专利名称：提升机天轮应力检测方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测方法与装置，特别是一种适用于提升机运行状态监测的提升
机天轮应力检测方法与装置。
背景技术：
目前，对提升机运行状态的监测可以通过对提升钢丝绳张力的检测来实现。提升 钢丝绳张力的检测方法包括直接检测法与间接检测法。直接检测法是在提升容器顶端安装 钢丝绳张力检测装置，该装置由传感器、信号采集模块、无线发射模块和蓄电池构成。检测 的钢丝绳张力信号通过无线发射模块发送，由井口的接收模块接收后进行数据处理得到钢 丝绳张力。检测钢丝绳张力的传感器主要有以下三种拉力传感器，串联在提升钢丝绳与提 升容器之间；三点式钢丝绳张力传感器；油压传感器，适用于提升容器与钢丝绳之间有液 压平衡装置的多绳摩擦提升机。这种方法主要存在四点缺陷无线通信在井筒中的传输距 离短，当井筒深度超过500米，无法实现可靠的通信；蓄电池需要定期更换，维护不便；传感 器安装维护不便；拉力传感器灵敏度低，张力传感器会加剧钢丝绳的疲劳磨损，油压传感器 只适用于提升容器与钢丝绳之间有液压平衡装置的场合。间接检测法是在天轮的轴承底座 上安装测力传感器来检测钢丝绳张力。该方法要求测力传感器具有结构适用性、功能适用 性、长期稳定性和高可靠性，造成传感器研制困难、成本很高，而且很难安装，当传感器毁坏 时也很难及时更换。 根据以上分析可以发现，目前通过提升钢丝绳张力的检测来反映提升机运行状态 的方法主要存在以下缺陷传感器安装不便，检测系统维护困难；检测系统应用具有一定 的局限性，不能应用于深井检测；蓄电池供电的方案需要定期更换电池，维护不便；现有传 感器存在成本高、灵敏度低、对钢丝绳有损害等问题。
发明内容
技术问题本发明的目的是要提供一种检测方法及结构简单，稳定性强，可靠性 高，维护方便、能够用于深井检测、成本低、灵敏度高、对钢丝绳无损害的提升机天轮应力检 测方法与装置。 本发明的提升机天轮应力检测方法系统初始化，设定采样频率，设定时钟同步， 按照设定的采样频率分别启动多个应力无线传感器节点，多个应力无线传感器节点将收集 的信息发送到无线传感器网络协调器，无线传感器网络协调器对接收到应力无线传感器节 点的信息预处理，然后通过RS-232接口将数据发送给工控机，工控机将接收的应力无线传 感器节点信息分析处理得到提升机天轮的应力数据。 实现提升机天轮应力检测方法的装置，包括设在提升机天轮上的多个应力无线传 感器节点，提升机天轮的天轮支架上设有接收应力无线传感器节点信号的无线传感器网络 协调器，无线传感器网络协调器经RS-232总线连接工控机。 所述的多个应力无线传感器节点均匀布置在提升机天轮轮缘或轮辐上。
所述的应力无线传感器节点包括应变桥路模块、前置放大模块、低通滤波模块、系 统级芯片CC2430、复位电路、电压参考电路、编程和扩展接口、锂电池、模拟电源、隔离器和 射频电源，应变桥路模块顺序连接前置放大模块和低通滤波模块，低通滤波模块连接系统 级芯片CC2430，系统级芯片CC2430分别连接有复位电路、电压参考电路和编程及扩展接 口，锂电池顺序连接模拟电源、隔离器和射频电源，模拟电源分别连接应变桥路模块、前置 放大模块和低通滤波模块，射频电源连接系统级芯片CC2430、复位电路和电压参考电路。
所述的无线传感器网络协调器包括系统级芯片CC2430、外部扩展存储器、复位电 路、RS-232扩展口、编程及扩展接口、 AC-DC开关电源模块和低压差线性稳压器MAX16999， 系统级芯片CC2430分别连接有外部扩展存储器、复位电路、RS-232扩展口和编程及扩展接 口，与交流电连接的AC-DC开关电源模块输出端连接低压差线性稳压器MAX16999，低压差 线性稳压器MAX16999的输出端分别连接外部扩展存储器、复位电路、RS-232扩展口和系统 级芯片CC2430。
有益效果 (1)基于无线传感器网络技术，通过设计应力无线传感器节点和无线传感器网络 协调器，实现了对提升机天轮的应力检测； (2)将提升机天轮应力场的检测装置设在天轮上，不会给提升系统带来任何安全 隐患，安全可靠； (3)基于ZigBee协议开发的应力无线传感器节点和无线传感器网络协调器，具有 很高通信可靠性，系统响应快速，功耗低； (4)传感器节点具有低电量检测功能，当传感器节点电池电压低于2. 5V时可以自 动报警。 (5)方法及结构简单，稳定性强，可靠性高，安装、维护方便、成本低、灵敏度高、能 够用于深井检测。
