矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法及装置与流程
本发明属于煤矿提升设备性能测试技术领域，具体涉及一种矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法及装置。
背景技术
矿井提升机是煤矿提人、提物和提煤的重要装备，盘式制动系统是矿井提升机的重要安全保护装置，因盘式制动系统故障而造成的事故，约占整个提升事故的60％以上。《2016年煤矿安全规程》和《煤矿在用摩擦式提升机系统安全检测检验规范aq1014-2005》对矿井提升机的制动力矩均做了明确的规定。随着煤矿的大深度、重载荷开采，矿井提升机高速度运行对盘式制动系统提出了更高的要求。
目前，矿井提升机制动力矩的监测中主要有两种传感器和测量方法：1、用来测量盘式制动器制动正压力的碟簧座传感器，该碟簧座传感器由开有内孔直径大于碟簧卡环外径的盘体和布设在盘体上成对排列的多个电阻应变片组成，其装配尺寸与原碟簧座一样，代替原碟簧座安装在盘式制动器上，该方法需要改变盘式制动器内部结构尺寸，增加了盘式制动器加工设计的复杂程度，且加入的碟簧座传感器难以调整更换，因此这种方法尚未广泛使用；2、油压检测法，由压力传感器通过测量贴闸油压、开闸油压和制动器残压，计算得到制动力矩，该方法的瞬间油压值难以精确测定，使用的压力传感器多且有油污染、油温的影响，不能很好地满足使用需求。因此，需要设计新的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量的方法及装置，以解决现有技术存在的问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种对所用制动器结构不做任何改变，设计新颖合理、方法步骤简单、操作方便、能够很好地满足使用需求、实用性强的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、制动器支座在制动时应变最大位置的确定：采用三维建模软件建立盘式制动器的制动器支座的三维模型，将三维模型导入有限元软件中,进行力学仿真，得到制动器支座等效应变云图，依据制动器支座等效应变云图确定制动器支座的应变最大位置；
步骤二、制动器支座应变与制动力矩之间的函数关系的确定：改变盘式制动器产生的制动力矩值，通过有限元仿真，得到不同制动力矩值作用下，制动器支座的应变最大位置处的应变值，确定出制动力矩值与应变值之间的函数关系；
步骤三、矿井提升机盘式制动器制动力矩测量，具体过程为：
步骤301、选择应变敏感元件，将多个应变敏感元件布设在制动器支座的应变最大位置处，对制动器支座的应变进行测量，得到应变测量信号；
步骤302、根据应变测量信号与应变值之间的关系，以及步骤二中确定出的制动力矩值与应变值之间的函数关系，确定出应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系；
步骤303、采用信号预处理模块对多个应变敏感元件输出的应变测量信号进行预处理，得到预处理后的应变测量信号；
步骤304、采用处理器，并根据步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系，将预处理后的应变测量信号换算为制动力矩值。
上述的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法，其特征在于：步骤一中所述三维建模软件为solidworks软件，步骤一中所述有限元软件为ansys软件。
上述的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法，其特征在于：所述盘式制动器为单对制动头作用或两对制动头同时作用；当盘式制动器为单对制动头作用时，步骤二中确定出的制动力矩值与应变值之间的函数关系为m＝k1×ε-b1；其中，m为制动力矩值，ε为应变值，k1为当盘式制动器为单对制动头作用时制动力矩值与应变值的函数关系的一次系数，b1为当盘式制动器为单对制动头作用时制动力矩值与应变值的函数关系的常数系数；当盘式制动器为两对制动头同时作用时，步骤二中确定出的制动力矩值与应变值之间的函数关系为m＝k2×ε-b2；中，m为制动力矩值，ε为应变值，k2为当盘式制动器为两对制动头同时作用时制动力矩值与应变值的函数关系的一次系数，b2为当盘式制动器为两对制动头同时作用时制动力矩值与应变值的函数关系的常数系数。
上述的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法，其特征在于：步骤301中选择的应变敏感元件为半导体应变片；
当盘式制动器为单对制动头作用时，将4个半导体应变片布设在制动器支座的应变最大位置处，4个半导体应变片采用半桥测量方法且分别为工作半导体应变片r1、工作半导体应变片r3、温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4，得到的应变测量信号为半桥的输出电压，所述工作半导体应变片r1和工作半导体应变片r3设置在上排且竖直设置，所述温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4设置在下排且水平设置；步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系为
