本發(fā)明涉及一種外接式礦用機(jī)械自動監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)，屬于機(jī)械智能監(jiān)測控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前國內(nèi)礦業(yè)露天開采領(lǐng)域存在大量礦用機(jī)械“油改電”的情況，即以降低動力驅(qū)動成本為目的而進(jìn)行的私下改裝，以電機(jī)驅(qū)動替換燃油驅(qū)動。這樣的改裝效果因改裝方案不同而不同，雖然能做到在幾乎不影響動力輸出的前提下降低動力驅(qū)動成本，但這樣的改裝往往因此改裝幅度大，使得原有的機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)不再適配，讓一些機(jī)械在經(jīng)過改裝之后失去了自動監(jiān)測運行狀態(tài)與保護(hù)的功能。而礦用機(jī)械出現(xiàn)故障的一大特點就是故障部位溫度過高，常規(guī)的監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)都是通過監(jiān)測部件溫度進(jìn)而做到對機(jī)械運行狀態(tài)的監(jiān)測，當(dāng)原有設(shè)備失效時，一般難以找到合適的替代設(shè)備。其次，當(dāng)去設(shè)計新的監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)時，又會面臨兩個問題：一是提供動力驅(qū)動的電機(jī)的功率往往都很大，工作時產(chǎn)生的電磁干擾也很強，對于低電壓信號輸出值的傳感器與微電子集成的單片機(jī)干擾過大；二是這樣所設(shè)計的系統(tǒng)為一對一的定制設(shè)計，對多個機(jī)械適用起來不僅適配性極差，也會增加成本，從而沒有太大的實際意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明公開一種外接式礦用機(jī)械自動監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)，本系統(tǒng)以高性能熱電材料作溫度傳感器，以智能開發(fā)板為智能分析核心，通過匹配電壓采集模塊與控制模塊對機(jī)械運行狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)測與應(yīng)急保護(hù)控制。

一種外接式礦用機(jī)械自動監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)，包括：溫度采集模塊、用以采集溫度采集模塊所采集溫度信號的電壓采集模塊、以及智能分析與控制模塊；其中溫度采集模塊由一塊矩形熱電材料獨立組成，溫度采集模塊安裝在被測溫度的器件外殼表面，其一側(cè)接觸器件表面，另一側(cè)做好散熱處理，以維持溫差；電壓采集模塊將溫度采集模塊測得的數(shù)據(jù)傳輸給智能分析模塊與控制模塊，智能分析與控制模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的補償與修正，并通過電壓-溫差函數(shù)關(guān)系計算出相對應(yīng)的器件表面溫度，再根據(jù)內(nèi)部對外部的熱傳遞推測機(jī)械內(nèi)部溫度，對機(jī)械運行狀況進(jìn)行判斷。

相對于傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，本發(fā)明完全由上述三部分獨立模塊所組成，不僅很大程度上簡化了系統(tǒng)組成，也實現(xiàn)了對原電路的獨立，使得本系統(tǒng)的運行與故障均不會影響原機(jī)械電路的運行。

進(jìn)一步，所述溫度采集模塊由一塊tep1-142t300型矩形熱電材料獨立組成，該矩形熱電材料為片狀，且可以安裝在被測溫度的器件外殼表面，溫度采集模塊一側(cè)接觸器件表面，另一側(cè)做好散熱處理，以維持溫差。經(jīng)過先期模擬實驗測得，在35.9℃~41.2℃溫差之間，其電壓輸出值在1.37v~1.73v之間，電壓輸出數(shù)值與溫差數(shù)值成正相關(guān)。為了方便將電壓數(shù)值再次轉(zhuǎn)換為溫差數(shù)值，從而計算出采集到的溫度，擬合了該材料電壓輸出與溫差的數(shù)值函數(shù)關(guān)系并得到一個多項式方程y=-0.0022x2+0.2305x-4.0924，其中y為電壓數(shù)值，x為溫差數(shù)值。

相對于傳統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)的溫度采集部件，本系統(tǒng)的溫度采集模塊由一塊tep1-142t300型半導(dǎo)體溫差發(fā)電片構(gòu)成。其形狀為矩形薄片，適合貼合于非球類平面，保證溫度采集部件與待測器件的外表面充分接觸，提高測量結(jié)果的精準(zhǔn)度。對比于傳統(tǒng)溫度傳感器在同溫差下的電壓輸出，該高性能熱電材料的穩(wěn)定電壓輸出是傳統(tǒng)溫度傳感器的約1000倍。這樣使得其在普通的電磁干擾環(huán)境下的干擾值占其輸出電壓值的比值極小，從而對實際信號的影響極小，可忽略。并省去了抗干擾設(shè)備和信號放大器等設(shè)備，走線簡單，易于模塊化使用。