图1是本发明的一个实施例结构示意图；
图2是本发明的另一个实施例结构示意图；
图3是本发明的应力无线传感器节点结构原理图，
图4是本发明的应力无线传感器节点电路图，
图5是本发明的无线传感器网络协调器结构原理图，
图6是本发明的无线传感器网络协调器电路图，
图7是本发明的检测方法流程示意图， 图中l-天轮，2-应力无线传感器节点，3-天轮支架，4-无线传感器网络协调器， 5-RS-232总线，6-工控机，7-操作台。
具体实施例方式
实施例一、图1所示，提升机天轮应力检测装置主要由6个应力无线传感器节点 2、无线传感器网络协调器4、 RS-232总线5、工控机6和操作台7构成。6个应力无线传感 器节点2均匀固定在提升机天轮1位于相邻两个轮辐中间的轮缘上，用于获取天轮的应力信息。根据现场实际需要，应力无线传感器节点2可达增加至12个。每个应力无线传感 器节点2包括应变桥路模块、前置放大模块、低通滤波模块、系统级芯片CC2430、复位电路、 电压参考电路、编程和扩展接口、锂电池、模拟电源、隔离器和射频电源，应变桥路模块顺 序连接前置放大模块和低通滤波模块，低通滤波模块连接系统级芯片CC2430，系统级芯片 CC2430连接有复位电路、电压参考电路和编程及扩展接口 ，锂电池顺序连接模拟电源、隔离 器和射频电源，模拟电源连接应变桥模块、前置放大模块和低通滤波模块，射频电源连接系 统级芯片CC2430、复位电路和电压参考电路。在支撑提升机天轮1的天轮支架3上设置无 线传感器网络协调器4，用来接收应力无线传感器节点2采集的数据并对应力无线传感器 节点2的状态进行监测和控制。无线传感器网络协调器4包括系统级芯片CC2430、外部 扩展存储器、复位电路、RS-232扩展口、编程及扩展接口、 AC-DC开关电源模块和低压差线 性稳压器MAX16999，系统级芯片CC2430分别连接有外部扩展存储器、复位电路、RS-232扩 展口和编程及扩展接口 ，与交流电连接的AC-DC开关电源模块输出端连接低压差线性稳压 器MAX16999，低压差线性稳压器MAX16999的输出端分别连接外部扩展存储器、复位电路、 RS-232扩展口和系统级芯片CC2430。无线传感器网络协调器4经RS-232总线5连接工控 机6。无线传感器网络协调器4将接收到的应力无线传感器节点2采集的数据预处理后通 过RS-232总线5发送给工控机6。工控机6将接收的数据进行处理得到提升机天轮应力并 存储。所述的工控机6采用研华高性能工控机。 实施例二、图2所示，天轮应力检测装置结构与图1相同，不同点在于6个应力无 线传感器节点2固定在天轮1的轮辐上，其余连接关系与图1相同，略。
在图3中，应力无线传感器节点2由电源电路、应变桥路、信号调理电路、支持 ZigBee协议的系统级芯片CC2430模块及相关外围电路构成。电源电路包括一块3. 6V锂 电池、低压差线性稳压器和n型LC电源去耦隔离器。应变桥路采用半桥接法，四个工作臂 分别由一个应变片、一个温度补偿片和内置在节点中的两个精密电阻组成。信号调理电路 由前置放大和低通滤波电路构成。系统级芯片CC2430模块包括CC2430芯片、天线、晶振电 路及少量的滤波电容、非平衡变压器等元件。模块外围电路包括复位电路、参考电压模块及 编程和扩展接口。锂电池输出的3. 6V的电压信号，经过低压差线性稳压器MAX16999后，输 出3. 3V稳定电压，构成了供桥电源，为应变桥路、前置放大和低通滤波电路提供电源电压。 为抑制低频直流测量中的主要噪声源1/f噪声，选用具有自稳零、低失调、低漂移和高共模 抑制比特性的AD8553精密放大器。同时，采用二阶巴特沃斯低通滤波器，以减小电路中射 频、数字等高频信号对应力信号的影响。调理后的应力信号接入CC2430内部集成的A/D转 换器，并由REF193构成的参考电压模块为A/D转换提供3V基准电压，A/D转换结果存入 CC2430内部存储器。为避免CC2430中高功率高频信号对供桥电源的影响，将供桥电源经 LC隔离后为CC2430及其外围电路供电。扩展接口为节点检测其他信号以及存储等功能的 扩展提供方便。 在图4中，Pl为应变片和补偿片接口， Rl和R2精密电阻为内置在节点中的桥臂， 电位器R4为桥路实现硬件调零。