年来，在煤矿生产中人们一直在探索检测胶带缺陷的各种方法，努力使胶带尽可能延长使用寿命，又要确保在胶带发生破断之前及时地更换下来。但由于胶带结构的复杂性，工作环境的多样性，检测方法的局限性，使得胶带缺陷检测非常困难。目前为止，几乎没有一种检测方法或仪器装置完全满足实际检测的使用要求。因而研制先进的矿井胶带应变传感实时监控系统具有重大的社会经济意义。

一、项目简介

随着煤炭行业的全面发展，煤炭企业普遍要求提高设备技术水平和增产增效，胶带运输机是煤矿井下提高产量和效益的关键设备。目前关于应变传感装置在胶带撕裂过程中的应用还尚未见报。当前对传感器动态特性的研究方兴未艾，虽然理论还没有形成成熟的体系，许多问题有待深入探讨。但是，目前己经出现了许多方法，取得了一些可喜的成果。随着动态测量应用领域的不断拓展，传感器动态特性研究己经成为未来发展的趋势，有着广阔的前景。就力值计量领域而言，动态力测量与校准己成为各国计量院研究的重点和热点，是力值计量发展的主要研究方向之一。虽然目前专门针对应变式力传感器动态特性的研究还不多，但是依然可以根据普遍采用的传感器动态特性研究方法对其进行研究。

本项目可以有效地检测胶带运输机运行过程中由于胶带撕裂所产生的形变、位移等现象，从而极大地提高了胶带机运行的安全性和可靠性，为矿井胶带机的可靠、安全运行奠定基础。

二、技术说明与研发计划

根据成熟技术，使用新技术，进行精细设计，减小风险的原则，制定了开发设计技术路线和实施技术路线：现场调研提出总体设计方案完成设备的研制与生产完成监测系统软件完成成套装置的组装及系统联调成型试验用户试用总结改进完善技术资料项目验收

开发设计和实施技术路线各阶段的具体内容如下：

（一）前期调研：这个阶段主要是了解该领域的国内外发展状况，汲取相关经验，在此前研究成果的基础上采用新的应变传感技术及设备来优化系统，使其具备更高的使用价值，能够在较为广泛的领域中得到应用。这一时期的主要工作分为查阅研究和市场调研两方面，查阅研究主要是利用学校图书馆网站丰富的数据库资源，调查分析国内外相关研究现状；市场调研主要是根据搜集到的信息技术，考察这一领域现有产品的优缺点，根据系统的具体需求确定方案，挑选最适合的应变技术和传感设备。

（二）硬件研究与电路设计：该阶段需要使用之前挑选的应变传感装置、来完成信号调理电路、串口与网络模块之间的通信电路和电路的设计，搭建应变传感测量系统的硬件平台，并对系统进行运行测试及参数配置测试。

（三）编程与软件设计：该阶段需要编程设置控制系统，实现其内部A/D转换及串口通信等相关功能，同时搭建平台来实现信号的显示、数据计算功能。

（四）实验测试及分析：硬件搭建成功、软件编译通过后，需要将两部分整合在一起进行实验测试。验证A/D转换是否成功，串口能否正常通信，无线通信是否可以实现信号准确传输，传输过程中有无误码等，之后用模拟信号验证整个测量系统的运行状况并记录实验数据，对系统进行标定。

（五）系统装置研制：在完成应变传感装置的工艺设计后，进行系统装置的安装、系统初步调试。

（六）工业性试验：在东滩煤矿实施检测系统的安装，并在实际生产中检验其性能，并根据试验的情况，对系统进行必要的改进、调整。

（七）系统验收：工业性试验成功后，申请验收。

三、系统设计

胶带撕裂特征对胶带检测方案的研究有着重要意义，可以通过胶带内部表现出来的应变应力等物理量的动态变化与传递情况、胶带撕裂前后的受力特征设计定胶带撕裂检测装置。

前期完成方案设计，确定购买设备、部件的厂商，完成全部的系统电原理图设计图纸；根据根据《煤矿安全规程》、《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》和《技术开发合同》所要求的技术指标，系统原理框图如下图1所示：

