專利名稱：提升機天輪應力檢測方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測方法與裝置，特別是一種適用于提升機運行狀態(tài)監(jiān)測的提升
機天輪應力檢測方法與裝置。
背景技術(shù)：
目前，對提升機運行狀態(tài)的監(jiān)測可以通過對提升鋼絲繩張力的檢測來實現(xiàn)。提升 鋼絲繩張力的檢測方法包括直接檢測法與間接檢測法。直接檢測法是在提升容器頂端安裝 鋼絲繩張力檢測裝置，該裝置由傳感器、信號采集模塊、無線發(fā)射模塊和蓄電池構(gòu)成。檢測 的鋼絲繩張力信號通過無線發(fā)射模塊發(fā)送，由井口的接收模塊接收后進行數(shù)據(jù)處理得到鋼 絲繩張力。檢測鋼絲繩張力的傳感器主要有以下三種拉力傳感器，串聯(lián)在提升鋼絲繩與提 升容器之間；三點式鋼絲繩張力傳感器；油壓傳感器，適用于提升容器與鋼絲繩之間有液 壓平衡裝置的多繩摩擦提升機。這種方法主要存在四點缺陷無線通信在井筒中的傳輸距 離短，當井筒深度超過500米，無法實現(xiàn)可靠的通信；蓄電池需要定期更換，維護不便；傳感 器安裝維護不便；拉力傳感器靈敏度低，張力傳感器會加劇鋼絲繩的疲勞磨損，油壓傳感器 只適用于提升容器與鋼絲繩之間有液壓平衡裝置的場合。間接檢測法是在天輪的軸承底座 上安裝測力傳感器來檢測鋼絲繩張力。該方法要求測力傳感器具有結(jié)構(gòu)適用性、功能適用 性、長期穩(wěn)定性和高可靠性，造成傳感器研制困難、成本很高，而且很難安裝，當傳感器毀壞 時也很難及時更換。 根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，目前通過提升鋼絲繩張力的檢測來反映提升機運行狀態(tài) 的方法主要存在以下缺陷傳感器安裝不便，檢測系統(tǒng)維護困難；檢測系統(tǒng)應用具有一定 的局限性，不能應用于深井檢測；蓄電池供電的方案需要定期更換電池，維護不便；現(xiàn)有傳 感器存在成本高、靈敏度低、對鋼絲繩有損害等問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是要提供一種檢測方法及結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強，可靠性 高，維護方便、能夠用于深井檢測、成本低、靈敏度高、對鋼絲繩無損害的提升機天輪應力檢 測方法與裝置。 本發(fā)明的提升機天輪應力檢測方法系統(tǒng)初始化，設(shè)定采樣頻率，設(shè)定時鐘同步， 按照設(shè)定的采樣頻率分別啟動多個應力無線傳感器節(jié)點，多個應力無線傳感器節(jié)點將收集 的信息發(fā)送到無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器對接收到應力無線傳感器節(jié) 點的信息預處理，然后通過RS-232接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機，工控機將接收的應力無線傳 感器節(jié)點信息分析處理得到提升機天輪的應力數(shù)據(jù)。 實現(xiàn)提升機天輪應力檢測方法的裝置，包括設(shè)在提升機天輪上的多個應力無線傳 感器節(jié)點，提升機天輪的天輪支架上設(shè)有接收應力無線傳感器節(jié)點信號的無線傳感器網(wǎng)絡 協(xié)調(diào)器，無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器經(jīng)RS-232總線連接工控機。 所述的多個應力無線傳感器節(jié)點均勻布置在提升機天輪輪緣或輪輻上。
所述的應力無線傳感器節(jié)點包括應變橋路模塊、前置放大模塊、低通濾波模塊、系 統(tǒng)級芯片CC2430、復位電路、電壓參考電路、編程和擴展接口、鋰電池、模擬電源、隔離器和 射頻電源，應變橋路模塊順序連接前置放大模塊和低通濾波模塊，低通濾波模塊連接系統(tǒng) 級芯片CC2430，系統(tǒng)級芯片CC2430分別連接有復位電路、電壓參考電路和編程及擴展接 口，鋰電池順序連接模擬電源、隔離器和射頻電源，模擬電源分別連接應變橋路模塊、前置 放大模塊和低通濾波模塊，射頻電源連接系統(tǒng)級芯片CC2430、復位電路和電壓參考電路。
所述的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器包括系統(tǒng)級芯片CC2430、外部擴展存儲器、復位電 路、RS-232擴展口、編程及擴展接口、 AC-DC開關(guān)電源模塊和低壓差線性穩(wěn)壓器MAX16999， 系統(tǒng)級芯片CC2430分別連接有外部擴展存儲器、復位電路、RS-232擴展口和編程及擴展接 口，與交流電連接的AC-DC開關(guān)電源模塊輸出端連接低壓差線性穩(wěn)壓器MAX16999，低壓差 線性穩(wěn)壓器MAX16999的輸出端分別連接外部擴展存儲器、復位電路、RS-232擴展口和系統(tǒng) 級芯片CC2430。
