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用于工程機(jī)械故障檢測的傳感器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】用于工程機(jī)械故障檢測的傳感器系統(tǒng)，包括：微應(yīng)變片陣列、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊及無線傳輸元件。微應(yīng)變片陣列直接粘貼在工程機(jī)械上應(yīng)力集中處，微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸元件集成于柔性基板上并固定于工程機(jī)械。柔性基板上設(shè)有印刷電路使微應(yīng)變片陣列及傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的電連接，無線傳輸元件輸出檢測信號。微應(yīng)變片陣列粘貼在工程機(jī)械臂架、連桿及銷軸上，微加速度傳感器安裝于工程機(jī)械振動強(qiáng)烈的臂架連接部位及整根臂架末端，微壓電超聲傳感器安裝于工程機(jī)械臂架以及連桿上。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)用多傳感器系統(tǒng)對工程機(jī)械使用進(jìn)行全面檢測，及時處理工程機(jī)械的故障。
【專利說明】用于工程機(jī)械故障檢測的傳感器系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及工程機(jī)械安全監(jiān)控設(shè)備，特別涉及一種用于工程機(jī)械故障檢測的傳感器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器作為一種監(jiān)測設(shè)備已在社會中得到廣泛的應(yīng)用，它為系統(tǒng)的決策和處理提供了所必須的原始數(shù)據(jù)。例如，在轎車上就集成多種傳感器，用于整車一些重要數(shù)據(jù)的提取與監(jiān)控，保證車輛及使用者的安全。但在工程機(jī)械上卻較少看到用于安全監(jiān)測的傳感器。
[0003]在我國以及美國的專利數(shù)據(jù)庫到目前為止還未找到將微應(yīng)變片陣列的微加速度計，微壓電超聲傳感器用于工程機(jī)械安全監(jiān)控的案例，在實(shí)際工程中也很少見到這樣的運(yùn)用。目前國產(chǎn)工程機(jī)械在中國市場的占有率已達(dá)80%以上，用于安全監(jiān)測的傳感器在工程機(jī)械上的使用還處于落后的狀態(tài)。我國工程機(jī)械普遍施工任務(wù)繁重，工作環(huán)境惡劣，不重視設(shè)備保養(yǎng)，因此我國的工程機(jī)械往往壽命短，使用中存在嚴(yán)重的安全隱患。在我國，傳統(tǒng)的工程機(jī)械往往沒有安全監(jiān)測裝置，或者只是針對某一種重要的故障形式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，難以實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的全面監(jiān)測，因此工程機(jī)械在使用時存在著諸多的安全隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是針對已有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種用于工程機(jī)械故障檢測的傳感器系統(tǒng)。
[0005]在本實(shí)用新型中，通過使用應(yīng)變片陣列監(jiān)測工程機(jī)械關(guān)鍵部位的應(yīng)力、應(yīng)變狀況，用加速度計監(jiān)測工程機(jī)械工作部件的振動，用微壓電超聲傳感器監(jiān)測工程機(jī)械工作部件關(guān)鍵處的裂紋，并將三者集成，從而達(dá)到對工程機(jī)械全面實(shí)時安全監(jiān)控的目的。
[0006]本實(shí)用新型的系統(tǒng)由微應(yīng)變片陣列、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸元件組成，其特征在于所述微應(yīng)變片陣列直接粘貼于工程機(jī)械應(yīng)力集中處，用于檢測粘貼處的應(yīng)力狀況。微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸元件集成于柔性基板上，通過柔性基板固定于工程機(jī)械。該基板具有柔韌性，能夠隨粘貼部位產(chǎn)生一定的微形變，柔性基板上設(shè)有印刷電路，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的電連接，微應(yīng)變片陣列及傳感器經(jīng)印刷電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的電連接，系統(tǒng)經(jīng)無線傳輸元件輸出檢測信號。