專利名稱：提升機滾筒應力場檢測方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種滾筒應力場的檢測方法與裝置，特別是一種提升機滾筒應力場檢測方 法與裝置。
背景技術：
目前，對提升機運行狀態的監測都是通過對提升鋼絲繩張力的檢測來實現的。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、無線發射模塊和蓄電池構成。檢測 的鋼絲繩張力信號通過無線發射模塊發送，由井口的接收模塊接收后進行數據處理得到鋼 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構適用性、功 能適用性、長期穩定性和高可靠性。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。
根據以上分析可以發現，目前通過提升鋼絲繩張力的檢測來反映提升機運行狀態的方 法主要存在以下缺陷傳感器安裝不便，檢測系統維護困難；檢測系統應用具有一定的局 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；現有傳感 器存在成本高、靈敏度低、對鋼絲繩有損害等問題。
發明內容
本發明的目的是要提供一種檢測系統維護方便、能夠應用于深井檢測、且傳感器成本 低、靈敏度高、對鋼絲繩無損害的提升機滾筒應力場檢測方法與裝置。
本發明的目的是這樣實現的，本發明的裝置包括提升機滾筒、制動閘座、應力無線傳 感器節點、錨節點、匯聚節點、USB接口和工控機，制動閘座位于提升機滾筒的外側，應 力無線傳感器節點固定在提升機滾筒上，錨節點固定在制動閘座上，匯聚節點固定在提升 機操作臺外殼上，匯聚節點通過USB接口與工控機相連。
所述的應力無線傳感器節點由應變片、信號調理電路、MCU微控芯片、UWB無線收 發芯片、FLASH擴展存儲器、USB接口電路、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成，應 變片與信號調理電路連接，MCU微控芯片的輸出端與、UWB無線收發芯片、FLASH擴 展存儲器和USB接口電路連接，UWB無線收發芯片的輸出端與PCB天線連接，時鐘芯 片與MCU微控芯片連接，電源模塊與信號調理電路、MCU微控芯片、UWB無線收發芯片和時鐘芯片連接。
所述的錨節點和匯聚節點均由MCU微控芯片、UWB無線收發芯片、FLASH擴展存 儲器、USB接口電路、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成，MCU微控芯片的輸出端與 UWB無線收發芯片、FLASH擴展存儲器和USB接口電路連接，時鐘芯片與MCU微控芯 片連接，UWB無線收發芯片與PCB天線連接，電源模塊與MCU微控芯片、UWB無線 收發芯片和時鐘芯片連接。
提升機滾筒應力場的檢測方法是設定采樣頻率，設定時鐘同步，按照設定的采樣頻 率分別觸發應力無線傳感器節點、錨節點和匯聚節點，應力無線傳感器節點和錨節點將收 集的信息發送到匯聚節點，匯聚節點對接收到應力無線傳感器節點和錨節點的信息預處 理，然后通過USB接口將數據發送給工控機，工控機將接收的無線傳感器節點和錨節點 的位置信息分析處理得到滾筒應力場狀態。
有益效果由于采用了上述方案，通過多個無線傳感器節點收集提升機滾筒應力信息， 將傳感器節點收集的應力信息進行數據融合得到提升機滾筒的應力場狀態；使得檢測系統 維護方便、能夠應用于深井檢測、且傳感器成本低、靈敏度高、對鋼絲繩無損害，達到了 本發明的目的。
優點該提升機滾筒應力場的檢測方法與裝置不會給提升系統帶來任何安全隱患，安 全可靠；采用UWB超寬帶無線通信技術，具有很高的通信速率和通信可靠性，系統響應 快速；傳感器節點工作條件好，安裝維護方便；無線傳感器節點采用低功耗設計，兩節 AA電池即可使用一年，解決了電源供電問題；傳感器節點具有自診斷功能，當傳感器節 點毀壞或電池耗盡時可以通知維護人員及時更換。
圖1是本發明的系統組成原理圖， 圖2是本發明的應力無線傳感器節點結構原理圖， 圖3是本發明的錨節點與匯聚節點結構原理圖， 圖4是本發明的檢測方法流程示意圖，
圖中1、應力無線傳感器節點；2、錨節點；3、匯聚節點；4、 USB總線；5、工控機。
具體實施例方式
