一种封装于履带行驶结构的无线应变采集系统及其标定方法

技术领域

本发明属于载荷监测领域，具体涉及煤矿掘进机器人履带行驶结构的履带环载荷监测，设计了一种封装于履带行驶结构的无线应变采集系统，并提供了一种标定方法。

背景技术

履带行驶结构是煤矿掘进机器人的重要组成部分，长期处于高冲击、碰撞、高湿度、复杂煤岩底质等空间受限环境，因此，对其可靠性和适用性的要求较高；履带行驶结构发生故障则意味着整机工作无法继续进行，履带行驶结构的故障多与履带板产生疲劳失效、销轴发生断裂有关，实时获取履带行驶结构的周期循环动态载荷变化，有助于提高煤矿掘进机器人的安全健康运行，避免意外停机及恶性事故的发生。

现有履带嵌入式专利多是对履带板结构进行改造，通过对加厚的履带板内部开槽，将传感系统全部内置于履带板中；但这种方式受履带板结构限制，无法适用于多类型履带板；同时由于在钢制履带板内开槽而造成履带板结构破坏，严重影响了钢制履带板使用寿命。

如何设计一种能满足在井下恶劣工况下，并且不破坏履带板结构的强度又能准确采集履带板周期循环动态载荷变化的实时数据，是目前履带行驶结构所需要解决的一个问题。

发明内容

针对履带行驶结构中履带板应变数据难以采集的不足，本发明的目的在于提供一种封装于履带行驶结构的无线应变采集系统，并提供了一种标定方法；将应变测量电路粘接在履带板的被测处，用于测试所受应变；将采集卡封装体和电池模块内置于封装结构中，安装在被测履带板上，实现对履带板实时循环载荷的测量和无线传输；以DH5902N坚固型数据采集系统为标准，通过多项式曲线拟合，完成对应变采集卡的标定；

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种封装于履带行驶结构的无线应变采集系统及其标定方法，无线应变采集系统包括采集卡封装体、电池模块、封装结构、信号接收模块及上位机；采集卡封装体与电池模块内置于封装结构中，信号接收模块通过USB接口与上位机连接，信号接收模块负责接收采集卡封装体通过无线传输出来的信号，上位机负责信号的储存与处理。

优选地，采集卡封装体包括应变采集模块、信号发射模块和环氧树脂体三部分组成；被测履带板上粘贴应变片，应变片的引脚与应变采集模块连接，应变采集模块负责获取应变变化；应变采集模块与信号发射模块合成在一张PCB板，信号发射模块负责将应变采集模块获取到的应变信号发射出去；将应变采集模块和信号发射模块使用绝缘的环氧树脂体密封，起到防尘防水的作用。

优选地，封装结构包括封装外壳与减震板；封装外壳材质为金属，材料选择Q345，减震板材质为尼龙；将采集卡封装体和电池模块分别置于封装外壳的两个安装槽中，中间使用线缆连接，电池模块负责给采集卡封装体供电；无线应变采集系统结构沿远离履带环的方向依次包括被测履带板、减震板和封装外壳，使用螺栓依次连接；链轨节通过螺栓固定在被测履带板远离减震板的另一测；信号接收模块通过USB接口直接从上位机取电。

优选地，封装外壳的两个安装槽四周及底部先布置散热硅胶垫，再将采集卡封装体和电池模块分别置于安装槽，以达到散热、减震的作用。

优选地，封装外壳的两侧留有四个散热孔，用于采集卡封装体和电池模块散热；封装外壳靠近减震板的一侧留有矩形槽，用于安装矩形密封圈，以达到防水防尘密封的目的；减震板上靠近采集卡封装体的位置设有通孔，用于连接采集卡封装体和金属应变片引线，通孔外围靠着被测履带板的一侧加工环形槽，其上安装O形密封圈，起到防水防尘性密封作用；金属应变片直接粘接在被测履带板上。

一种应变标定方法，基于所述的应变采集系统，方法步骤如下：

S1：对台架与试样板进行1：1三维建模，将三维模型导入workbench仿真，找出试样板上两组对称位置，要求每组对称位置的应变数值相同，分别记作A与a和B与b；

S2：根据仿真找出的位置，将应变片粘贴到试样板对应的位置，给试样板施加与仿真时位置大小相同的外力；使用DH5902N坚固型数据采集系统的两个通道分别测量A与B位置处应变，同时使用应变采集卡的1、2两个通道测量a与b处的应变；

S3：将上述测量对应的两组数据（即A与a、B与b）分别进行多项式曲线拟合，找出对应关系，确定应变采集卡灵敏度系数，完成对应变采集卡1、2两个通道的标定；

S4：按照上述1、2通道的标定方法，完成对3、4两个通道的标定；

S5：对标定后的应变采集卡进行测试，检验标定的准确性。

优选地，标定装置的试样板上设置11个通孔，最中间的通孔叫做负载孔，挂钩螺钉通过两个螺母固定在试样板上；通过挂钩螺钉悬挂2种不同重量的重物，从而使试样板在应变片粘贴处产生不同的应变；试样板上其余10个通孔组成5组定位孔，通过螺栓固定在台架上的安装孔位置；挂钩螺钉在悬挂同一重物时，通过调节五组定位孔与安装孔的搭配，应变片粘贴位置处便可产生五组应变数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明专利的工作原理图；

