液壓支架應力檢測電路設計

摘 要：分析了液壓支架的受力情況，采用電阻式應變片作為傳感器，設計了應力檢測電路，對應力集中的部位進行檢測。給出了電路的設計方案，并進行了參數計算。該電路的輸出信號，可以接入液壓支架控制系統或綜采控制系統，能夠預防預報支架斷裂等嚴重事故，有推廣價值。

關鍵詞：液壓支架 應力 檢測

中圖分類號：TH237 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（b）-0064-02

Hydraulic Support Stress Detection Circuit Design

Zhang 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 the parts of stress concentration.Shows the design of the circuit，and calculates the parameters.The output of the circuit can access to hydraulic support control system or mechanized mining control system，it can forecast and prevent of stent fracture and other serious accidents，so has value to apply.

Key Words：Hydraulic Support；Stress；Detection

液壓支架是煤礦綜合機械化采煤設備的重要組成部分，也是綜采工作面裝備中數量最大的裝備。它通過支撐和控制工作面的頂板，來控制采煤工作面礦山壓力，隔離采空區，防止矸石進入回采工作面和推進輸送機。液壓支架與采煤機配套使用，實現采煤綜合機械化，可以進一步改善和提高采煤和運輸設備的效能，減輕煤礦工人的勞動強度，最大限度保障煤礦工人的生命安全。

液壓支架按其結構特點和與圍巖的作用關系—般分為三大類支撐式、掩護式、支撐掩護式三類[1]。采面圍巖以外載的形式作用在液壓支架上，在施工中，重要的是使液壓支架的各支承件合力與頂板作用在液壓支架上的外載合力在同一直線。

本文在分析液壓支架受力模型的基礎上，結合工程實踐經驗，確定應力較大的容易發生故障的點，設計檢測電路對這些部位進行監測。

1 液壓支架的故障分析

液壓支架主要由支撐框架和液壓及控制系統組成，承受重載和沖擊，工作環境惡劣。實踐和有關統計資料表明，在生產過程中，大部分故障是因為各種失效引起的，導致液壓支架故障的主要原因有兩個：（1）人為因素及地質條件引起；（2）機件失效而引起[1]。其中，由于承載過大或受力不均造成液壓支架某些部件斷裂，會產生極大危害，應該采取有效的預防措施。

底座是液壓支架整體結構受力最為復雜和集中的部位，由于外載的變化及地質條件的影響，底座受力情況復雜，在工作的工程中除了支撐力，還往往受到扭轉力作用，可能產生裂紋及裂紋擴展。因此，底座常常表現為主筋斷裂和球窩碎裂這兩種故障。

文獻[3]用有限元分析法對某型液壓支架進行了受力分析，結果表明：頂梁（底座）兩端受集中載荷時，中部會有較大的變形，柱窩四周應力較大；頂梁（底座）受扭時，載荷的同側變形不大，而另一側會發生很大變形，筋板與蓋板連接處應力會很大，在頂梁方墊塊處受力最大[3]。

根據上述分析，對受力較大的部位進行應力監測。

2 應力檢測電路設計

電阻應變計是一種用途廣泛的高精度力學傳感元件，它能把構件表面的變形量轉變為電信號，其工作原理是基于金屬導體的電阻-應變效應。

設一根金屬電阻絲，其材料的電阻率為ρ，原始長度為L。假設其橫截面是直徑為D的圓形，面積為A，初始時該電阻絲的電阻值為R：

（1）

在外力作用下，電阻絲會產生變形。

金屬絲長度的相對變化即應變，表示為， （2）

在常溫下，許多金屬材料在一定的應變范圍內，電阻絲的相對電阻變化與絲的軸向長度的相對變化成正比。即：

（3）

式中，Ks為單根金屬絲的靈敏系數。根據這一規律，即可設計出將應變信號轉換為電信號的電阻應變計。

應力檢測電路采用電橋，如圖1所示，其中NI是恒流源，電流I=10 mA。緩沖器、電阻應變片RS1、RS2和內部取樣電阻RS3、RS4組成電橋。恒流源與模擬多路開關串接后接在橋路的輸入端，在取樣電阻RS3、RS4前串接緩沖器，作用是內半橋通過緩沖器采用恒壓驅動，恒流經過模擬多路開關，再經過導線、應變片RS1、RS2在A、B點產生電壓，再由兩個緩沖器在D點產生電壓，VB、VD送放大器放大、濾波、AD轉換等。

