用于工程機械故障檢測的傳感器系統的制作方法
【專利摘要】用于工程機械故障檢測的傳感器系統，包括：微應變片陣列、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數據處理模塊及無線傳輸元件。微應變片陣列直接粘貼在工程機械上應力集中處，微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數據處理模塊、無線傳輸元件集成于柔性基板上并固定于工程機械。柔性基板上設有印刷電路使微應變片陣列及傳感器實現系統內的電連接，無線傳輸元件輸出檢測信號。微應變片陣列粘貼在工程機械臂架、連桿及銷軸上，微加速度傳感器安裝于工程機械振動強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械臂架以及連桿上。本實用新型的優點是運用多傳感器系統對工程機械使用進行全面檢測，及時處理工程機械的故障。
【專利說明】用于工程機械故障檢測的傳感器系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及工程機械安全監控設備，特別涉及一種用于工程機械故障檢測的傳感器系統。
【背景技術】
[0002]傳感器作為一種監測設備已在社會中得到廣泛的應用，它為系統的決策和處理提供了所必須的原始數據。例如，在轎車上就集成多種傳感器，用于整車一些重要數據的提取與監控，保證車輛及使用者的安全。但在工程機械上卻較少看到用于安全監測的傳感器。
[0003]在我國以及美國的專利數據庫到目前為止還未找到將微應變片陣列的微加速度計，微壓電超聲傳感器用于工程機械安全監控的案例，在實際工程中也很少見到這樣的運用。目前國產工程機械在中國市場的占有率已達80%以上，用于安全監測的傳感器在工程機械上的使用還處于落后的狀態。我國工程機械普遍施工任務繁重，工作環境惡劣，不重視設備保養，因此我國的工程機械往往壽命短，使用中存在嚴重的安全隱患。在我國，傳統的工程機械往往沒有安全監測裝置，或者只是針對某一種重要的故障形式實現監控，難以實現故障點的全面監測，因此工程機械在使用時存在著諸多的安全隱患。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的是針對已有技術中存在的缺陷，提供一種用于工程機械故障檢測的傳感器系統。
[0005]在本實用新型中，通過使用應變片陣列監測工程機械關鍵部位的應力、應變狀況，用加速度計監測工程機械工作部件的振動，用微壓電超聲傳感器監測工程機械工作部件關鍵處的裂紋，并將三者集成，從而達到對工程機械全面實時安全監控的目的。
[0006]本實用新型的系統由微應變片陣列、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數據處理模塊、無線傳輸元件組成，其特征在于所述微應變片陣列直接粘貼于工程機械應力集中處，用于檢測粘貼處的應力狀況。微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數據處理模塊、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械。該基板具有柔韌性，能夠隨粘貼部位產生一定的微形變，柔性基板上設有印刷電路，從而實現系統內的電連接，微應變片陣列及傳感器經印刷電路實現系統內的電連接，系統經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械振動強烈(如整套臂架的端部)及主要的連接部位(如各節臂架以及連桿上)。通過采集各處微加速度傳感器所測得的數據，對工程機械臂架的振動水平進行監測。微壓電超聲傳感器安裝于工程機械臂架以及連桿上。系統經無線傳輸元件輸出檢測信號，根據工程機械關鍵部位危險點的具體應力分布特征及構件幾何特征，采用應變片花或惠斯通電橋對構件的應力水平進行實時檢測。在普通工作狀態下，微壓電超聲傳感器處于低功耗的監聽狀態。當有裂紋產生或擴展時，所激發的機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出超聲波到結構中，再通過檢測從結構中反射回來的超聲波對裂紋位置和大小進行準確的定位。[0007]所述數據處理模塊由數據放大器，A/D轉換器及單片機組成。其中微應變片、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器與數據放大器連接，數據放大器與A/D轉換器電路連接，A/D轉換器與單片機電路連接，單片機與無線傳輸元件電路連接。
[0008]所述微應變片陣列、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數據處理模塊、無線傳輸元件之間的連接方式為有線電路連接，實現系統功能和數據傳輸，系統由外部電源統一供電，或通過能量收集器供電。
[0009]所述在工程機械上易布線的位置采用傳統電線供能，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，能夠在工程機械工作的時候，將其部分機械能轉化為電能，對系統中的微電裝置供能。
[0010]所述微應變片陣列粘貼在銷軸上采用應變花監測方式，粘貼在工程機械臂架上的微應變片陣列采用惠斯通電橋監測方式。
[0011]本發明的優點是通過基于MEMS技術的芯片制作及封裝方法，將多傳感器監測系統的總體尺寸減到最小，運用多傳感器系統對工程機械使用進行全面檢測，實現在工程機械上的可行性，及時處理工程機械的故障。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1傳感器在工程機械上的結構布置示意圖；
[0013]圖2應變片在臂架底端U型槽處的粘貼方式示意圖；
[0014]圖3應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測，低功耗狀態；(b)裂紋的產生與擴展產生機械波；(C)主動監測，發出超聲波；(d)裂紋將超聲波發射回微壓電超聲傳感器；圖5系統通過柔性基板在臂架上的結構固定示意圖。
[0016]圖中:1臂架、2連桿、3銷軸、4微應變片陣列、5微加速度傳感器、6微壓電超聲傳感器、7能量收集器、8應變片、9應變片、10應變片、11應變片、12臂架底端U型槽。13臂架、14銷軸、15應變花、17臂架鋼結構、18裂紋、19定值電阻、20固定膠板、21測量應變片、22信號放大器、23A/D轉換器、24單片機、25無線傳輸元件、26溫度補償應變片、27金屬隔離臺、28臂架、30柔性基板。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖進一步說明本實用新型的實施例。參見圖1?4，