图2是实施例的被测履带板应变采集系统的爆炸示意图；

图3是实施例的采集卡封装体组合图；

图4是实施例的封装结构组合图；

图5是实施例的台架与试样板的爆炸示意图；

图6是实施例应变采集卡标定流程图；

图7是应变采集卡与DH5902N坚固型数据采集系统数据拟合效果图；

图8是应变采集卡标定后数据验证效果图；

图中：1-采集卡封装体；2-电池模块；3-封装结构；4-信号接收模块；5-上位机；6-应变采集模块；7-信号发射模块；8-环氧树脂体；9-被测履带板；10-封装外壳；10.1-安装槽；10.2-散热孔；10.3-矩形槽；11-减震板；11.1-通孔；11.2-环形槽；12-链轨节；13-硅胶垫；14-矩形密封圈；15-O形密封圈；16-台架；16.1-安装孔；17-试样板；17.1-负载孔；17.2-定位孔；18-挂钩螺钉；19-螺母。

实施方式

结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例；基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性地劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

实施例

1. 封装于履带行驶结构的无线应变采集系统

如图1所示，一种封装于履带行驶结构的无线应变采集系统，包括采集卡封装体1、电池模块2、封装结构3、信号接收模块4及上位机5；采集卡封装体包括应变采集模块6、信号发射模块7和环氧树脂体8，如图3所示；采集卡封装体1与电池模块2内置于封装结构3中，信号接收模块4通过USB接口与上位机5连接，信号接收模块4负责接收采集卡封装体1通过无线传输出来的信号，上位机5负责信号的储存与处理。

如图2所示，将采集卡封装体1和电池模块2分别置于封装外壳10的两个安装槽10.1中，中间使用线缆连接，电池模块2负责给采集卡封装体1供电；无线应变采集系统结构沿远离履带环的方向依次包括被测履带板9、减震板11和封装外壳10，使用螺栓依次连接；链轨节12通过螺栓固定在被测履带板9远离减震板11的另一测。

如图4所示，封装结构3包括封装外壳10与减震板11；封装外壳10材质为金属，材料选择Q345，减震板11材质为尼龙。

实施例为四通道应变数据采集方案，本实施例中，应变片粘贴到履带板上与采集卡封装体1相连组成闭合回路，实现对被测履带板9多自由度的应变数据采集，应变片表面涂绝缘层防护；应变采集模块6对采集到的数据放大并A/D转换后，通过信号发射模块7，将应变数据发送到上位机5；信号接收模块4通过USB接口直接从上位机5取电。

考虑到散热特性，封装外壳10的两个安装槽10.1四周及底部先布置散热硅胶垫13，再将采集卡封装体1和电池模块2分别置于安装槽10.1，以达到散热、减震的作用；封装外壳10的两侧留有四个散热孔10.2，用于采集卡封装体1和电池模块2散热；封装外壳10靠近减震板11的一侧留有矩形槽10.3，用于安装矩形密封圈14，以达到防水防尘密封的目的；减震板11上靠近采集卡封装体1的位置设有通孔11.1，用于连接采集卡封装体1和金属应变片引线；通孔外围靠着被测履带板9的一侧加工环形槽11.2，其上安装O形密封圈15，起到防水防尘性密封作用；金属应变片直接粘接在被测履带板9上。

2. 无线应变采集系统的标定方法

如图5所示，本实施例包括以下步骤：

S1：对台架16与试样板17进行1：1三维建模，将三维模型导入workbench仿真，找出试样板上两组对称位置，要求每组对称位置的应变数值相同，分别记作A与a和B与b；

S2：根据仿真找出的位置，将应变片粘贴到试样板对应的位置，给试样板施加与仿真时位置大小相同的外力；使用DH5902N坚固型数据采集系统的两个通道分别测量A与B位置处应变，同时使用应变采集卡的1、2两个通道测量a与b处的应变；

S3：将上述测量对应的两组数据（即A与a、B与b）分别进行多项式曲线拟合，找出对应关系，确定应变采集卡灵敏度系数，完成对应变采集卡1、2两个通道的标定；

S4：按照上述1、2通道的标定方法，完成对3、4两个通道的标定；

S5：对标定后的应变采集卡进行测试，检验标定的准确性。

如图6所示，应变标定方法所需的标定装置，试样板17上设置11个通孔，最中间的通孔叫做负载孔17.1，挂钩螺钉18通过两个螺母19固定在负载孔17.1上；通过挂钩螺钉18上悬挂2种不同重量的重物，从而使试样板17在应变片粘贴处产生不同的应变；试样板17上其余10个通孔组成5组定位孔17.2，通过螺栓固定在台架16安装孔16.1的位置；挂钩螺钉18在悬挂同一重物时，通过调节五组定位孔17.2与安装孔16.1的搭配，应变片粘贴位置处便可产生五组应变数据。

试样板施加外力后，使用DH5902N坚固型数据采集系统与应变采集卡获取的应变分别记作