微加速度傳感器安裝于工程機(jī)械振動強(qiáng)烈(如整套臂架的端部)及主要的連接部位(如各節(jié)臂架以及連桿上)。通過采集各處微加速度傳感器所測得的數(shù)據(jù)，對工程機(jī)械臂架的振動水平進(jìn)行監(jiān)測。微壓電超聲傳感器安裝于工程機(jī)械臂架以及連桿上。系統(tǒng)經(jīng)無線傳輸元件輸出檢測信號，根據(jù)工程機(jī)械關(guān)鍵部位危險點(diǎn)的具體應(yīng)力分布特征及構(gòu)件幾何特征，采用應(yīng)變片花或惠斯通電橋?qū)?gòu)件的應(yīng)力水平進(jìn)行實(shí)時檢測。在普通工作狀態(tài)下，微壓電超聲傳感器處于低功耗的監(jiān)聽狀態(tài)。當(dāng)有裂紋產(chǎn)生或擴(kuò)展時，所激發(fā)的機(jī)械波會激活微壓電超聲傳感器，微壓電超聲傳感器會主動發(fā)出超聲波到結(jié)構(gòu)中，再通過檢測從結(jié)構(gòu)中反射回來的超聲波對裂紋位置和大小進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。[0007]所述數(shù)據(jù)處理模塊由數(shù)據(jù)放大器，A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)組成。其中微應(yīng)變片、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器與數(shù)據(jù)放大器連接，數(shù)據(jù)放大器與A/D轉(zhuǎn)換器電路連接，A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)電路連接，單片機(jī)與無線傳輸元件電路連接。
[0008]所述微應(yīng)變片陣列、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸元件之間的連接方式為有線電路連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)由外部電源統(tǒng)一供電，或通過能量收集器供電。
[0009]所述在工程機(jī)械上易布線的位置采用傳統(tǒng)電線供能，不易布線的位置及小功率器件采用能量收集裝置或電池供能。能量收集器為具有壓電功能的能量收集裝置，能夠在工程機(jī)械工作的時候，將其部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，對系統(tǒng)中的微電裝置供能。
[0010]所述微應(yīng)變片陣列粘貼在銷軸上采用應(yīng)變花監(jiān)測方式，粘貼在工程機(jī)械臂架上的微應(yīng)變片陣列采用惠斯通電橋監(jiān)測方式。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過基于MEMS技術(shù)的芯片制作及封裝方法，將多傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的總體尺寸減到最小，運(yùn)用多傳感器系統(tǒng)對工程機(jī)械使用進(jìn)行全面檢測，實(shí)現(xiàn)在工程機(jī)械上的可行性，及時處理工程機(jī)械的故障。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1傳感器在工程機(jī)械上的結(jié)構(gòu)布置示意圖；
[0013]圖2應(yīng)變片在臂架底端U型槽處的粘貼方式示意圖；
[0014]圖3應(yīng)變片在臂架連接銷軸處的粘貼方式示意圖；
[0015]圖4微壓電超聲傳感器的工作原理示意圖，其中:(a)微壓電超聲傳感器被動監(jiān)測，低功耗狀態(tài)；(b)裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展產(chǎn)生機(jī)械波；(C)主動監(jiān)測，發(fā)出超聲波；(d)裂紋將超聲波發(fā)射回微壓電超聲傳感器；圖5系統(tǒng)通過柔性基板在臂架上的結(jié)構(gòu)固定示意圖。
[0016]圖中:1臂架、2連桿、3銷軸、4微應(yīng)變片陣列、5微加速度傳感器、6微壓電超聲傳感器、7能量收集器、8應(yīng)變片、9應(yīng)變片、10應(yīng)變片、11應(yīng)變片、12臂架底端U型槽。13臂架、14銷軸、15應(yīng)變花、17臂架鋼結(jié)構(gòu)、18裂紋、19定值電阻、20固定膠板、21測量應(yīng)變片、22信號放大器、23A/D轉(zhuǎn)換器、24單片機(jī)、25無線傳輸元件、26溫度補(bǔ)償應(yīng)變片、27金屬隔離臺、28臂架、30柔性基板。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的實(shí)施例。參見圖1?4，