實施例1:本發明的裝置包括提升機滾筒、制動閘座、應力無線傳感器節點1、錨節 點2、匯聚節點3、 USB接口4和工控機5，制動閘座位于提升機滾筒的外側，應力無線 傳感器節點固定在提升機滾筒上，錨節點固定在制動閘座上，匯聚節點固定在提升機操作 臺外殼上，匯聚節點通過USB接口與工控機相連。
所述的應力無線傳感器節點由應變片、信號調理電路、MCU微控芯片、UWB無線收 發芯片、FLASH擴展存儲器、USB接口電路、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成，應 變片與信號調理電路連接，MCU微控芯片的輸出端與、UWB無線收發芯片、FLASH擴 展存儲器和USB接口電路連接，UWB無線收發芯片的輸出端與PCB天線連接，時鐘芯 片與MCU微控芯片連接，電源模塊與信號調理電路、MCU微控芯片、UWB無線收發芯片和時鐘芯片連接。
所述的錨節點和匯聚節點均由MCU微控芯片、UWB無線收發芯片、FLASH擴展存 儲器、USB接口電路、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成，MCU微控芯片的輸出端與 UWB無線收發芯片、FLASH擴展存儲器和USB接口電路連接，時鐘芯片與MCU微控芯 片連接，UWB無線收發芯片與PCB天線連接，電源模塊與MCU微控芯片、UWB無線 收發芯片和時鐘芯片連接。
提升機滾筒應力場的檢測方法是設定采樣頻率，設定時鐘同步，按照設定的釆樣頻 率分別觸發應力無線傳感器節點、錨節點和匯聚節點，應力無線傳感器節點和錨節點將收 集的信息發送到匯聚節點，匯聚節點對接收到應力無線傳感器節點和錨節點的信息預處 理，然后通過USB接口將數據發送給工控機，工控機將接收的無線傳感器節點和錨節點 的位置信息分析處理得到滾筒應力場狀態。
具體檢測方法是將三十六個應力無線傳感器節點均勻固定在提升機滾筒的邊緣，用于 檢測滾筒的應力；在提升機的制動閘座上固定三個錨節點，用來定位應力無線傳感器節點 的位置；在提升機操作臺外殼上固定一個匯聚節點，用于接收應力無線傳感器節點與錨節 點發送的應力數據與節點位置數據并預處理，之后通過USB接口將數據發送給工控機； 工控機將接收的應力、節點位置信息分析處理得到滾筒應力場狀態。
在圖1中，提升機惡性故障在線檢測裝置由三十六個應力無線傳感器節點1、三個錨 節點2、 一個匯聚節點3、 一條USB總線4和一臺工控機5組成。用強力膠將三十六個應 力無線傳感器節點1均勻固定在提升機滾筒的邊緣，傳感器節點從1#到36#按照逆時針順 序分布，用來獲得滾筒邊緣的應力信息。根據無線傳感器網絡中的"三角形定位原理"， 將三個錨節點2用強力膠固定在制動閘座上，三個錨節點構成三角形，用來定位1#應力 無線傳感器節點的位置信息。當1#應力無線傳感器節點的位置確定后，其它傳感器節點 的位置也就確定下來。用強力膠將匯聚節點3固定在操作臺的外殼上，用來接收三十六個 應力無線傳感器節點1與三個錨節點2發送的數據，預處理后通過USB接口總線發送給 工控機5。工控機5將接收的數據進行處理得到滾筒邊緣應力場的狀態。所述的工控機采 用研華高性能工控機。
在圖2中，應力無線傳感器節點由應變片、信號調理電路、MCU微控芯片、UWB無 線收發芯片、FLASH擴展存儲器、USB接口電路、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成。 應變片由四片構成，其中兩片用于檢測周向與徑向應變，另兩個用于溫度補償，四個應變 片構成全橋電路。信號調理電路由濾波放大電路構成，將全橋電路輸出的電壓信號轉換成 0-5V標準信號輸入MCU微控芯片。MCU微控芯片選用MSP430F1611低功耗芯片，該芯 片內部集成8通道12位A/D轉換器將電壓信號進行模數轉換并存儲在內部RAM中。時 鐘芯片選用X1226,用于定時喚醒MCU微控芯片采集應力數據。UWB無線收發芯片選 用XS110，該芯片的無線信號發送頻率為3.1GHz，通信速率為110M/S，用于將MCU微 控芯片采集的應力數據通過PCB天線發送給匯聚節點。電源模塊由兩節AA電池與 TC55RP33電源管理芯片構成，為信號調理電路、MCU微控芯片、時鐘芯片和UWB無線 收發芯片提供3.3V穩壓電源。FLASH擴展存儲器選用M25P80，容量為1M，用于MCU微控芯片的存儲擴展。USB接口電路由協議轉換芯片FT232BM與I/O緩沖芯片NC7WZ126 及相應的外圍電路構成，用于PC機與應力無線傳感器節點相連，進行在線編程與調試。