有益效果 (1)基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，通過設(shè)計應力無線傳感器節(jié)點和無線傳感器網(wǎng)絡 協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)了對提升機天輪的應力檢測； (2)將提升機天輪應力場的檢測裝置設(shè)在天輪上，不會給提升系統(tǒng)帶來任何安全 隱患，安全可靠； (3)基于ZigBee協(xié)議開發(fā)的應力無線傳感器節(jié)點和無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，具有 很高通信可靠性，系統(tǒng)響應快速，功耗低； (4)傳感器節(jié)點具有低電量檢測功能，當傳感器節(jié)點電池電壓低于2. 5V時可以自 動報警。 (5)方法及結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強，可靠性高，安裝、維護方便、成本低、靈敏度高、能 夠用于深井檢測。


圖1是本發(fā)明的一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的另一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的應力無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)原理圖，
圖4是本發(fā)明的應力無線傳感器節(jié)點電路圖，
圖5是本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)原理圖，
圖6是本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器電路圖，
圖7是本發(fā)明的檢測方法流程示意圖， 圖中l(wèi)-天輪，2-應力無線傳感器節(jié)點，3-天輪支架，4-無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器， 5-RS-232總線，6-工控機，7-操作臺。
具體實施例方式
實施例一、圖1所示，提升機天輪應力檢測裝置主要由6個應力無線傳感器節(jié)點 2、無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4、 RS-232總線5、工控機6和操作臺7構(gòu)成。6個應力無線傳感 器節(jié)點2均勻固定在提升機天輪1位于相鄰兩個輪輻中間的輪緣上，用于獲取天輪的應力信息。根據(jù)現(xiàn)場實際需要，應力無線傳感器節(jié)點2可達增加至12個。每個應力無線傳感 器節(jié)點2包括應變橋路模塊、前置放大模塊、低通濾波模塊、系統(tǒng)級芯片CC2430、復位電路、 電壓參考電路、編程和擴展接口、鋰電池、模擬電源、隔離器和射頻電源，應變橋路模塊順 序連接前置放大模塊和低通濾波模塊，低通濾波模塊連接系統(tǒng)級芯片CC2430，系統(tǒng)級芯片 CC2430連接有復位電路、電壓參考電路和編程及擴展接口 ，鋰電池順序連接模擬電源、隔離 器和射頻電源，模擬電源連接應變橋模塊、前置放大模塊和低通濾波模塊，射頻電源連接系 統(tǒng)級芯片CC2430、復位電路和電壓參考電路。在支撐提升機天輪1的天輪支架3上設(shè)置無 線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4，用來接收應力無線傳感器節(jié)點2采集的數(shù)據(jù)并對應力無線傳感器 節(jié)點2的狀態(tài)進行監(jiān)測和控制。無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4包括系統(tǒng)級芯片CC2430、外部 擴展存儲器、復位電路、RS-232擴展口、編程及擴展接口、 AC-DC開關(guān)電源模塊和低壓差線 性穩(wěn)壓器MAX16999，系統(tǒng)級芯片CC2430分別連接有外部擴展存儲器、復位電路、RS-232擴 展口和編程及擴展接口 ，與交流電連接的AC-DC開關(guān)電源模塊輸出端連接低壓差線性穩(wěn)壓 器MAX16999，低壓差線性穩(wěn)壓器MAX16999的輸出端分別連接外部擴展存儲器、復位電路、 RS-232擴展口和系統(tǒng)級芯片CC2430。無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4經(jīng)RS-232總線5連接工控 機6。無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4將接收到的應力無線傳感器節(jié)點2采集的數(shù)據(jù)預處理后通 過RS-232總線5發(fā)送給工控機6。工控機6將接收的數(shù)據(jù)進行處理得到提升機天輪應力并 存儲。所述的工控機6采用研華高性能工控機。 實施例二、圖2所示，天輪應力檢測裝置結(jié)構(gòu)與圖1相同，不同點在于6個應力無 線傳感器節(jié)點2固定在天輪1的輪輻上，其余連接關(guān)系與圖1相同，略。
