工程機械結(jié)構(gòu)力學參數(shù)的線檢測傳感器

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摘要：大型工程中各種機械的力學參數(shù)對評測機器運行狀態(tài)，為操作人員提供了較為準確的信息，提升操作的精準度。目前的部分工程器械只能測量和顯示液壓系統(tǒng)中的部分參數(shù)，不能全面體現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)，對實際操作有不利影響。另外，大多數(shù)參數(shù)測量數(shù)據(jù)無法保存，給工程的回顧分析以及方案優(yōu)化等帶來了困難。基于此，本文通過在線檢測傳感器實驗為例，研究了一套能夠在線檢測、顯示、保存機械結(jié)構(gòu)力學參數(shù)的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：大型工程；機械結(jié)構(gòu)；力學參數(shù)；在線檢測傳感器

隨著機械工程的發(fā)展和運用，較多的大型工程都離不開大型器械，人工操作時需要與機器開展交互，這就需要提前了解其運行狀態(tài)，機械儀表能夠較好地實時顯示機器運行狀態(tài)，但其顯示數(shù)據(jù)不全，無法記錄保存。因此，將計算機技術(shù)運用到工程機械在線檢測中，就能夠有效優(yōu)化參數(shù)檢測、傳輸、保存流程。而檢測系統(tǒng)中，傳感器的精良程度是數(shù)據(jù)準確、精度高的來源，因此需要保證傳感器的良好運轉(zhuǎn)。

1在線檢測傳感器

當前，大型工程機械的檢測和故障的維修診斷主要是針對液壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)。通過在機械結(jié)構(gòu)中的部分部位安裝傳感器就能夠有效獲取機器的運行狀態(tài)，不僅可以在機械發(fā)生故障時及時維修，避免停工帶來經(jīng)濟損失，還可以通過分析參數(shù)的變化情況提前預(yù)知機械故障的發(fā)生，采取措施避免，或提前準備好維修的器材，縮短停工時間。主要的檢測數(shù)據(jù)有溫度、壓力等物理數(shù)據(jù)，通過傳感器、信號轉(zhuǎn)換器將其變?yōu)殡娦盘?，然后使用放大器放大信號，再由計算機系統(tǒng)進行分析處理，最終傳達給器械的使用人員，使其獲悉機械的內(nèi)部狀態(tài)。

2特征參數(shù)

在選擇參數(shù)時，需要注意參數(shù)的科學性、合理性和可實踐性，要盡量地全面體現(xiàn)工程機械工作狀態(tài)，并且測量難度不高，不會因為對測量環(huán)境要求過高導致數(shù)據(jù)的誤差過大，可以通過選擇多項參數(shù)綜合測評，可以允許部分利用率較低的數(shù)據(jù)信息，信息冗余的成本較低時，能夠有效提升傳感器的測量有效性、經(jīng)濟效益。另外，需要注意，參數(shù)的數(shù)量不能過多，過多的參數(shù)會導致控制電路比較復雜，不僅控制效果低，還會導致維修困難，成本也相應(yīng)增大。例如，針對液壓系統(tǒng)，一般選擇壓力、流量和溫度為參數(shù)，即可反應(yīng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)。另外，需要是實時參數(shù)，具有一定的預(yù)警作用，盡量不選擇滯后性過高的參數(shù)。

3檢測原理

目前，主要通過鐵磁材料的壓磁效應(yīng)進行應(yīng)力測試，該方法具有簡單、快速的優(yōu)點，能夠在各種惡劣環(huán)境中工作生效［1］。這種方法主要運用的是壓磁效應(yīng)，即改變磁感應(yīng)強度B和磁場強度H，從而改變材料的磁性能，最終會有一部分能量轉(zhuǎn)化為彈性能，進而改變材料的ε和δ；反之，通過改變材料的ε和δ，也可以改變其B和H。但是普通的金屬材料，例如碳素鋼等，因為其機電耦合系數(shù)很低（一般在0．15到0．30之間），會造成其電壓變化與應(yīng)力變化的相關(guān)契合度不高，進而導致測量數(shù)據(jù)不靈敏，因此需要尋找更加優(yōu)秀的材料［2］。我國通過運用非晶態(tài)合金在此方面的研究取得了一些進展，該材料的物理強度、化學性能都很優(yōu)良，適合用于壓磁效應(yīng)檢測。它能夠在高頻交變磁場中，保持靈敏的電磁阻抗效應(yīng)，從而為應(yīng)力壓磁效應(yīng)檢測提供基礎(chǔ)。

4關(guān)鍵環(huán)節(jié)

在傳感器的工作流程中，參數(shù)的測量和轉(zhuǎn)換時關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是連接器械和用戶的重要部分［3］。在本次研究中，主要研究了機械應(yīng)力傳感器和扭矩傳感器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過以下的模擬實驗分別研究了兩種測量模式。在本次研究中，進行了以下實驗：第一，首先將TM－M型的Fe基非晶態(tài)合金片制制作成為長方形狀，然后將勵磁線圈D和E纏繞。然后將其按照機械系統(tǒng)的手方向粘貼材料的表面，從而使其產(chǎn)生壓磁效應(yīng)，出現(xiàn)電壓，最終將力學信號轉(zhuǎn)化為電信號。第二，首先將TM－M型的Fe基非晶態(tài)合金片制制作成為長方形狀然后進行退火處理。然后將其按照機械系統(tǒng)的手方向粘貼材料的表面，當出現(xiàn)應(yīng)力后會導致磁導率變化，引起電壓變化，根據(jù)數(shù)值的變化獲取扭矩，這種測量模式還可以實現(xiàn)非基礎(chǔ)的應(yīng)力測量，極大地拓展了傳感器的工作空間。

5結(jié)束語

傳感器在工程機械結(jié)構(gòu)中的運用要點就是合理準確選擇參數(shù)，然后精確的獲取參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為計算機可識別的信號，最終由計算機處理分析，以自然語言呈獻給器械的操作或維護人員，參數(shù)是該模式中的核心，由此可見，未來提升參數(shù)的精度、降低參數(shù)測量成本和難度、提升參數(shù)信息利用率是傳感器發(fā)展的主要方向。通過本文的研究，我們總結(jié)了一種大型工程機械結(jié)構(gòu)力學參數(shù)在線檢測傳感器實現(xiàn)的要點，希望能夠為工程機械操作提供借鑒意義。

參考文獻：

［1］胡曄，盧耀祖，李志忠．大型橋吊結(jié)構(gòu)力學參數(shù)的反求研究［J］．中國工程機械學報，2005（1）：29－32．

［2］馬世舉．基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的副反力墻結(jié)構(gòu)力學性能分析研究［D］．鄭州：河南工業(yè)大學，2016．

［3］王偉忠，趙玉龍，林啟敬．MEMS三維微力探針傳感器設(shè)計及性能測試［J］．納米技術(shù)與精密工程，2011，9（3）：199－202．

作者:劉成文 石延平 周慶貴 崔伯第 單位:江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設(shè)實驗室