液压支架应力检测电路设计

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Hydraulic Support Stress Detection Circuit DesignZhang Kai(China Inner Mongolia PingZhuang Coal Group LTD FengShuiGou Coal Mine。ChiFeng Neimenggu，024081。China)Abstract：Analyzes the stress of hydraulic support，uses resistance strain gauge as sensor，design stress detection circuit to detect theparts of stress concentration.Shows the design of the circuit，and calculates the parameters.The output of the circuit can access tohydraulic support control system or mechanized mining control system，it can forecast and prevent of stent fracture and other seriousaccidents，so has value to apply。

Key W ords：Hydraulic Support I Stress；Detection液压支架是 煤矿 综合机械化采煤设备的重要组 成部分 ，也 是综采工 作面 装备中数量最 大的装备 。它通过支撑 和控 制工作面的顶板 ，来控制采煤工作面矿山压力，隔离采 空区 ，防止 矸石进入 回采工作面和推进输送机。液压支架与采煤机配套使用，实现采煤综合机械化，可以进-步改善和提高采 煤和运输设备 的效能 ，减轻煤矿工 人的劳动强度，最大限度保障煤矿工人的生命 安全。

图 1 应变检测电桥：至放大滤波. VSlDO-D VS2PO R2in - W ～1D lQ R，eI 2Q B'fTE CAP8D 髓 F - . LE C 8Q CS GI∞l ]T- AGlm2 I.. ..-.- 厂 oc1L74LS373 RlinP1.0 瑚1SYsl草片帆图2 ADS7807与 51系列单片机的连接64 科技资讯 SCIENCE ＆ TECHNOLOGY INFORMATION液压支架按其结 构特 点和 与围岩的作用关系-般分为三大类支撑式 、掩护式、支撑掩护式三类。采面围岩以外载的形式作用在液压支架上 ，在施工中，重要的是使液压支架的各支承件合 力与顶板作用在液压支架上的外载合力在 同-直线 。

本文在 分析液压支架受力模型的基础上，结合工程 实践 经验 ，确定应 力较大的容易发生故障的点，设计检测电路对这些部位进行监测 。

1 液压支架的故障分析液压支架 主要 由支撑框架和液 压及控制系统组成 ，承受重载和冲击 ，工作环境恶劣。实践和有关统计资料表明，在生产过程中，大部分故障是因为各种失效引起的，导致液压支架故障的主要原因有两个 ：(1)人为 因素及地质条件 引起 ；(2)机件失效而引起。其中，由于承载过大或受力不均造成液压支架某些部件断裂，会产生极大危害，应该 采取有效 的预防措施。

底座是液压支架整体结构受力最为复杂和集 中的部位 ，由于外载的变 化及地 质条件的影响 ，底座受力情况复杂 ，在工作的工程 中除 了支撑力 ，还往往 受到扭转 力作用 ，可能产生裂 纹及裂纹扩展 。因此 ，底座常常表现为主筋断裂和球窝碎裂这两种故障 。

文献[3用有限元分析法对某型液压支架进行了受 力分析 ，结果表明 ：顶 梁(底座 )两端受集中载荷时，中部会有较大的变形，柱 窝四周应力较大 ；顶梁(底座 )受扭时 ，载荷 的同侧变形不 大 ，而 另-侧会 发生很大工业技术 SOIENOE＆TECHNOL0GY .-201 3NO.1 7匪圆 变形 ，筋板与盖板连接处应力会很大 ，在顶梁方垫块处受力 最大 。

根据 上述分 析 ，对 受 力较大 的部位进行应 力监测 。

2 应力检测电路设计电阻应变计是-种 用途广泛 的高精度力学传 感元件 ，它能把构 件表面的 变形量转变为 电信号 ，其 工作原理 是基于 金属导体的 电阻-应变效应 。

设-根金 属 电阻丝 ，其材料 的 电阻率为 P，原始长度 为L。假 设其横截面是 直径为D的 圆形 ，面 积为A，初始时该 电阻丝的电阻值为R：p (1)在外 力作用下 ，电阻丝会产生变形 。

金属丝长 度的 相对 变化即应 变 ，表示为，在 常温下 ，许 多金属 材料在 -定 的应变范 围内，电阻丝 的相对 电阻变 化与 丝的轴向长度的相对 变化成正 比。即 ：-dR- ： K s (3)式中，Ks为单根金属丝的灵敏系数。根据 这-规律 ，即可设计 出将应变信 号转换为电信号的 电阻应变计 。