[0018]微應(yīng)變片陣列4、微加速度傳感器5、微壓電超聲傳感器6、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸元件25集成于柔性基板上，柔性基板上設(shè)有印刷電路，微應(yīng)變片陣列4及傳感器經(jīng)印刷電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的電連接，系統(tǒng)經(jīng)無線傳輸元件25輸出檢測信號。
[0019]參見圖1，圖1顯示的是用于工程機(jī)械關(guān)鍵部件(臂架1，連桿2，銷軸3)安全監(jiān)控的傳感器布置實(shí)施例，將微應(yīng)變片陣列4貼裝于臂架I以及連桿2之上，粘貼位置皆為利用仿真計算以及實(shí)驗(yàn)分析之后得到的危險點(diǎn)，用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力水平；微加速度傳感器5安裝于臂架I的兩處，用于監(jiān)測臂架I的振動水平；微壓電超聲傳感器6貼裝于臂架I以及銷軸6之上，用于對結(jié)構(gòu)的裂紋的生長和擴(kuò)展進(jìn)行主/被動相結(jié)合的方式進(jìn)行監(jiān)測。
[0020]微應(yīng)變片陣列4及其數(shù)據(jù)處理模塊、微加速度傳感器5、微壓電超聲傳感器6及無線傳輸元件25之間的電路連接為有線電路連接，由外部電源統(tǒng)一供電，或通過能量收集器供電。本實(shí)施例采用能量收集器供電。在臂架I連接部位以及銷軸3上安裝的傳感器由于難以進(jìn)行有線互聯(lián)，在傳感器安裝處集成能量收集器7，用于吸收工程機(jī)械的振動能量，給微應(yīng)變片陣列4、微加速度傳感器5、微壓電超聲傳感器6供能，所采集的信號通過無線引出。
[0021]應(yīng)力需要監(jiān)測的部位包括應(yīng)力水平較大的部位，如臂架底端U型槽處，應(yīng)力水平較復(fù)雜的部位，如各節(jié)臂架連接銷軸處。微應(yīng)變片陣列粘貼在銷軸上采用應(yīng)變花監(jiān)測方式，粘貼在工程機(jī)械臂架上的微應(yīng)變片陣列采用惠斯通電橋監(jiān)測方式。應(yīng)變片在這些部位的具體粘貼方式如圖2、圖3所示。其中，圖2是應(yīng)變片在臂架底端U型槽12處的粘貼方式，由于這個部位位于鋼板端部，因此可在鋼板的內(nèi)外表面均粘貼應(yīng)變片8、應(yīng)變片9、應(yīng)變片10、應(yīng)變片11，并通過內(nèi)外鋼板一面受拉，一面受壓的受力特點(diǎn)及將應(yīng)變片組成惠斯通電橋，從而提高電橋的靈敏度。圖3是應(yīng)變片在各節(jié)臂架13連接銷軸處的粘貼方式，由于這個位置的應(yīng)力水平較復(fù)雜，很難判斷出主應(yīng)力的方向，因此采用應(yīng)變花15對此部位進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。
[0022]振動需要監(jiān)測的部位包括整套臂架的端部及各節(jié)臂架的連接處。通過在這些部位固定微加速度傳感器5，完成對泵車臂架振動狀況的監(jiān)測。其固定方式為將微加速度傳感器5集成于柔性基板，再將柔性基板固定于臂架的鋼結(jié)構(gòu)上。
[0023]微壓電超聲傳感器的主/被動結(jié)合的檢測方式如圖4所不,微壓電超聲傳感器6安裝在臂架的鋼結(jié)構(gòu)17表面，正常工作情況下，微壓電超聲傳感器6處于低功耗的監(jiān)聽狀態(tài)，即被動檢測，如圖4a。當(dāng)臂架鋼結(jié)構(gòu)17有裂紋18生長或擴(kuò)展時，會產(chǎn)生高頻機(jī)械波，就會被處于被動監(jiān)測狀態(tài)的微壓電超聲傳感器6捕捉到,如圖4b。此時,微壓電超聲傳感器6激活，發(fā)出大功率的超聲波，即轉(zhuǎn)為主動檢測，如圖4c。結(jié)構(gòu)的裂紋18會將超聲波反射回微壓電超聲傳感器，如圖4d。通過信號的分析，可以實(shí)現(xiàn)對裂紋的精確定位。
[0024]參見圖5，柔性基板30用于電子器件的固定和電互連。相比于IC工業(yè)中常用的印制電路板，該柔性基板30具有輕，薄，小，結(jié)構(gòu)靈活等特點(diǎn)，能夠進(jìn)行動態(tài)彎曲，卷曲和折疊，適合于在臂架鋼結(jié)構(gòu)上的集成。其中定值電阻19、測量應(yīng)變片21、溫度補(bǔ)償應(yīng)變片26構(gòu)成整個惠斯通電橋，設(shè)有兩個定值電阻19，整個電橋?yàn)榘霕蛐问?。固定膠板20用于兩個定值電阻19在臂架28上的固定，金屬隔離臺27的金屬成分與臂架28的金屬成分相同，目的是將溫度補(bǔ)償應(yīng)變片隔離起來，使其不受臂架應(yīng)力的作用，真正起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。測量應(yīng)變片21通過粘結(jié)劑直接粘貼在臂架28上，用于臂架28應(yīng)變的測量。