当盘式制动器为两对制动头同时作用时，将4个半导体应变片布设在制动器支座的应变最大位置处，4个半导体应变片采用全桥测量方法且分别为工作半导体应变片r1’、工作半导体应变片r2’、工作半导体应变片r3’和工作半导体应变片r4’，得到的应变测量信号为全桥的输出电压，所述工作应变敏感元件r5和工作应变敏感元件r7竖直排列设置在应变极性相同的一侧，所述工作应变敏感元件r6和工作应变敏感元件r8竖直排列设置在应变极性相同的一侧且与工作应变敏感元件r5和工作应变敏感元件r7设置一侧的应变极性相反；步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系为
上述的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法，其特征在于：所述工作半导体应变片r1、工作半导体应变片r3、温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4的连接方法为：所述工作半导体应变片r1和温度补偿半导体应变片r2串联，所述温度补偿半导体应变片r4和工作半导体应变片r3串联，所述工作半导体应变片r1的自由端和温度补偿半导体应变片r4的自由端均与+5v电源的输出端连接，所述温度补偿半导体应变片r2的自由端和工作半导体应变片r3的自由端均接地，所述工作半导体应变片r1和温度补偿半导体应变片r2的连接端为半桥的第一输出端，所述温度补偿半导体应变片r4和工作半导体应变片r3的连接端为半桥的第二输出端；
所述工作半导体应变片r1’、工作半导体应变片r2’、工作半导体应变片r3’和工作半导体应变片r4’的连接方法为：所述工作半导体应变片r1’和工作半导体应变片r2’串联，所述工作半导体应变片r4’和工作半导体应变片r3’串联，所述工作半导体应变片r1’的自由端和工作半导体应变片r4’的自由端均与+5v电源的输出端连接，所述工作半导体应变片r2’的自由端和工作半导体应变片r3’的自由端均接地，所述工作半导体应变片r1’和工作半导体应变片r2’的连接端为全桥的第一输出端，所述工作半导体应变片r4’和工作半导体应变片r3’的连接端为全桥的第二输出端；
所述第一阻抗匹配及放大处理电路和第二阻抗匹配及放大处理电路的电路结构相同且均包括第一电压跟随电路、第二电压跟随电路和放大电路，所述第一电压跟随电路包括运算放大器u1和电阻r5，所述运算放大器u1的同相输入端为第一电压跟随电路的输入端，所述运算放大器u1的反向输入端通过电阻r5与运算放大器u1的输出端连接，所述运算放大器u1的输出端为第一电压跟随电路的输出端；所述第二电压跟随电路包括运算放大器u2和电阻r6，所述运算放大器u2的同相输入端为第二电压跟随电路的输入端，所述运算放大器u2的反向输入端通过电阻r6与运算放大器u2的输出端连接，所述运算放大器u2的输出端为第二电压跟随电路的输出端；所述放大电路包括运算放大器u3、电阻r7、电阻r8和滑动变阻器r9，所述运算放大器u3的同相输入端与第一电压跟随电路的输出端连接，所述运算放大器u3的反相输入端通过电阻r7与第二电压跟随电路的输出端连接，且与电阻r8的一端连接，所述电阻r8的另一端与滑动变阻器r9的一个固定端连接，所述滑动变阻器r9的另一个固定端和滑动端均与运算放大器u3的输出端连接，所述运算放大器u3的输出端为放大电路的输出端；
所述第一阻抗匹配及放大处理电路中第一电压跟随电路的输入端与半桥的第一输出端连接，所述第一阻抗匹配及放大处理电路中第二电压跟随电路的输入端与半桥的第二输出端连接，所述第一阻抗匹配及放大处理电路中放大电路的输出端与处理器的第一输入端连接；所述第二阻抗匹配及放大处理电路中第一电压跟随电路的输入端与全桥的第一输出端连接，所述第二阻抗匹配及放大处理电路中第二电压跟随电路的输入端与全桥的第二输出端连接，所述第二阻抗匹配及放大处理电路中放大电路的输出端与处理器的第二输入端连接。
上述的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法，其特征在于：步骤301中选择的应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计；
当盘式制动器为单对制动头作用时，步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系为m＝k5×δλ-b5，其中，δλ为光纤布拉格光栅应变计输出的波长位移，k5为应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计且当盘式制动器为单对制动头作用时应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系的一次系数，b5为应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计且当盘式制动器为单对制动头作用时应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系的常数系数；步骤303中所述信号预处理模块为光纤光栅解调仪；