放大器AD8553的放大倍数可以由电位器R9调定，其输出 端与二阶低通滤波器的电阻R10相连。二阶低通滤波器由阻容元件RIO、 Rll、 C4、 C5和运 算放大器0PA350组成，能够滤除100Hz以上的信号，输出信号与CC2430模块的ADC输入端 口"P0.0"相连。P2为电池电源输入口，采用二极管D1对地反接在电源端，起到防止电池接反损害电路元件的作用，通过开关S1与MAX16999的输入端口"IN"相连。利用MAX 16999 的复位引脚"RST"与CC2430模块的"RST"引脚相连，为电路提供复位信号，节省了电路板 空间;其使能"EN"引脚与CC2430模块的"Pl. 0"引脚相连，休眠模式下可由"Pl. 0"引脚控 制MAX16999进入低电量状态，降低节点功耗；MAX16999输出引脚"0UT"与去耦电容C9相 连，并与模拟电源端口"VCC1"相连。型LC电源去耦隔离器由L1、C10和C11组成，其输 入端与C9相连，输出端与射频电源"VCC2"的供电端口相连。R12、 C13和C14构成电源纹 波通路，可以进一步减小电源纹波。电压参考芯片REF193为CC2430模块提供3V外部参考 电压，其电压输出引脚"0UT"与CC2430模块的外部参考电压输入端"P0. 7"相连。P3和P4 为CC2430模±央接口 ，与CC2430模土央的"PO. 0—P0. 7"、"P1. 0—P1. 7"、"VCC2"禾P"RST"端口相 连;P5为编程口 ，与CC2430模块的编程口 "P2. 1"和"P2. 2"端口相连;P6和P7为扩展接 口，与P3和P4 口相同。 在图5中，无线传感器网络协调器4不需要检测应力信息，因此，在其结构设计中 没有应变桥路与信号调理电路。由于无线传感器网络协调器4处于实时工作状态，能耗较 大，采用交流电为其供电。220V交流电源经AC-DC开关电源模块A0C_5S转换成5V直流电 压，然后由低压差线性稳压器MAX16999为CC2430模块及外围电路提供稳定的3. 3V电压。 由于CC2430的存储量有限，为协调器外扩容量为512kB的FLASH存储器AT45DB041。采用 MAX3243芯片完成电平转换，实现协调器与工控机的RS-232通讯。 在图6中，Pl为交流电源输入口，经过开关S1后与A0C—5S的交流输入端口"AC— N"和"AC—L"相连。A0C_5S的输出端"+Vo"与MAX16999的输入端"IN"相连，MAX16999输 出端"OUT"与去耦电容C2相连，为协调器提供3. 3V电压。P2和P3为CC2430模块接口 ， P4为编程口 ， P5和P6为扩展接口 ，均与节点电路中的连接端口相同。MAX3243的"R0UT1 "、 "DIN1"、"DIN2"禾口"R0UT2"端口分别与CC2430模土央的"PO. 2-P0. 5"端口相连，其"D0UT1"、 "D0UT2"、"RIN1"和"RIN2"端口分别与9针RS-232接口 P7的"232—TX"、"232—CT"、"232— RX"和"232—RT"端口相连。AT45DB041芯片的串行接口 "CS"、"SCK"、"SI"和"SO"分别与 CC2430模块的"Pl. 4-P1. 7"端口相连，用以完成数据存储和读取操作。
图7所示，本发明提升机天轮应力检测方法，在提升机天轮1上均匀布置多个个应 力无线传感器节点2，在支撑提升机天轮1的天轮支架3上固定有无线传感器网络协调器 4，通过RS-232总线5分别连接无线传感器网络协调器4与工控机6，首先对系统进行初始 化，然后设定采样频率、设定时钟同步，按照设定的采样频率启动多个应力无线传感器节点 2，多个应力无线传感器节2点将收集的信息发送到无线传感器网络协调器4，无线传感器 网络协调器4对接收到的多个应力无线传感器节点2的信息预处理，然后通过RS-232总线 5将数据发送给设在操作台7上的工控机6，工控机6将接收的应力无线传感器节点2信息 分析处理得到提升机天轮1的应力数据。具体检测方法如下 a)将多个应力无线传感器节点2在提升机天轮1上固定，在天轮支架3上固定无 线传感器网络协调器4，并通过RS-232总线连接无线传感器网络协调器4与工控机6 ;
b)打开所有应力无线传感器节点2和无线传感器网络协调器4，各节点上电，并对 所有应力无线传感器节点2的应变桥路进行调零，使得节点工作特性保持一致；