由（圖1）可知：

（4）

式中，r是導線電阻，RS1、RS2是應變片電阻，RS3、RS4是取樣電阻。對于公共補償測量，工作片RS1=R+ΔR，補償片R2=R。設RS3=RS4，則

對于二片測量，及半橋模式工作片RS1=R+ΔR，工作片R2=R-ΔR，有

（5）

對于四片測量，則不需加緩沖器，RS3、RS4同樣是工作片，經簡單計算，電橋輸出

（6）

由分析可知，該電路的輸出只與激勵電流、應變片電阻、應變片靈敏系數及應變值有關，與導線電阻無關，也與模擬多路開關導通電阻無關。同時，對于大應變測量，該橋路也沒有非線性，精度高。

由當即滿負載時，

mV

采用儀表放大器AD623，供電電壓5 V，參考電壓基準REF=2.5 V。選擇放大倍數120倍，將±20 mV的電橋輸出差模電壓動態范圍可放大至0.1～4.9 V。

電橋的兩個端點分別接到AD623的正負電壓輸入端進行差分放大，放大倍數由電阻值設定，其增益計算公式為

（7）

電阻值為840Ω，放大倍數為120倍。

電橋輸出的信號經差分放大后被送入低通濾波單元，選擇二階有源低通濾波網絡，由于電阻應變片用于靜態測量，信號頻率很低，故選擇截止頻率

Hz

經放大濾波后的信號即可作為普通模擬量信號接入現有的液壓支架控制系統[4]。

3 AD轉換

當應力檢測點比較多時，控制系統模擬量輸入的成本較高。為降低成本，可以把前述檢測信號，經AD轉換器轉換成數字量處理。

根據前面計算和系統要求，選用的AD轉換器至少有0.16 mV的分辨率，若以5 V供電，則AD轉換器為15位即可滿足分辨率要求。本設計選用16位AD轉換器ADS7807。ADS7807采用單5 V電壓供電，是一款低功率16位模擬數字轉換器，帶有采樣保持、時鐘、內部參考電壓和并行串行微處理器接口。ADS7807的最大轉換時間為2.5μs，誤差±1.5LSB。ADS7807可以提供工業標準的-10～10 V，0～5 V和0～4 V三種滿量程范圍，使用靈活方便[5]。

根據檢測電路的計算，應選擇0～5 V輸入電壓范圍，并行總線輸出數據，內部時鐘模式，參考電壓選擇電橋的參考電壓，以減少誤差。

ADS7807的轉換通過管腳CS和RC實現的。CS和RC同時保持低狀態至少40 ns，ADS7807進入保持狀態并開始轉換，BUSY腳變低直到轉換結束，這時內部輸出寄存器的值被更新。因此通過查詢BUSY管腳的狀態就可以知道轉換是否結束，進而進行轉換數據的讀取。當與BYTE為低時，數據線是轉換結果的高8位，當BYTE為高時，數據線出現轉換結果的低8位。通過兩次讀取就可得到轉化的16位數據[6]。

綜上所述，通過恒流電橋的作用，電阻應變片電阻的變化轉化為電橋輸出的變化，再經過放大、濾波、模數轉換，變為可被處理的數字信號。

ADS7807與51系列單片機的連接如（圖2）所示。

4 結語

本文設計了液壓支架應力檢測電路，可對液壓支架應力集中、容易損壞的部位進行實時監測，對這類故障進行預報和預警，對采掘工作人員的安全保護都很有意義。實驗證明，該電路的精確性和穩定性能夠適應井下生產環境，滿足生產需要。

參考文獻

[1]孫洪飛.煤礦液壓支架應用現狀與發展趨勢[J].民營科技，2013，1：148.

[2] 李飛谷.煤礦液壓支架故障分析及應用[J].礦業天地，2008，10：304.

[3] 馬園園，謝里陽，洪岸柳，等.液壓支架應力測試研究及有限元分析[J].機械設計與制造，2012，11：34-36.

[4] 杜歡興，夏潤生，張桂茹，等.液壓支架分布式計算機控制系統[J].創新科技導報，2012，32：166-167.

[5] http：//www.ti.com.cn.

[6] 王廣西.低漂移便攜式微機多道能譜儀的研制[D].成都理工大學，2006，5.