当盘式制动器为两对制动头同时作用时，步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系为m＝k6×δλ-b6，其中，δλ为光纤布拉格光栅应变计输出的波长位移，k6为应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计且当盘式制动器为两对制动头同时作用时应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系的一次系数，b6为应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计且当盘式制动器为两对制动头同时作用时应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系的常数系数；步骤303中所述信号预处理模块为光纤光栅解调仪。
本发明还公开了一种结构简单、操作方便、实用性强、能够很好地满足使用需求、便于推广使用的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量装置，其特征在于：包括布设在制动器支座上且用于检测制动器支座应变大小的多个应变敏感元件，以及用于对多个应变敏感元件输出的信号进行预处理的信号预处理模块和用于将预处理后的应变测量信号换算为制动力矩值的处理器，多个应变敏感元件、信号预处理模块和处理器依次连接。
上述的测量装置，其特征在于：所述盘式制动器为单对制动头作用或两对制动头同时作用，所述应变敏感元件为半导体应变片；
当盘式制动器为单对制动头作用时，多个半导体应变片分别为连接为半桥的工作半导体应变片r1、工作半导体应变片r3、温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4，所述工作半导体应变片r1和工作半导体应变片r3设置在上排且竖直设置，所述温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4设置在下排且水平设置；所述信号预处理模块为第一阻抗匹配及放大处理电路；
当盘式制动器为两对制动头同时作用时，多个半导体应变片分别为连接为全桥的工作半导体应变片r1’、工作半导体应变片r2’、工作半导体应变片r3’和工作半导体应变片r4’，所述工作应变敏感元件r5和工作应变敏感元件r7竖直排列设置在应变极性相同的一侧，所述工作应变敏感元件r6和工作应变敏感元件r8竖直排列设置在应变极性相同的一侧且与工作应变敏感元件r5和工作应变敏感元件r7设置一侧的应变极性相反；所述信号预处理模块为第二阻抗匹配及放大处理电路。
上述的测量装置，其特征在于：所述工作半导体应变片r1和温度补偿半导体应变片r2串联，所述温度补偿半导体应变片r4和工作半导体应变片r3串联，所述工作半导体应变片r1的自由端和温度补偿半导体应变片r4的自由端均与+5v电源的输出端连接，所述温度补偿半导体应变片r2的自由端和工作半导体应变片r3的自由端均接地，所述工作半导体应变片r1和温度补偿半导体应变片r2的连接端为半桥的第一输出端，所述温度补偿半导体应变片r4和工作半导体应变片r3的连接端为半桥的第二输出端；
所述工作半导体应变片r1’和工作半导体应变片r2’串联，所述工作半导体应变片r4’和工作半导体应变片r3’串联，所述工作半导体应变片r1’的自由端和工作半导体应变片r4’的自由端均与+5v电源的输出端连接，所述工作半导体应变片r2’的自由端和工作半导体应变片r3’的自由端均接地，所述工作半导体应变片r1’和工作半导体应变片r2’的连接端为全桥的第一输出端，所述工作半导体应变片r4’和工作半导体应变片r3’的连接端为全桥的第二输出端；
所述第一阻抗匹配及放大处理电路和第二阻抗匹配及放大处理电路的电路结构相同且均包括第一电压跟随电路、第二电压跟随电路和放大电路，所述第一电压跟随电路包括运算放大器u1和电阻r5，所述运算放大器u1的同相输入端为第一电压跟随电路的输入端，所述运算放大器u1的反向输入端通过电阻r5与运算放大器u1的输出端连接，所述运算放大器u1的输出端为第一电压跟随电路的输出端；所述第二电压跟随电路包括运算放大器u2和电阻r6，所述运算放大器u2的同相输入端为第二电压跟随电路的输入端，所述运算放大器u2的反向输入端通过电阻r6与运算放大器u2的输出端连接，所述运算放大器u2的输出端为第二电压跟随电路的输出端；所述放大电路包括运算放大器u3、电阻r7、电阻r8和滑动变阻器r9，所述运算放大器u3的同相输入端与第一电压跟随电路的输出端连接，所述运算放大器u3的反相输入端通过电阻r7与第二电压跟随电路的输出端连接，且与电阻r8的一端连接，所述电阻r8的另一端与滑动变阻器r9的一个固定端连接，所述滑动变阻器r9的另一个固定端和滑动端均与运算放大器u3的输出端连接，所述运算放大器u3的输出端为放大电路的输出端；