該控制系統(tǒng)中的智能分析與控制模塊是本系統(tǒng)的核心，包括由raspberrypi或orangepi或arduino這類linux開發(fā)板充當(dāng)?shù)闹悄荛_發(fā)板、基于python語言開發(fā)的智能分析程序與配套控制模塊組成，其中智能分析程序安裝在智能開發(fā)板上，配套的控制模塊為與智能開發(fā)板相匹配的繼電器，且該控制模塊安裝在機(jī)械電氣開關(guān)上。

智能分析與控制模塊通過接收電壓采集模塊所傳達(dá)的信號，對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的補償與修正，并通過電壓-溫差函數(shù)關(guān)系計算出相對應(yīng)的器件表面溫度，再根據(jù)內(nèi)部對外部的熱傳遞推測機(jī)械內(nèi)部溫度，對機(jī)械運行狀況進(jìn)行判斷。當(dāng)數(shù)值中出現(xiàn)危險值時，由程序發(fā)出指令，自動操作控制模塊直接關(guān)閉機(jī)器的電氣開關(guān)，強行進(jìn)行斷電保護(hù)。智能分析與控制程序也具備自動生成報表的能力，以方便人工讀取來確認(rèn)機(jī)械故障的具體情況。

所述電壓采集模塊由一個與智能開發(fā)板所匹配的電壓檢測模塊和相關(guān)信息傳輸線組成。其中電壓檢測模塊的一端直接與溫度采集模塊用導(dǎo)線相接，接線長度由實際情況而定；另一端直接與智能開發(fā)板用導(dǎo)線連接，接線長度不超過15cm，將已采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號直接傳輸給智能開發(fā)板，在電壓采集模塊與智能分析與控制模塊中的智能開發(fā)板外部裝有金屬外殼以屏蔽環(huán)境中電磁信號對電壓采集模塊的干擾。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1.外接式設(shè)計，獨立于原本的電氣系統(tǒng)，適配性很高且不對原本電氣系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可根本上解決“油改電”之后原本機(jī)械保護(hù)系統(tǒng)失效的問題；

2.模塊化、小型化、極簡思路設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，能夠很大程度上降低維護(hù)的時間與經(jīng)濟(jì)成本；

3.使用高性能熱電材料作為溫度傳感器，溫度采集精度高，電壓輸出倍數(shù)約為傳統(tǒng)傳感器的1000倍，從而可以省去信號放大器與抗干擾設(shè)備，便于模塊化；

4.以成熟的智能開發(fā)板、電壓采集模塊、繼電控制模塊為核心硬件，使本系統(tǒng)具有很強的適配性與可靠性；

5.智能分析程序能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的智能分析與對控制模塊的指令控制，程序化執(zhí)行而非單一軟件，使之具有很強的兼容性，方便個性化設(shè)置。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)電壓輸出數(shù)值與溫差數(shù)值關(guān)系圖。

圖2為傳統(tǒng)溫度傳感器的電壓輸出數(shù)值圖。

圖3為電壓輸出與溫差的數(shù)值函數(shù)關(guān)系圖。

具體實施方式

本發(fā)明的一種外接式礦用機(jī)械自動監(jiān)測與保護(hù)系統(tǒng)，包括：溫度采集模塊、用以采集溫度采集模塊所采集溫度信號的電壓采集模塊、以及智能分析與控制模塊；其中溫度采集模塊由一塊矩形熱電材料獨立組成，溫度采集模塊安裝在被測溫度的器件外殼表面，其一側(cè)接觸器件表面，另一側(cè)做好散熱處理，以維持溫差；電壓采集模塊將溫度采集模塊測得的數(shù)據(jù)傳輸給智能分析模塊與控制模塊，智能分析與控制模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的補償與修正，并通過電壓-溫差函數(shù)關(guān)系計算出相對應(yīng)的器件表面溫度，再根據(jù)內(nèi)部對外部的熱傳遞推測機(jī)械內(nèi)部溫度，對機(jī)械運行狀況進(jìn)行判斷。