在圖3中，錨節點與匯聚節點由于不需要感知外部環境信息，所以不需要傳感部分。 在它們的結構設計中沒有應變片與信號調理電路，其余部分與應力無線傳感器節點相同。
在圖4中，檢測方法流程示意圖對提升機惡性事故的在線檢測方法作進一步詳述
a在提升機滾筒邊緣固定應力無線傳感器節點，在閘座上固定錨節點，在操作臺外殼 固定匯聚節點，并通過USB總線與工控機相連。
b打開應力無線傳感器節點、錨節點和匯聚節點，節點上電初始化，設定采樣頻率為 1000Hz，并設定節點之間時鐘同步。
c每隔0.001秒時鐘芯片喚醒應力無線傳感器節點、錨節點和匯聚節點的MCU微控 芯片，節點開始工作。應力無線傳感器節點采集并發送應力信息；錨節點對1#應力無線 傳感器節點進行定位并發送位置信息；匯聚節點接收這些信息，預處理后通過USB總線 發送給工控機。
d工控機將接收到的數據進行分析處理，得到提升機滾筒邊緣應力場信息。 e當一個提升循環結束時，自動對節點進行時鐘同步，防止各節點時鐘誤差的累積， 保證各節點之間同步工作。
權利要求
1、一種提升機滾筒應力場檢測方法，其特征是提升機滾筒應力場的檢測方法是設定采樣頻率，設定時鐘同步，按照設定的采樣頻率分別觸發應力無線傳感器節點、錨節點和匯聚節點，應力無線傳感器節點和錨節點將收集的信息發送到匯聚節點，匯聚節點對接收到應力無線傳感器節點和錨節點的信息預處理，然后通過USB接口將數據發送給工控機，工控機將接收的無線傳感器節點和錨節點的位置信息分析處理得到滾筒應力場狀態。
2、 一種實現提升機滾筒應力場檢測方法的裝置，其特征是本發明的裝置包括提升 機滾筒、制動閘座、應力無線傳感器節點、錨節點、匯聚節點、USB接口和工控機，制動 閘座位于提升機滾筒的外側，應力無線傳感器節點固定在提升機滾筒上，錨節點固定在制動閘座上，匯聚節點固定在提升機操作臺外殼上，匯聚節點通過USB接口與工控機相連。
3、 根據權利要求2所述的提升機滾筒應力場檢測裝置，其特征是所述的應力無線傳感器節點由應變片、信號調理電路、MCU微控芯片、UWB無線收發芯片、FLASH擴 展存儲器、USB接口電路、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成，應變片與信號調理電 路連接，MCU微控芯片的輸出端與、UWB無線收發芯片、FLASH擴展存儲器和USB接 口電路連接，UWB無線收發芯片的輸出端與PCB天線連接，時鐘芯片與MCU微控芯片 連接，電源模塊與信號調理電路、MCU微控芯片、UWB無線收發芯片和時鐘芯片連接。
4、 根據權利要求2所述的提升機滾筒應力場檢測裝置，其特征是所述的錨節點和 匯聚節點均由MCU微控芯片、UWB無線收發芯片、FLASH擴展存儲器、USB接口電路、 PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成，MCU微控芯片的輸出端與UWB無線收發芯片、 FLASH擴展存儲器和USB接口電路連接，時鐘芯片與MCU微控芯片連接，UWB無線收 發芯片與PCB天線連接，電源模塊與MCU微控芯片、UWB無線收發芯片和時鐘芯片連 接。
全文摘要
一種提升機滾筒應力場檢測方法與裝置，屬于滾筒應力場的檢測方法與裝置。本發明的制動閘座位于提升機滾筒的外側，應力無線傳感器節點固定在提升機滾筒上，錨節點固定在制動閘座上，匯聚節點固定在提升機操作臺外殼上，匯聚節點通過USB接口與工控機相連。優點該提升機滾筒應力場的檢測方法與裝置不會給提升系統帶來任何安全隱患，安全可靠；采用UWB超寬帶無線通信技術，具有很高的通信速率和通信可靠性，系統響應快速；傳感器節點工作條件好，安裝維護方便；無線傳感器節點采用低功耗設計，兩節AA電池即可使用一年，解決了電源供電問題；傳感器節點具有自診斷功能，當傳感器節點毀壞或電池耗盡時可以通知維護人員及時更換。
文檔編號H04B1/69GK101413834SQ20081023631
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月7日 優先權日2008年11月7日
發明者周公博, 朱真才, 斌 訾, 邵杏國, 陳義強, 陳光柱, 韓振鐸, 鮑久圣 申請人:中國礦業大學