[0018]微應變片陣列4、微加速度傳感器5、微壓電超聲傳感器6、數據處理模塊、無線傳輸元件25集成于柔性基板上，柔性基板上設有印刷電路，微應變片陣列4及傳感器經印刷電路實現系統內的電連接，系統經無線傳輸元件25輸出檢測信號。
[0019]參見圖1，圖1顯示的是用于工程機械關鍵部件(臂架1，連桿2，銷軸3)安全監控的傳感器布置實施例，將微應變片陣列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驗分析之后得到的危險點，用于監測結構表面的應力水平；微加速度傳感器5安裝于臂架I的兩處，用于監測臂架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，用于對結構的裂紋的生長和擴展進行主/被動相結合的方式進行監測。
[0020]微應變片陣列4及其數據處理模塊、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，由外部電源統一供電，或通過能量收集器供電。本實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行有線互聯，在傳感器安裝處集成能量收集器7，用于吸收工程機械的振動能量，給微應變片陣列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]應力需要監測的部位包括應力水平較大的部位，如臂架底端U型槽處，應力水平較復雜的部位，如各節臂架連接銷軸處。微應變片陣列粘貼在銷軸上采用應變花監測方式，粘貼在工程機械臂架上的微應變片陣列采用惠斯通電橋監測方式。應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，因此可在鋼板的內外表面均粘貼應變片8、應變片9、應變片10、應變片11，并通過內外鋼板一面受拉，一面受壓的受力特點及將應變片組成惠斯通電橋，從而提高電橋的靈敏度。圖3是應變片在各節臂架13連接銷軸處的粘貼方式，由于這個位置的應力水平較復雜，很難判斷出主應力的方向，因此采用應變花15對此部位進行應力監測。
[0022]振動需要監測的部位包括整套臂架的端部及各節臂架的連接處。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構上。
[0023]微壓電超聲傳感器的主/被動結合的檢測方式如圖4所不,微壓電超聲傳感器6安裝在臂架的鋼結構17表面，正常工作情況下，微壓電超聲傳感器6處于低功耗的監聽狀態，即被動檢測，如圖4a。當臂架鋼結構17有裂紋18生長或擴展時，會產生高頻機械波，就會被處于被動監測狀態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，發出大功率的超聲波，即轉為主動檢測，如圖4c。結構的裂紋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，可以實現對裂紋的精確定位。
[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工業中常用的印制電路板，該柔性基板30具有輕，薄，小，結構靈活等特點，能夠進行動態彎曲，卷曲和折疊，適合于在臂架鋼結構上的集成。其中定值電阻19、測量應變片21、溫度補償應變片26構成整個惠斯通電橋，設有兩個定值電阻19，整個電橋為半橋形式。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，目的是將溫度補償應變片隔離起來，使其不受臂架應力的作用，真正起到溫度補償的作用。測量應變片21通過粘結劑直接粘貼在臂架28上，用于臂架28應變的測量。
[0025]數據處理模塊由數據放大器22，A/D轉換器23及單片機24組成，微應變片4、微加速度傳感器5、微壓電超聲傳感器6與數據放大器22電路連接，數據放大器22與A/D轉換器23電路連接，A/D轉換器23與單片機24電路連接，單片機24與無線傳輸元件電路25連接。單片機24處理過的數據信息通過25無線傳輸元件傳輸給系統中心進行進一步處理。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射裝置25，發送到系統中心進行數據融合。信號放大器22、A/D轉換器23、單片機24、無線發射裝置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測振動而無需監測應變，則在此處的柔性基板上只需集成加速度傳感器，不需要固定應變片；同理有些部位只需應變測量而不用振動監測，則在此處的柔性基板上只需固定應變片及其信號處理模塊。
[0027]各傳感器組成監測系統后，還要對整套系統進行系統封裝。系統封裝的目的在于將器件保護起來，使其免受外部的污染，通過器件集成，減小總體尺寸，系統封裝采用塑料封裝，使其獲得較高可靠性。
【權利要求】
1.一種用于工程機械故障檢測的傳感器系統，包括:微應變片陣列、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數據處理模塊及無線傳輸元件，其特征在于所述微應變片陣列直接粘貼在工程機械上應力集中處，微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器、數據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械，柔性基板上設有印刷電路，微應變片陣列及傳感器經印刷電路實現系統內的電連接，系統經無線傳輸元件輸出檢測信號，微應變片陣列粘貼在工程機械臂架、連桿及銷軸上，微加速度傳感器安裝于工程機械振動強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械臂架以及連桿上。
2.根據權利要求1所述的用于工程機械故障檢測的傳感器系統，其特征在于所述數據處理模塊由數據放大器，A/D轉換器及單片機組成，微應變片、微加速度傳感器、微壓電超聲傳感器與數據放大器連接，數據放大器與A/D轉換器連接，A/D轉換器與單片機電路連接，單片機與無線傳輸元件電路連接。
3.根據權利要求1所述的用于工程機械故障檢測的傳感器系統，其特征在于所述微應變片陣列為應變花監測粘貼在銷軸上。
4.根據權利要求1所述的用于工程機械故障檢測的傳感器系統，其特征在于所述微應變片陣列為惠斯通電橋監測粘貼在工程機械臂架上。
【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 優先權日:2013年12月10日
【發明者】劉勝, 李龍, 王小平 申請人:武漢飛恩微電子有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