所述第一阻抗匹配及放大处理电路中第一电压跟随电路的输入端与半桥的第一输出端连接，所述第一阻抗匹配及放大处理电路中第二电压跟随电路的输入端与半桥的第二输出端连接，所述第一阻抗匹配及放大处理电路中放大电路的输出端与处理器的第一输入端连接；所述第二阻抗匹配及放大处理电路中第一电压跟随电路的输入端与全桥的第一输出端连接，所述第二阻抗匹配及放大处理电路中第二电压跟随电路的输入端与全桥的第二输出端连接，所述第二阻抗匹配及放大处理电路中放大电路的输出端与处理器的第二输入端连接。
上述的测量装置，其特征在于：所述应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计，所述信号预处理模块为光纤光栅解调仪。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法，选择半导体应变片或者光纤布拉格光栅应变计作为应变敏感元件，并布置在制动器支座的应变最大位置，用以测量盘式制动器制动制动器支座的应变的大小；对半导体应变片采用电桥作为测量变换电路，将应变的变化变为电压的变化，由阻抗匹配及放大处理电路进行阻抗匹配及放大，再根据电压与力矩的关系式，得到制动力矩值；对光纤布拉格光栅应变计，采用光纤光栅解调仪，根据波长与力矩的关系式，得到制动力矩值；本发明创新性地通过测量制动器支座的应变，来测量矿井提升机盘式制动器的制动力矩，方法步骤简单，操作方便。
2、采用本发明的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法及装置对盘式制动器制动力矩进行测量时，无需对盘式制动器结构做任何改变，就能够方便地获得盘式制动器制动时的制动力矩，制动力矩测量方便，实用性强。
3、本发明矿井提升机盘式制动器制动力矩测量装置的结构简单，使用时不会受到油污染、油温的影响，能够很好地满足使用需求。
综上所述，本发明创新性地通过测量制动器支座的应变，来测量矿井提升机盘式制动器的制动力矩，方法步骤简单，操作方便，实用性强，能够很好地满足使用需求，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1和实施例2中矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法的方法流程框图。
图2为发明实施例1和实施例2中盘式制动器制动时制动器支座的受力分析图。
图3为本发明实施例1和实施例2中建立制动器支座的三维模型时制动器支座的结构图。
图4a为本发明实施例1和实施例2中采用solidworks软件建立的制动器支座的第一三维模型图。
图4b为本发明实施例1和实施例2中采用solidworks软件建立的制动器支座的第二三维模型图。
图5a为本发明实施例1和实施例2中盘式制动器为单对制动头作用时的示意图。
图5b为本发明实施例1和实施例2中盘式制动器为两对制动头同时作用时的示意图。
图6a为本发明实施例1和实施例2中盘式制动器为单对制动头作用时制动器支座的应变最大位置示意图。
图6b为本发明实施例1和实施例2中盘式制动器为两对制动头同时作用时制动器支座的应变最大位置示意图。
图7a为本发明实施例1中盘式制动器为单对制动头作用时半导体应变片的布设位置示意图。
图7b为本发明实施例1中盘式制动器为两对制动头同时作用时工作半导体应变片r1’和工作半导体应变片r3’的布设位置示意图。
图7c为本发明实施例1中盘式制动器为两对制动头同时作用时工作半导体应变片r2’和工作半导体应变片r4’的布设位置示意图。
图8为本发明实施例1中盘式制动器为单对制动头作用时半导体应变片与第一阻抗匹配及放大处理电路的电路连接图。
图9为本发明实施例1中盘式制动器为两对制动头同时作用时半导体应变片与第二阻抗匹配及放大处理电路的电路连接图。
图10为本发明实施例1和实施例3中盘式制动器为单对制动头作用时半导体应变片、第一阻抗匹配及放大处理电路和处理器的电路连接框图。
图11为本发明实施例1和实施例3中盘式制动器为两对制动头同时作用时半导体应变片、第二阻抗匹配及放大处理电路和处理器的电路连接框图。
图12为本发明实施例2和实施例4中光纤布拉格光栅应变计、光纤光栅解调仪和处理器的电路连接框图。
附图标记说明:
1—半导体应变片；2-1—第一阻抗匹配及放大处理电路；
2-2—第二阻抗匹配及放大处理电路；3—光纤布拉格光栅应变计；
4—光纤光栅解调仪；5—处理器。
具体实施方式
以下用实施例1和实施例2说明本发明的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法的具体方法步骤，用实施例3和实施例4说明本发明的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量装置的具体结构。
实施例1