图1 系统原理框图

（一）胶带撕裂检测方案应用

1、胶带撕裂检测装置的结构的设计

该胶带撕裂检测装置主要由信号检测单元（包括靠轮单元和传感器单元）、信号处理与分析单元（智能诊断、控制用数字多功能分析单元）和数字显示、报警、控制单元（包括数字预、报警单元和预留控制触点）组成，另外还包括电源供给、辅助参数设置、修改单元及其它辅助仪表单元。

2、胶带撕裂检测装置的主要应用设计分析

（1）智能诊断控制数字多功能分析

多功能数字分析可以将传感器输入的近似正弦波的频率信号，加以放大、整形、测频、分析、判断然后乘以预先设定的系数，将传感器测出的位移变化进行数字化处理，直接对胶带的位移及受力分析进行数字显示并输出（4-20）mA模拟标准信号给下级仪表使用。仪表面板的数据设置按键采用轻触式触点输入，并植入在矿用PLC控制箱内，完全克服了接触开关易氧化而造成接触不良、数据丢失等缺点。仪表采用了大规模集成电路，因此仪表的集成度高，可靠性好，抗干扰性能强。

（2）数字显示报警功能

数字显示调节报警功能与其它电动单元组合仪表配合使用，仪表对输入的信号（4-20）mA DC转换成电压信号并进行线性补偿，经线性补偿后的毫伏信号送入AD转换器，经A/D换后，将数字量送入PLC控制器，并进行数字显示。系统可随意调节报警参量，由比较器将实测值与设定值进行比较。比较器比较出信号再经PLC处理辨识后驱动继电器工作。

（二）应变传感监测系统的方案设计

1、应变传感器：应变电测技术是测量弹性元件的负荷、扭矩、加速度、位移等方法中应用最广泛和适用性最强的方法之一。它采用电阻应变片作为敏感元件，依据电阻随机械构件应变而变化的关系，把力的变化转换成与之成比例的电阻的变化，然后利用测量电路将电阻的变化转换为电压的变化，最后由数据处理模块对采集到的信号进行处理并记录下来。应变电测技术所使用的电阻应变计与相应的测量设备和电路可以组成各种测量系统，测量应力、压力、称重、加速度，扭矩等。目前电阻应变计是国内外应用数量最多的敏感元件之一。本系统就选用箔式应变片作为敏感元件进行应力应变测量。

应变传感器的结构示意图如图6所示。其弹性敏感元件（弹性体）一般为可以承受较大载荷的实心体，在弹性范围内应力与应变成正比关系。为了提高传感器的灵敏度，应当减小载荷的实心体的横截面面积。但是横截面面积减小，传感器抗弯能力也减弱，对横向干扰力的测量灵敏程度增加。为了解决这一矛盾，在测量小集中力时，弹性体可以采用镂空设计。相对于载荷的实心体，镂空在同样横截面情况下，横向刚度大，横向稳定性好。

2、靠轮机构：主要由靠轮、应变传感器、靠轮支架、固定座等部件组成（图3）。靠轮主要由轴、轴承、滚轮、带传感器的靠轮支架（密闭式）和系统组成。靠轮安装在靠轮支架上，应变传感器安装联动在靠轮支架。靠轮支架一端安装靠轮，另一端固定在固定座上，靠轮支架带着靠轮可上、下、绕绞联摆动，在靠轮摆动作用下，使靠轮紧紧地被压在胶带非工作面上。