在圖3中，應力無線傳感器節(jié)點2由電源電路、應變橋路、信號調(diào)理電路、支持 ZigBee協(xié)議的系統(tǒng)級芯片CC2430模塊及相關(guān)外圍電路構(gòu)成。電源電路包括一塊3. 6V鋰 電池、低壓差線性穩(wěn)壓器和n型LC電源去耦隔離器。應變橋路采用半橋接法，四個工作臂 分別由一個應變片、一個溫度補償片和內(nèi)置在節(jié)點中的兩個精密電阻組成。信號調(diào)理電路 由前置放大和低通濾波電路構(gòu)成。系統(tǒng)級芯片CC2430模塊包括CC2430芯片、天線、晶振電 路及少量的濾波電容、非平衡變壓器等元件。模塊外圍電路包括復位電路、參考電壓模塊及 編程和擴展接口。鋰電池輸出的3. 6V的電壓信號，經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器MAX16999后，輸 出3. 3V穩(wěn)定電壓，構(gòu)成了供橋電源，為應變橋路、前置放大和低通濾波電路提供電源電壓。 為抑制低頻直流測量中的主要噪聲源1/f噪聲，選用具有自穩(wěn)零、低失調(diào)、低漂移和高共模 抑制比特性的AD8553精密放大器。同時，采用二階巴特沃斯低通濾波器，以減小電路中射 頻、數(shù)字等高頻信號對應力信號的影響。調(diào)理后的應力信號接入CC2430內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn) 換器，并由REF193構(gòu)成的參考電壓模塊為A/D轉(zhuǎn)換提供3V基準電壓，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存入 CC2430內(nèi)部存儲器。為避免CC2430中高功率高頻信號對供橋電源的影響，將供橋電源經(jīng) LC隔離后為CC2430及其外圍電路供電。擴展接口為節(jié)點檢測其他信號以及存儲等功能的 擴展提供方便。 在圖4中，Pl為應變片和補償片接口， Rl和R2精密電阻為內(nèi)置在節(jié)點中的橋臂， 電位器R4為橋路實現(xiàn)硬件調(diào)零。放大器AD8553的放大倍數(shù)可以由電位器R9調(diào)定，其輸出 端與二階低通濾波器的電阻R10相連。二階低通濾波器由阻容元件RIO、 Rll、 C4、 C5和運 算放大器0PA350組成，能夠濾除100Hz以上的信號，輸出信號與CC2430模塊的ADC輸入端 口"P0.0"相連。P2為電池電源輸入口，采用二極管D1對地反接在電源端，起到防止電池接反損害電路元件的作用，通過開關(guān)S1與MAX16999的輸入端口"IN"相連。利用MAX 16999 的復位引腳"RST"與CC2430模塊的"RST"引腳相連，為電路提供復位信號，節(jié)省了電路板 空間;其使能"EN"引腳與CC2430模塊的"Pl. 0"引腳相連，休眠模式下可由"Pl. 0"引腳控 制MAX16999進入低電量狀態(tài)，降低節(jié)點功耗；MAX16999輸出引腳"0UT"與去耦電容C9相 連，并與模擬電源端口"VCC1"相連。型LC電源去耦隔離器由L1、C10和C11組成，其輸 入端與C9相連，輸出端與射頻電源"VCC2"的供電端口相連。R12、 C13和C14構(gòu)成電源紋 波通路，可以進一步減小電源紋波。電壓參考芯片REF193為CC2430模塊提供3V外部參考 電壓，其電壓輸出引腳"0UT"與CC2430模塊的外部參考電壓輸入端"P0. 7"相連。P3和P4 為CC2430?！姥虢涌?，與CC2430模土央的"PO. 0—P0. 7"、"P1. 0—P1. 7"、"VCC2"禾P"RST"端口相 連;P5為編程口 ，與CC2430模塊的編程口 "P2. 1"和"P2. 2"端口相連;P6和P7為擴展接 口，與P3和P4 口相同。 在圖5中，無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4不需要檢測應力信息，因此，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計中 沒有應變橋路與信號調(diào)理電路。由于無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4處于實時工作狀態(tài)，能耗較 大，采用交流電為其供電。220V交流電源經(jīng)AC-DC開關(guān)電源模塊A0C_5S轉(zhuǎn)換成5V直流電 壓，然后由低壓差線性穩(wěn)壓器MAX16999為CC2430模塊及外圍電路提供穩(wěn)定的3. 3V電壓。 由于CC2430的存儲量有限，為協(xié)調(diào)器外擴容量為512kB的FLASH存儲器AT45DB041。采用 MAX3243芯片完成電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與工控機的RS-232通訊。 