如图1所示，本发明的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量方法，包括以下步骤：
步骤一、制动器支座在制动时应变最大位置的确定：采用三维建模软件建立盘式制动器的制动器支座的三维模型，将三维模型导入有限元软件中,进行力学仿真包括材料特性参数的设定、网格的划分与控制、边界条件设定、根据制动器支座的受力情况施加载荷，得到制动器支座等效应变云图，依据制动器支座等效应变云图确定制动器支座的应变最大位置；
步骤二、制动器支座应变与制动力矩之间的函数关系的确定：改变盘式制动器产生的制动力矩值，通过有限元仿真，得到不同制动力矩值作用下，制动器支座的应变最大位置处的应变值，确定出制动力矩值与应变值之间的函数关系；
步骤三、矿井提升机盘式制动器制动力矩测量，具体过程为：
步骤301、选择应变敏感元件，将多个应变敏感元件布设在制动器支座的应变最大位置处，对制动器支座的应变进行测量，得到应变测量信号；
步骤302、根据应变测量信号与应变值之间的关系，以及步骤二中确定出的制动力矩值与应变值之间的函数关系，确定出应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系；
步骤303、采用信号预处理模块对多个应变敏感元件输出的应变测量信号进行预处理，得到预处理后的应变测量信号；
步骤304、采用处理器5，并根据步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系，将预处理后的应变测量信号换算为制动力矩值。
本实施例中，步骤一中所述三维建模软件为solidworks软件，步骤一中所述有限元软件为ansys软件。
盘式制动器制动时制动器支座的受力分析图如图2所示，盘式制动器制动时，制动器支座主要受到盘式制动器的重力g和摩擦力产生的制动力矩m的作用。
本实施例中，建立盘式制动器的制动器支座的三维模型时，如图3所示，制动器支座的立板厚度为55mm，高度为835mm，上部窄边宽度为300mm，下部宽边宽度为520mm，底板长度为520mm，宽为400mm，高度为45mm，制动器支座用地脚螺栓固定。步骤一中采用solidworks软件建立的制动器支座的三维模型如图4所示。
本实施例中，所述盘式制动器为单对制动头作用或两对制动头同时作用；盘式制动器为单对制动头作用时的示意图如图5a所示，盘式制动器为两对制动头同时作用时的示意图如图5b所示；
当盘式制动器为单对制动头作用时，制动器支座的应变最大位置处在闸体安装螺孔下面位置1处，如图6a所示；步骤二中确定出的制动力矩值与应变值之间的函数关系为m＝k1×ε-b1；其中，m为制动力矩值，ε为应变值，k1为当盘式制动器为单对制动头作用时制动力矩值与应变值的函数关系的一次系数，b1为当盘式制动器为单对制动头作用时制动力矩值与应变值的函数关系的常数系数；
本实施例中，改变盘式制动器产生的制动力矩值从0均匀增大到40000nm，进行有限元仿真，得到k1＝85.564，b1＝0.0544，即制动力矩值与应变值之间的函数关系m＝k1×ε-b1表示为m＝85.564×ε-0.0544；
当盘式制动器为两对制动头同时作用时，制动器支座的应变最大位置处分别为位置2和位置3，如图6b所示；步骤二中确定出的制动力矩值与应变值之间的函数关系为m＝k2×ε-b2；中，m为制动力矩值，ε为应变值，k2为当盘式制动器为两对制动头同时作用时制动力矩值与应变值的函数关系的一次系数，b2为当盘式制动器为两对制动头同时作用时制动力矩值与应变值的函数关系的常数系数。
本实施例中，改变盘式制动器产生的制动力矩值从0均匀增大到40000nm，进行有限元仿真，得到k2＝185.83，b2＝0.0538，即制动力矩值与应变值之间的函数关系m＝k2×ε-b2表示为m＝185.83×ε-0.0538；
本实施例中，步骤301中选择的应变敏感元件为半导体应变片1；
半导体应变片1是利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件，压阻效应是半导体晶体材料在某一方向受力产生变形时材料的电阻率发生变化的现象。半导体应变片1最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体积小等特点，扩大了半导体应变片1的使用范围。
具体地，所述半导体应变片1的型号为hu-101c。
当盘式制动器为单对制动头作用时，将4个半导体应变片1布设在制动器支座的应变最大位置处，4个半导体应变片1采用半桥测量方法且分别为工作半导体应变片r1、工作半导体应变片r3、温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4，得到的应变测量信号为半桥的输出电压，所述工作半导体应变片r1和工作半导体应变片r3设置在上排且竖直设置，所述温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4设置在下排且水平设置；如图7a所示；步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系为