应 力检测 电路采用 电桥 ，如 图 1所 示 ，其中NI是恒流源 ，电流I：10 mA。缓冲器、电阻应 变片RSl、RS2和内部取样 电阻RS3、RS4组成电桥 。恒流源与模拟多路开关串接后 接在 桥路 的输 入端 ，在 取样 电阻 RS 3、RS4前串接缓冲器，作用是内半桥通过缓冲器采 用恒压驱动 ，恒流经过模拟多路开关 ，再经过导线、应变片RS1、RS2在A、B点产生电压 ，再由两个缓 冲器在D点产生 电压 ，V 、V 送放大器放大、滤波、AD转换等。

由(图1)可 知 ：- (RS1RS2r)，- (RS2rl，： ( )/2 (4)式中，r是导线电阻，RS1、RS2是应变片电阻 ，RS3、RS4是取样电阻。对于公共补偿测量，工作片RSIRAR，补偿片R2R。设RS3RS4，则- ( - )/2- r)， (2 AR2rlI/2-I r. 2IR龃 R、2/Rk 对 于 二 片 测 量 ，及 半 桥 模 式 工 作 片RSlR△R，工作片R2R-△R，有- IRkos (5)对于四片测量 ，则不需加缓冲器 ，RS3、RS4同样是工作片，经简单计算，电桥输出- mkoe (6)由分 析可 知 ，该电路 的输 出只与激励电流、应 变片 电阻、应变片灵敏系数及应变值有关 ，与导线 电阻无关 ，也与模拟多路开关导通 电阻无关 。同时 ，对于 大应变测量 ，该桥路也没有非 线性 ，精度 高。

.由当AR±2Q 即满 负载时 ，- 心 20mV采用仪表放大 器AD623，供 电电压5 V，参考电压 基准REF2.5 V。选择放大倍数12O倍 ，将 ±20 mV的电桥输出差模电压动态范 围可放大至0.1～4.9 V。

电桥的两个端点分别接到AD623的正负电压输入 端进行差分放 大 ，放大 倍数 由电阻值设定，其增益计算公式为R 100 /(c-1) (7)电阻值为840n，放大倍数为 l20倍 。

电桥 输 出的信号经差分放 大后 被送人低 通滤 波单元 ，选择二阶有 源低通 滤波网络 ，由于 电阻应变片用于静态 测量 ，信号频率 很低 ，故选择截 止频率，0 面 20HZ经放 大滤波后的信号 即可作为 普通模拟量信号接 入现有的液压支架控制系统[41。

3 AD转换当应力 检测 点比较 多时 ，控 制 系统 模拟量输入的成本较高。为降低成本 ，可以把前述检测信号 ，经AD转换器转换成数字量处理 。

根据 前面 计算和系统要求 ，选用的AD转换器至少有0.16 mV的分辨率 ，若以5 V供 电，则AD转换器为l 5位 即可满足分辨率要求。本设计选用l6位AD转换 器ADS7807。

ADS7807采用单5 V电压供电，是-款低功率16位 模拟数字转换器 ，带有采样保持 、时钟 、内部 参考 电压和并行 串行微处理 器接口。ADS7807的最大转换时间为2.5 u S，误差 ±1.5LSB。ADS7807可以提供工业标准的-l0～10 V，0～5 V$10～4 V三种满量程范围 ，使用灵活方便∞1。

根据检测电路的计算 ，应选择0～5 V输入 电压范围 ，并 行总线输 出数据 ，内部时钟模式，参考电压选择电桥的参考电压，以减少误差 。

ADS7807的转换通过管脚CSnRC实现的 。CSIRC同时 保持低状 态至少40 n8，ADS7807进入保持状态并开始转换 ，BUSY脚变低 直到转换 结束 ，这时 内部输 出寄存器的值被更新。因此通过查询BUSY管脚的状态就 可以知道转换 是否结 束 ，进 而进行转换数据的读龋当与BYTE为低时 ，数据线是转换结果的高8位 ，当BYTE为高时 ，数据线出现转换结果的低8位。通过两次读取就可得到转化的16位数据[61。

综上所述 ，通过恒流 电桥 的作用 ，电阻应变 片 电阻 的变化 转化 为 电桥输 出 的变化 ，再经过放大、滤波 、模数转换 ，变为可被处理的数字信号 。

4 结语本文 设计 了液压支 架应 力检测 电路 ，可对液压支架应力集中、容易损坏的部位进 行实时监测 ，对这类故障 进行预报和 预警 ，对采掘 工作人员的安全 保护都很有 意义。实验证明 ，该电路 的精确性和稳定性 能够适应 井下生产环境 ，满足生产需要 。