[0025]數(shù)據(jù)處理模塊由數(shù)據(jù)放大器22，A/D轉(zhuǎn)換器23及單片機(jī)24組成，微應(yīng)變片4、微加速度傳感器5、微壓電超聲傳感器6與數(shù)據(jù)放大器22電路連接，數(shù)據(jù)放大器22與A/D轉(zhuǎn)換器23電路連接，A/D轉(zhuǎn)換器23與單片機(jī)24電路連接，單片機(jī)24與無線傳輸元件電路25連接。單片機(jī)24處理過的數(shù)據(jù)信息通過25無線傳輸元件傳輸給系統(tǒng)中心進(jìn)行進(jìn)一步處理。微加速度傳感器5、微壓電超聲傳感器6采集的信息傳輸給無線發(fā)射裝置25，發(fā)送到系統(tǒng)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。信號放大器22、A/D轉(zhuǎn)換器23、單片機(jī)24、無線發(fā)射裝置25、微加速度傳感器5、微壓電超聲傳感器6均固定在柔性基板30之上,而柔性基板30固定于臂架28之上。
[0026]如果整套臂架的端部只需要監(jiān)測振動而無需監(jiān)測應(yīng)變，則在此處的柔性基板上只需集成加速度傳感器，不需要固定應(yīng)變片；同理有些部位只需應(yīng)變測量而不用振動監(jiān)測，則在此處的柔性基板上只需固定應(yīng)變片及其信號處理模塊。
[0027]各傳感器組成監(jiān)測系統(tǒng)后，還要對整套系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)封裝。系統(tǒng)封裝的目的在于將器件保護(hù)起來，使其免受外部的污染，通過器件集成，減小總體尺寸，系統(tǒng)封裝采用塑料封裝，使其獲得較高可靠性。
【權(quán)利要求】
1.一種用于工程機(jī)械故障檢測的傳感器系統(tǒng)，包括:微應(yīng)變片陣列、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊及無線傳輸元件，其特征在于所述微應(yīng)變片陣列直接粘貼在工程機(jī)械上應(yīng)力集中處，微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊及無線傳輸元件集成于柔性基板上，通過柔性基板固定于工程機(jī)械，柔性基板上設(shè)有印刷電路，微應(yīng)變片陣列及傳感器經(jīng)印刷電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的電連接，系統(tǒng)經(jīng)無線傳輸元件輸出檢測信號，微應(yīng)變片陣列粘貼在工程機(jī)械臂架、連桿及銷軸上，微加速度傳感器安裝于工程機(jī)械振動強(qiáng)烈的臂架連接部位及整根臂架末端，微壓電超聲傳感器安裝于工程機(jī)械臂架以及連桿上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于工程機(jī)械故障檢測的傳感器系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)處理模塊由數(shù)據(jù)放大器，A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)組成，微應(yīng)變片、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器與數(shù)據(jù)放大器連接，數(shù)據(jù)放大器與A/D轉(zhuǎn)換器連接，A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)電路連接，單片機(jī)與無線傳輸元件電路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于工程機(jī)械故障檢測的傳感器系統(tǒng)，其特征在于所述微應(yīng)變片陣列為應(yīng)變花監(jiān)測粘貼在銷軸上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于工程機(jī)械故障檢測的傳感器系統(tǒng)，其特征在于所述微應(yīng)變片陣列為惠斯通電橋監(jiān)測粘貼在工程機(jī)械臂架上。
【文檔編號】G01D21/02GK203704971SQ201320811013
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】劉勝, 李龍, 王小平 申請人:武漢飛恩微電子有限公司