本实施例中，k3＝1.426×106，b3＝0.0544，ue＝5v，即步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系
表示为
步骤303中所述信号预处理模块为第一阻抗匹配及放大处理电路2-1，步骤304中所述处理器5根据步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系，将预处理后的应变测量信号换算为制动力矩值时，采用的换算公式为
当盘式制动器为两对制动头同时作用时，将4个半导体应变片1布设在制动器支座的应变最大位置处，4个半导体应变片1采用全桥测量方法且分别为工作半导体应变片r1’、工作半导体应变片r2’、工作半导体应变片r3’和工作半导体应变片r4’，得到的应变测量信号为全桥的输出电压，所述工作应变敏感元件r5和工作应变敏感元件r7竖直排列设置在应变极性相同的一侧，所述工作应变敏感元件r6和工作应变敏感元件r8竖直排列设置在应变极性相同的一侧且与工作应变敏感元件r5和工作应变敏感元件r7设置一侧的应变极性相反；如图7b和图7c所示；步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系为
本实施例中，k4＝1.324×106，b4＝0.0538，ue＝5v，即步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系
表示为
步骤303中所述信号预处理模块为第二阻抗匹配及放大处理电路2-2，步骤304中所述处理器5根据步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系，将预处理后的应变测量信号换算为制动力矩值时，采用的换算公式为
本实施例中，如图8所示，所述工作半导体应变片r1、工作半导体应变片r3、温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4的连接方法为：所述工作半导体应变片r1和温度补偿半导体应变片r2串联，所述温度补偿半导体应变片r4和工作半导体应变片r3串联，所述工作半导体应变片r1的自由端和温度补偿半导体应变片r4的自由端均与+5v电源的输出端连接，所述温度补偿半导体应变片r2的自由端和工作半导体应变片r3的自由端均接地，所述工作半导体应变片r1和温度补偿半导体应变片r2的连接端为半桥的第一输出端，所述温度补偿半导体应变片r4和工作半导体应变片r3的连接端为半桥的第二输出端；
如图9所示，所述工作半导体应变片r1’、工作半导体应变片r2’、工作半导体应变片r3’和工作半导体应变片r4’的连接方法为：所述工作半导体应变片r1’和工作半导体应变片r2’串联，所述工作半导体应变片r4’和工作半导体应变片r3’串联，所述工作半导体应变片r1’的自由端和工作半导体应变片r4’的自由端均与+5v电源的输出端连接，所述工作半导体应变片r2’的自由端和工作半导体应变片r3’的自由端均接地，所述工作半导体应变片r1’和工作半导体应变片r2’的连接端为全桥的第一输出端，所述工作半导体应变片r4’和工作半导体应变片r3’的连接端为全桥的第二输出端；
如图8和图9所示，所述第一阻抗匹配及放大处理电路2-1和第二阻抗匹配及放大处理电路2-2的电路结构相同且均包括第一电压跟随电路、第二电压跟随电路和放大电路，所述第一电压跟随电路包括运算放大器u1和电阻r5，所述运算放大器u1的同相输入端为第一电压跟随电路的输入端，所述运算放大器u1的反向输入端通过电阻r5与运算放大器u1的输出端连接，所述运算放大器u1的输出端为第一电压跟随电路的输出端；所述第二电压跟随电路包括运算放大器u2和电阻r6，所述运算放大器u2的同相输入端为第二电压跟随电路的输入端，所述运算放大器u2的反向输入端通过电阻r6与运算放大器u2的输出端连接，所述运算放大器u2的输出端为第二电压跟随电路的输出端；所述放大电路包括运算放大器u3、电阻r7、电阻r8和滑动变阻器r9，所述运算放大器u3的同相输入端与第一电压跟随电路的输出端连接，所述运算放大器u3的反相输入端通过电阻r7与第二电压跟随电路的输出端连接，且与电阻r8的一端连接，所述电阻r8的另一端与滑动变阻器r9的一个固定端连接，所述滑动变阻器r9的另一个固定端和滑动端均与运算放大器u3的输出端连接，所述运算放大器u3的输出端为放大电路的输出端；
具体实施时，所述运算放大器u1和运算放大器u2分别为运算放大器芯片lm324中的两个运算放大器，所述运算放大器u3为运算放大器芯片ad712；
所述第一阻抗匹配及放大处理电路2-1中第一电压跟随电路的输入端与半桥的第一输出端连接，所述第一阻抗匹配及放大处理电路2-1中第二电压跟随电路的输入端与半桥的第二输出端连接，所述第一阻抗匹配及放大处理电路2-1中放大电路的输出端与处理器5的第一输入端连接；所述第二阻抗匹配及放大处理电路2-2中第一电压跟随电路的输入端与全桥的第一输出端连接，所述第二阻抗匹配及放大处理电路2-2中第二电压跟随电路的输入端与全桥的第二输出端连接，所述第二阻抗匹配及放大处理电路2-2中放大电路的输出端与处理器5的第二输入端连接。