靠轮机构主要性能指标：最高转速：400转/分，工作方式：连续，温升：≤15℃，使用寿命：>2年，传感器与靠轮间的安装间隙：0.5mm

3、系统硬件结构：本系统的基本硬件结构框图如下图4所示。图中线框内部分为本系统的组成部分（其他部分为系统的配套部分）。该模块负责采集力传感器的输入和输出信号，数据采集模块的结构如图4所示。由于研究中所采集的信号为撕裂速度、撕裂力和冲击力。其中冲击力的作用时间非常短，这就要求数据采集系统的硬件具备相应的采样频率。测试系统硬件的选择决定着实验结果的准确性、可靠性。

撕裂力、冲击力通过拉、压式传感器将应变信号转换变成模拟信号（电压信号），经过放大器进行信号放大，通过采样保持器，A/D转换把相应的数字信号送到采集单元。为了保证采集频率，数据不经过处理直接保存到外部存储芯片，采集单元将保存的数据进行处理后再保存到外部存储器，需要数据时从存储芯片读取数据通过通讯口与计算机进行数据交换。由于记录测量的撕裂力、撕裂方向以及撕裂速度信号都是通过传感器把信号变成电信号进行采集，因此传感器的硬件参数对冲击数据采集系统测试精度影响很大。

4、通讯网络设计：矿井胶带应变传感实时监控系统通讯连接共分为两大部分：一是单个应变采集节点部分，该部分中主要包含应变信号采集模块和通讯模块。应变信号采集模块由应变电桥电路、仪表放大器、低通滤波器等构成；二是监控中心，此部分由光纤传输，由单片机、光电接收模块以及上位机构成。

其中的主要技术关键为矿井胶带应变传感实时监控系统的数据采集部分。在本系统中，应变测量电桥检测的应变信号经过仪表放大器和低通滤波器后进入微转换器内置的AD转换器，经A/D变换后，将模拟信号转变为数字信号，并通过通讯接口将数据信号传送给通讯模块，然后该模块将信号发送出去；同时在监控中心接收模块接收传送过来的信号，经串口上传至上位机进行处理和存储。如图5所示为单个应变采集节点和监控中心的连接方式设计框图。

5、对系统人机显示操作界面的选择：在系统中，对应变传感检测的数据信息需要以清晰、明确的形式提供给操作人员，并在检测到报警信息时能以声光报警方式输出，以提醒操作人员注意。另外，系统操作人员还要对系统运行过程中的应变数据等信息的报警设置报警阈值，对系统检测传感器数据信息进行数据补偿设置等，需要为系统配置参数输入设备，为此选用工控机作为人机显示操作界面。

6、系统主要技术指标：系统实现对胶带运输机电机胶带撕裂参数进行检测，共设置两检测测点，各测点传感器主要技术指标：输送机胶带宽度：800～2000mm，带速：0-10m/s，能获取准确有效的应变感应信号，刷新速度：10 次/sec，工作温度范围：0～50℃，工作方式：连续，工作环境湿度：≤90﹪，电源：127V AC，电源消耗：≤50W。

四、系统的安装与实验

系统的安装严格按照有关标准进行。系统的电源配线：本系统仅使用127V交流电，将电源线以及地线牢固接在原理图指定的端子位置上。传感器信号线：将传感器信号线按照原理图的要求连接在指定端子位置。并且，在安装过程中需要将传感器线的敷设应远离电源线。

在接线时还注意以下几点：按照接线图中规定的线径配用导线；使用屏蔽导线连接传感器与检测单元，将屏蔽线的屏蔽端牢固接地；将可编程控制箱、PLC、电源及检测单元的PE端牢固接地。

五、推广应用情况

“矿井胶带应变传感实时监控系统”项目实施后，通过计算机可直观的分析和发现胶带的应力变化，避免了人工检测时因人为疏忽而出现的漏检的现象，降低了现场人员的劳动强度；减少了因不确定胶带损伤程度而人为停机检查的次数，降低了因频繁启动对设备和胶带而造成的损伤。提高了东滩煤矿胶带机自动检测的水平，对安全高效生产具有实际意义。

作者简介：

司宁（1983.05—），男，汉族，山东邹城市人，本科，技术员，助理工程师，研究方向：煤矿机电。