在圖6中，Pl為交流電源輸入口，經(jīng)過開關(guān)S1后與A0C—5S的交流輸入端口"AC— N"和"AC—L"相連。A0C_5S的輸出端"+Vo"與MAX16999的輸入端"IN"相連，MAX16999輸 出端"OUT"與去耦電容C2相連，為協(xié)調(diào)器提供3. 3V電壓。P2和P3為CC2430模塊接口 ， P4為編程口 ， P5和P6為擴展接口 ，均與節(jié)點電路中的連接端口相同。MAX3243的"R0UT1 "、 "DIN1"、"DIN2"禾口"R0UT2"端口分別與CC2430模土央的"PO. 2-P0. 5"端口相連，其"D0UT1"、 "D0UT2"、"RIN1"和"RIN2"端口分別與9針RS-232接口 P7的"232—TX"、"232—CT"、"232— RX"和"232—RT"端口相連。AT45DB041芯片的串行接口 "CS"、"SCK"、"SI"和"SO"分別與 CC2430模塊的"Pl. 4-P1. 7"端口相連，用以完成數(shù)據(jù)存儲和讀取操作。
圖7所示，本發(fā)明提升機天輪應力檢測方法，在提升機天輪1上均勻布置多個個應 力無線傳感器節(jié)點2，在支撐提升機天輪1的天輪支架3上固定有無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器 4，通過RS-232總線5分別連接無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4與工控機6，首先對系統(tǒng)進行初始 化，然后設(shè)定采樣頻率、設(shè)定時鐘同步，按照設(shè)定的采樣頻率啟動多個應力無線傳感器節(jié)點 2，多個應力無線傳感器節(jié)2點將收集的信息發(fā)送到無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4，無線傳感器 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4對接收到的多個應力無線傳感器節(jié)點2的信息預處理，然后通過RS-232總線 5將數(shù)據(jù)發(fā)送給設(shè)在操作臺7上的工控機6，工控機6將接收的應力無線傳感器節(jié)點2信息 分析處理得到提升機天輪1的應力數(shù)據(jù)。具體檢測方法如下 a)將多個應力無線傳感器節(jié)點2在提升機天輪1上固定，在天輪支架3上固定無 線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4，并通過RS-232總線連接無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4與工控機6 ;
b)打開所有應力無線傳感器節(jié)點2和無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4，各節(jié)點上電，并對 所有應力無線傳感器節(jié)點2的應變橋路進行調(diào)零，使得節(jié)點工作特性保持一致；
c)所有應力無線傳感器節(jié)點2與無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4完成組網(wǎng)，設(shè)定系統(tǒng)的 采樣頻率為10Hz ;
d)無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4廣播時鐘信息至各個應力無線傳感器節(jié)點2，應力無 線傳感器節(jié)點2以無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4時鐘作為參考標準設(shè)定節(jié)點之間時鐘同步；
e)所有應力無線傳感器節(jié)點2利用內(nèi)部睡眠定時器每隔0. 1秒喚醒一次，采集天 輪1的應力數(shù)據(jù)，將采集到的應力數(shù)據(jù)和自身節(jié)點信息發(fā)送給無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4，無 線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4接收信息，并將接收的數(shù)據(jù)預處理后通過RS-232總線5發(fā)送給設(shè)在 操作臺7上的工控機6 ; f)工控機6將接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到提升機天輪1的應力數(shù)據(jù)并存儲 入工控機6的數(shù)據(jù)庫內(nèi)； g)當提升機完成一個提升循環(huán)處于停機狀態(tài)時，無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器4再次廣 播時鐘信息，對所有應力無線傳感器節(jié)點2進行時鐘同步，防止各節(jié)點時鐘誤差的累積，保 證節(jié)點之間同步工作。
權(quán)利要求