c)所有应力无线传感器节点2与无线传感器网络协调器4完成组网，设定系统的 采样频率为10Hz ;
d)无线传感器网络协调器4广播时钟信息至各个应力无线传感器节点2，应力无 线传感器节点2以无线传感器网络协调器4时钟作为参考标准设定节点之间时钟同步；
e)所有应力无线传感器节点2利用内部睡眠定时器每隔0. 1秒唤醒一次，采集天 轮1的应力数据，将采集到的应力数据和自身节点信息发送给无线传感器网络协调器4，无 线传感器网络协调器4接收信息，并将接收的数据预处理后通过RS-232总线5发送给设在 操作台7上的工控机6 ; f)工控机6将接收到的数据进行分析处理，得到提升机天轮1的应力数据并存储 入工控机6的数据库内； g)当提升机完成一个提升循环处于停机状态时，无线传感器网络协调器4再次广 播时钟信息，对所有应力无线传感器节点2进行时钟同步，防止各节点时钟误差的累积，保 证节点之间同步工作。
权利要求
一种提升机天轮应力检测方法，其特征在于系统初始化，设定采样频率，设定时钟同步，按照设定的采样频率分别启动多个应力无线传感器节点(2)，多个应力无线传感器节点(2)将收集的信息发送到无线传感器网络协调器(4)，无线传感器网络协调器(4)对接收到应力无线传感器节点的信息预处理，然后通过RS-232接口(5)将数据发送给工控机(6)，工控机将接收的应力无线传感器节点信息分析处理得到提升机天轮(1)的应力数据。
2. —种实现提升机天轮应力检测方法的装置，其特征在于它包括设在提升机天轮 (1)上的多个应力无线传感器节点(2)，提升机天轮(1)的天轮支架(3)上设有接收应力 无线传感器节点(2)信号的无线传感器网络协调器(4)，无线传感器网络协调器(4)经 RS-232总线(5)连接工控机(6)。
3. 根据权利要求2所述的提升机天轮应力检测装置，其特征在于所述的多个应力无 线传感器节点(2)均匀布置在提升机天轮(1)轮缘或轮辐上。
4. 根据权利要求2所述的提升机天轮应力检测装置，其特征在于所述的应力无线传 感器节点(2)包括应变桥路模块、前置放大模块、低通滤波模块、系统级芯片CC2430、复位 电路、电压参考电路、编程和扩展接口、锂电池、模拟电源、隔离器和射频电源，应变桥路模 块顺序连接前置放大模块和低通滤波模块，低通滤波模块连接系统级芯片CC2430，系统级 芯片CC2430分别连接复位电路、电压参考电路和编程和扩展接口，锂电池顺序连接模拟电 源、隔离器和射频电源，模拟电源分别连接应变桥模块、前置放大模块和低通滤波模块，射 频电源连接系统级芯片CC2430、复位电路和电压参考电路。
5. 根据权利要求2所述的提升机天轮应力检测装置，其特征在于所述的无线传感器 网络协调器(4)包括系统级芯片CC2430、外部扩展存储器、复位电路、RS-232扩展口、编程 及扩展接口、 AC-DC开关电源模块和低压差线性稳压器MAX16999，系统级芯片CC2430分 别连接有外部扩展存储器、复位电路、RS-232扩展口和编程及扩展接口，与交流电连接的 AC-DC开关电源模块输出端连接低压差线性稳压器MAX16999，低压差线性稳压器MAX16999 的输出端分别连接外部扩展存储器、复位电路、RS-232扩展口和系统级芯片CC2430。
全文摘要
一种提升机天轮应力检测方法与装置，在提升机天轮上固定应力无线传感器节点，在天轮支架上固定无线传感器网络协调器，并用RS-232总线连接无线传感器网络协调器与工控机，对系统初始化，设定采样频率，设定时钟同步，按照设定的采样频率启动应力无线传感器节点，应力无线传感器节点将收集的信息发送到无线传感器网络协调器，无线传感器网络协调器对接收到应力无线传感器节点的信息预处理，然后通过RS-232总线将数据发送给设在操作台上的工控机，工控机将接收的应力无线传感器节点信息分析处理得到提升机天轮的应力数据。其方法及结构简单，稳定性强，可靠性高，安装、维护方便、成本低、灵敏度高、能够用于深井检测。
文档编号G01L1/22GK101710008SQ200910253508
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者周公博, 曹国华, 朱真才, 李中凯, 李伟, 王颖, 訾斌, 邵杏国, 陈光柱, 陈国安, 韩振铎 申请人:中国矿业大学;徐州中矿提升安全设备有限公司