具体实施时，所述第一电压跟随电路和第二电压跟随电路均能够提高共模抑制比，降低噪声；所述放大电路中，反馈电阻由固定电阻r8和滑动变阻器r9组成，放大倍数a1和放大倍数a2均可在0～20倍之间调节，即a1和a2的取值均为0～20。
实施例2
如图12所示，本实施例与实施例1不同的是：步骤301中选择的应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计3；
光纤布拉格光栅应变计3是近年来兴起的新的应变测量方法。其原理是：当宽带光源照射光纤时，由于光栅的作用，在布拉格波长处的一个窄带光谱部分将会被反射回来，而反射波长光谱主要取决于光栅周期和有效折射率。当光栅周围的应变或其他代测物理量发生变化时，将导致光栅周期或者纤芯折射率的变化，从而产生光栅信号的波长位移，通过检测波长的位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。与传统传感器相比，光纤布拉格光栅应变计3有以下特点：测量信息是波长编码的,所以,光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响,因此具有较好的抗电磁干扰，抗腐蚀等特点，能够适合恶劣环境工作，且具有良好的数据传输能力，信号不会衰减，适合远距离传输，传感器距解调仪最远可达5km左右。
具体实施时，在需要有较高抗电磁干扰的场合，选用光纤布拉格光栅应变计3。
本实施例中，所述光纤布拉格光栅应变计3为苏州南智传感科技有限公司生产的型号为nzs-fbg-smsg的贴片式光纤光栅应变计，分辨精度为1με，量程为±1500με，应变灵敏度系数是1.2pm/με；由于制动器支座为钢结构，对于钢结构表面选择贴片式光纤光栅应变计，其与钢结构匹配性较好，有好的应变响应，且贴片式光纤光栅应变计由金属基带封装，对光栅有保护作用，适合工程实际应用。
当盘式制动器为单对制动头作用时，步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系为m＝k5×δλ-b5，其中，δλ为光纤布拉格光栅应变计3输出的波长位移，k5为应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计3且当盘式制动器为单对制动头作用时应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系的一次系数，b5为应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计3且当盘式制动器为单对制动头作用时应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系的常数系数；步骤303中所述信号预处理模块为光纤光栅解调仪4；
本实施例中，k5＝71.288，b5＝0.0544，即步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系m＝k5×δλ-b5表示为m＝71.288×δλ-0.0544；
当盘式制动器为两对制动头同时作用时，步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系为m＝k6×δλ-b6，其中，δλ为光纤布拉格光栅应变计3输出的波长位移，k6为应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计3且当盘式制动器为两对制动头同时作用时应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系的一次系数，b6为应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计3且当盘式制动器为两对制动头同时作用时应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系的常数系数；步骤303中所述信号预处理模块为光纤光栅解调仪4。
本实施例中，k6＝154.858，b6＝0.0538，即步骤302中确定出的应变敏感元件输出的应变测量信号与制动力矩值之间的函数关系m＝k6×δλ-b6表示为m＝154.858×δλ-0.0538；
其余方法步骤均与实施例1相同。
实施例3
如图10和图11所示，本发明的矿井提升机盘式制动器制动力矩测量装置，包括布设在制动器支座上且用于检测制动器支座应变大小的多个应变敏感元件，以及用于对多个应变敏感元件输出的信号进行预处理的信号预处理模块和用于将预处理后的应变测量信号换算为制动力矩值的处理器5，多个应变敏感元件、信号预处理模块和处理器5依次连接。
本实施例中，所述盘式制动器为单对制动头作用或两对制动头同时作用，所述应变敏感元件为半导体应变片1；
