履带行驶结构的内置式无线应变采集卡设计研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.151

工程设计学报

2024, Vol. 31

Issue (3): 393-401 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.151

机械零部件与装备设计

履带行驶结构的内置式无线应变采集卡设计研究

殷国珠¹(

),张宏¹(

),宋扬²,王景宇¹,宋佳琪¹

^1.太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024
^2.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006

Design and research of built-in wireless strain acquisition card for tracked traveling structure

Guozhu YIN¹(

),Hong ZHANG¹(

),Yang SONG²,Jingyu WANG¹,Jiaqi SONG¹

^1.School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China
^2.Taiyuan Research Institute Company Limited, China Coal Technology and Engineering Group, Taiyuan 030006, China

全文: PDF(4163 KB) HTML

摘要：

针对煤矿履带掘进机器人在行驶过程中难以获取履带载荷的问题，基于电阻应变片的应变效应和测量电路，设计了一套适用于采集履带行驶结构动态特性的四通道无线应变采集卡。首先，分析了应变采集卡的电路和工作原理。然后，将2对应变片对称布置在试样板中，以DH5902N坚固型数据采集分析系统所采集的应变数据作为标准，通过仿真与试验相结合的方法对应变采集卡4个通道的灵敏度分别进行了标定。最后，将应变采集卡集成封装后内置于履带行驶结构中，并探讨了应变采集卡在封装环境下连续工作时的温度变化规律。结果表明，所设计的应变采集卡可同时采集4个通道的应变信号，其最高采样频率为1 000 Hz，发射功率为4.5 dBm，应变采集误差不超过5×10^-6。该应变采集卡在封装环境下连续工作34.7 h后的温度稳定在34.58 ℃左右，可实现履带行驶结构的多自由度应变信号检测。研究结果为履带行驶结构动态载荷的实时采集以及掘进机器人的可靠性分析和故障预测提供了技术支撑。

关键词： 履带行驶结构; 应变采集卡; 标定; 封装

Abstract:

Aiming at the problem that it is difficult to obtain the track load of coal mine tracked tunneling robots during driving, a set of four-channel wireless strain acquisition card suitable for collecting dynamic characteristics of tracked traveling structure was designed based on the strain effect of resistive strain gauges and the measurement circuit. Firstly, the circuit and working principle of the strain acquisition card were analyzed. Then, two pairs of strain gauges were symmetrically arranged on the test template, and the strain data collected by DH5902N rugged data acquisition and analysis system was used as the standard to calibrate the sensitivity of four channels in the strain acquisition card through the combination of simulation and test. Finally, the strain acquisition card was integrated and packaged in the tracked traveling structure, and the temperature variation rule of the strain acquisition card under continuous operation in the package environment was discussed. The results showed that the designed strain acquisition card could collect the strain signal of four channels at the same time. Its maximum sampling frequency was 1 000 Hz, transmitting power was 4.5 dBm, and strain acquisition error was less than 5×10^-6. The temperature of the strain acquisition card was stable at 34.58 ℃ after 34.7 h continuous operation in the package environment, which could realize the multi-degree-of-freedom strain signal detection for the tracked traveling structure. The research results provide technical support for real-time acquisition of the dynamic load of tracked traveling structures and the reliability analysis and fault prediction of tunneling robots.

Key words: tracked traveling structure strain acquisition card calibration package

收稿日期: 2023-04-20 出版日期: 2024-06-27

CLC:

TH 113

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52075355);中央引导地方科技发展资金项目(YDZJSX20231A050);山西省重点研发计划项目(202202100401012);山西省研究生教育创新项目(2022Y681)

通讯作者: 张宏 E-mail: 19581596040@163.com;hexie007@163.com

作者简介: 殷国珠（1992—），男，山西朔州人，硕士生，从事机械状态健康监测与智能维护研究，E-mail: 19581596040@163.com，https://orcid.org/0009-0007-4851-9636

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引用本文:

殷国珠,张宏,宋扬,王景宇,宋佳琪. 履带行驶结构的内置式无线应变采集卡设计研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(3): 393-401.

Guozhu YIN,Hong ZHANG,Yang SONG,Jingyu WANG,Jiaqi SONG. Design and research of built-in wireless strain acquisition card for tracked traveling structure[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(3): 393-401.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.151 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I3/393

图1 直流电桥的基本结构

图2 应变采集卡工作原理

图3 应变采集卡电路图

图4 应变采集卡标定装置

图5 试样板上应变片的粘贴位置

表1 应变片粘贴位置的坐标

图6 试样板的应变仿真结果（圆孔1处固定、施加41.16 N外力）

表2 固定位置、施加外力不同时试样板的应变仿真结果

表3 应变采集卡CH1和CH2通道的标定试验测量数据

表4 应变采集卡CH3和CH4通道的标定试验测量数据

图7 DH5902N采集应变与仿真应变的对比

通道	拟合函数	决定系数R²
CH1	$y 1 = 3.640 ? x 1 - 4.394$	0.949
CH2	$y 2 = 3.886 ? x 2 - 1.161$	0.994
CH3	$y 3 = 5.129 ? x 3 + 5.885$	0.998
CH4	$y 4 = 4.015 ? x 4 - 0.758$	0.978

表5 应变采集卡与DH5902N采集数据的拟合函数

图8 应变采集卡与DH5902N采集数据的拟合结果

图9 标定后应变采集卡与DH5902N的采集数据对比

图10 应变采集卡封装结构1—尼龙外壳；2—尼龙夹板；3—履带板；4—螺母；5—硅胶垫；6—环氧树脂胶；7—应变采集卡封装部分；8—凹槽；9—电池；10—散热孔。

图11 应变采集卡在履带行驶结构中的封装位置

表6 应变采集卡各组件的功耗和发热量

图12 应变采集卡的温度变化规律

图13 t=34.7 h时应变采集卡的温度云图

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