一種提升機天輪應力檢測方法，其特征在于系統(tǒng)初始化，設(shè)定采樣頻率，設(shè)定時鐘同步，按照設(shè)定的采樣頻率分別啟動多個應力無線傳感器節(jié)點(2)，多個應力無線傳感器節(jié)點(2)將收集的信息發(fā)送到無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(4)，無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(4)對接收到應力無線傳感器節(jié)點的信息預處理，然后通過RS-232接口(5)將數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(6)，工控機將接收的應力無線傳感器節(jié)點信息分析處理得到提升機天輪(1)的應力數(shù)據(jù)。
2. —種實現(xiàn)提升機天輪應力檢測方法的裝置，其特征在于它包括設(shè)在提升機天輪 (1)上的多個應力無線傳感器節(jié)點(2)，提升機天輪(1)的天輪支架(3)上設(shè)有接收應力 無線傳感器節(jié)點(2)信號的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(4)，無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(4)經(jīng) RS-232總線(5)連接工控機(6)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的提升機天輪應力檢測裝置，其特征在于所述的多個應力無 線傳感器節(jié)點(2)均勻布置在提升機天輪(1)輪緣或輪輻上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的提升機天輪應力檢測裝置，其特征在于所述的應力無線傳 感器節(jié)點(2)包括應變橋路模塊、前置放大模塊、低通濾波模塊、系統(tǒng)級芯片CC2430、復位 電路、電壓參考電路、編程和擴展接口、鋰電池、模擬電源、隔離器和射頻電源，應變橋路模 塊順序連接前置放大模塊和低通濾波模塊，低通濾波模塊連接系統(tǒng)級芯片CC2430，系統(tǒng)級 芯片CC2430分別連接復位電路、電壓參考電路和編程和擴展接口，鋰電池順序連接模擬電 源、隔離器和射頻電源，模擬電源分別連接應變橋模塊、前置放大模塊和低通濾波模塊，射 頻電源連接系統(tǒng)級芯片CC2430、復位電路和電壓參考電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的提升機天輪應力檢測裝置，其特征在于所述的無線傳感器 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(4)包括系統(tǒng)級芯片CC2430、外部擴展存儲器、復位電路、RS-232擴展口、編程 及擴展接口、 AC-DC開關(guān)電源模塊和低壓差線性穩(wěn)壓器MAX16999，系統(tǒng)級芯片CC2430分 別連接有外部擴展存儲器、復位電路、RS-232擴展口和編程及擴展接口，與交流電連接的 AC-DC開關(guān)電源模塊輸出端連接低壓差線性穩(wěn)壓器MAX16999，低壓差線性穩(wěn)壓器MAX16999 的輸出端分別連接外部擴展存儲器、復位電路、RS-232擴展口和系統(tǒng)級芯片CC2430。
全文摘要
一種提升機天輪應力檢測方法與裝置，在提升機天輪上固定應力無線傳感器節(jié)點，在天輪支架上固定無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，并用RS-232總線連接無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與工控機，對系統(tǒng)初始化，設(shè)定采樣頻率，設(shè)定時鐘同步，按照設(shè)定的采樣頻率啟動應力無線傳感器節(jié)點，應力無線傳感器節(jié)點將收集的信息發(fā)送到無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器對接收到應力無線傳感器節(jié)點的信息預處理，然后通過RS-232總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給設(shè)在操作臺上的工控機，工控機將接收的應力無線傳感器節(jié)點信息分析處理得到提升機天輪的應力數(shù)據(jù)。其方法及結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性強，可靠性高，安裝、維護方便、成本低、靈敏度高、能夠用于深井檢測。
文檔編號G01L1/22GK101710008SQ200910253508
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者周公博, 曹國華, 朱真才, 李中凱, 李偉, 王穎, 訾斌, 邵杏國, 陳光柱, 陳國安, 韓振鐸 申請人:中國礦業(yè)大學;徐州中礦提升安全設(shè)備有限公司