当盘式制动器为单对制动头作用时，多个半导体应变片1分别为连接为半桥的工作半导体应变片r1、工作半导体应变片r3、温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4，如图7a所示，所述工作半导体应变片r1和工作半导体应变片r3设置在上排且竖直设置，所述温度补偿半导体应变片r2和温度补偿半导体应变片r4设置在下排且水平设置；所述信号预处理模块为第一阻抗匹配及放大处理电路2-1；
当盘式制动器为两对制动头同时作用时，多个半导体应变片1分别为连接为全桥的工作半导体应变片r1’、工作半导体应变片r2’、工作半导体应变片r3’和工作半导体应变片r4’，如图7b所示，所述工作应变敏感元件r5和工作应变敏感元件r7竖直排列设置在应变极性相同的一侧，所述工作应变敏感元件r6和工作应变敏感元件r8竖直排列设置在应变极性相同的一侧且与工作应变敏感元件r5和工作应变敏感元件r7设置一侧的应变极性相反；所述信号预处理模块为第二阻抗匹配及放大处理电路2-2。
本实施例中，如图8所示，所述工作半导体应变片r1和温度补偿半导体应变片r2串联，所述温度补偿半导体应变片r4和工作半导体应变片r3串联，所述工作半导体应变片r1的自由端和温度补偿半导体应变片r4的自由端均与+5v电源的输出端连接，所述温度补偿半导体应变片r2的自由端和工作半导体应变片r3的自由端均接地，所述工作半导体应变片r1和温度补偿半导体应变片r2的连接端为半桥的第一输出端，所述温度补偿半导体应变片r4和工作半导体应变片r3的连接端为半桥的第二输出端；
如图9所示，所述工作半导体应变片r1’和工作半导体应变片r2’串联，所述工作半导体应变片r4’和工作半导体应变片r3’串联，所述工作半导体应变片r1’的自由端和工作半导体应变片r4’的自由端均与+5v电源的输出端连接，所述工作半导体应变片r2’的自由端和工作半导体应变片r3’的自由端均接地，所述工作半导体应变片r1’和工作半导体应变片r2’的连接端为全桥的第一输出端，所述工作半导体应变片r4’和工作半导体应变片r3’的连接端为全桥的第二输出端；
如图8和图9所示，所述第一阻抗匹配及放大处理电路2-1和第二阻抗匹配及放大处理电路2-2的电路结构相同且均包括第一电压跟随电路、第二电压跟随电路和放大电路，所述第一电压跟随电路包括运算放大器u1和电阻r5，所述运算放大器u1的同相输入端为第一电压跟随电路的输入端，所述运算放大器u1的反向输入端通过电阻r5与运算放大器u1的输出端连接，所述运算放大器u1的输出端为第一电压跟随电路的输出端；所述第二电压跟随电路包括运算放大器u2和电阻r6，所述运算放大器u2的同相输入端为第二电压跟随电路的输入端，所述运算放大器u2的反向输入端通过电阻r6与运算放大器u2的输出端连接，所述运算放大器u2的输出端为第二电压跟随电路的输出端；所述放大电路包括运算放大器u3、电阻r7、电阻r8和滑动变阻器r9，所述运算放大器u3的同相输入端与第一电压跟随电路的输出端连接，所述运算放大器u3的反相输入端通过电阻r7与第二电压跟随电路的输出端连接，且与电阻r8的一端连接，所述电阻r8的另一端与滑动变阻器r9的一个固定端连接，所述滑动变阻器r9的另一个固定端和滑动端均与运算放大器u3的输出端连接，所述运算放大器u3的输出端为放大电路的输出端；
所述第一阻抗匹配及放大处理电路2-1中第一电压跟随电路的输入端与半桥的第一输出端连接，所述第一阻抗匹配及放大处理电路2-1中第二电压跟随电路的输入端与半桥的第二输出端连接，所述第一阻抗匹配及放大处理电路2-1中放大电路的输出端与处理器5的第一输入端连接；所述第二阻抗匹配及放大处理电路2-2中第一电压跟随电路的输入端与全桥的第一输出端连接，所述第二阻抗匹配及放大处理电路2-2中第二电压跟随电路的输入端与全桥的第二输出端连接，所述第二阻抗匹配及放大处理电路2-2中放大电路的输出端与处理器5的第二输入端连接。
具体实施时，所述运算放大器u1和运算放大器u2分别为运算放大器芯片lm324中的两个运算放大器，所述运算放大器u3为运算放大器芯片ad712。
实施例4
如图12所示，本实施例与实施例3不同的是：所述应变敏感元件为光纤布拉格光栅应变计3，所述信号预处理模块为光纤光栅解调仪4。其余结构均与实施例3相同。
综上所述，本发明选择半导体应变片1或者光纤布拉格光栅应变计3作为应变敏感元件，并布置在制动器支座的应变最大位置，用以测量盘式制动器制动制动器支座的应变的大小；对半导体应变片1采用电桥作为测量变换电路，将应变的变化变为电压的变化，由阻抗匹配及放大处理电路进行阻抗匹配及放大，再根据电压与力矩的关系式，得到制动力矩值；对光纤布拉格光栅应变计3，采用光纤光栅解调仪4，根据波长与力矩的关系式，得到制动力矩值。本发明创新性地通过测量制动器支座的应变，来测量矿井提升机盘式制动器的制动力矩，无需对盘式制动器结构做任何改变，就能够方便地获得盘式制动器制动时的制动力矩，制动力矩测量方便，实用性强。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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