相對于傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，本發(fā)明完全由上述三部分獨立模塊所組成，不僅很大程度上簡化了系統(tǒng)組成，也實現(xiàn)了對原電路的獨立，使得本系統(tǒng)的運行與故障均不會影響原機(jī)械電路的運行，并且外接式設(shè)計使之具有極強的適配性。

進(jìn)一步，所述溫度采集模塊由一塊tep1-142t300型矩形熱電材料獨立組成，該矩形熱電材料為片狀，且可以安裝在被測溫度的器件外殼表面，溫度采集模塊一側(cè)接觸器件表面，另一側(cè)做好散熱處理，以維持溫差。

相對于傳統(tǒng)溫度溫度傳感器，本系統(tǒng)的溫度采集模塊由一塊tep1-142t300型半導(dǎo)體溫差發(fā)電片構(gòu)成。其形狀為矩形薄片，適合貼合于非球類平面。經(jīng)過先期模擬實驗測得，在35.9℃~41.2℃溫差之間，其電壓輸出值在1.37v~1.73v之間，且電壓輸出數(shù)值與溫差數(shù)值成正相關(guān)。該系統(tǒng)中電壓輸出數(shù)值與溫差數(shù)值關(guān)系示于圖1中。

而傳統(tǒng)的溫度傳感器的電壓輸出為毫伏級,由于電壓數(shù)值太小，往往需要放大器對電壓信號進(jìn)行放大。傳統(tǒng)的溫度傳感器的電壓輸出數(shù)值示于圖2中。

在現(xiàn)場使用中，溫度傳感器所受的主要干擾為交流干擾，而交流干擾又分線間干擾和對地干擾。對地干擾一般由于兩輸出端中一端對地產(chǎn)生交流電壓，線間干擾則是受外部干擾，導(dǎo)致兩輸出端之間產(chǎn)生交流電壓。此外還有回路中自然產(chǎn)生的直流干擾（導(dǎo)致直流附加電壓的產(chǎn)生）。就原因來說，干擾一般由于電磁干擾、自身漏電、附加阻值產(chǎn)生，不過產(chǎn)生的干擾電壓往往并不大，一般為十幾甚至幾十毫伏，在合理走線并安裝濾波器等抗干擾設(shè)備之后可降至幾毫伏到十幾毫伏。

對比于傳統(tǒng)溫度傳感器在同溫差下的電壓輸出（如圖2所示），該高性能熱電材料的穩(wěn)定電壓輸出約是傳統(tǒng)溫度傳感器的1000倍。這樣使得其在普通的電磁干擾環(huán)境下的干擾值占其輸出電壓值的比值極小，從而對實際信號的影響極小，可忽略。因省去了抗干擾設(shè)備和信號放大器等設(shè)備，走線簡單，所以易于模塊化使用。

為了方便將電壓數(shù)值再次轉(zhuǎn)換為溫差數(shù)值，從而計算出采集到的溫度，擬合了該材料電壓輸出與溫差的數(shù)值函數(shù)關(guān)系，并擬合得到一個多項式方程y=-0.0022x2+0.2305x-4.0924，其中y為電壓數(shù)值，x為溫差數(shù)值。該擬合方程的r2=0.9895,即產(chǎn)生的電壓與外部溫差的相關(guān)性很大，且為正相關(guān)。從而可根據(jù)程序語言的計算包，選擇合理的數(shù)學(xué)計算方法由y值計算出x的值，即溫差值。電壓輸出與溫差的數(shù)值函數(shù)關(guān)系示于圖3中。

該控制系統(tǒng)中的智能分析與控制模塊是本系統(tǒng)的核心，包括由raspberrypi或orangepi或arduino這類linux開發(fā)板充當(dāng)?shù)闹悄荛_發(fā)板、基于python語言開發(fā)的智能分析程序與配套控制模塊組成，其中智能分析程序安裝在智能開發(fā)板上，配套的控制模塊為與智能開發(fā)板相匹配的繼電器，且該控制模塊安裝在機(jī)械電氣開關(guān)上。

智能分析與控制模塊通過接收電壓采集模塊所傳達(dá)的信號，對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的補償與修正，并通過電壓-溫差函數(shù)關(guān)系計算出相對應(yīng)的器件表面溫度，再根據(jù)內(nèi)部對外部的熱傳遞推測機(jī)械內(nèi)部溫度，對機(jī)械運行狀況進(jìn)行判斷。當(dāng)數(shù)值中出現(xiàn)危險值時，由程序發(fā)出指令，自動操作控制模塊直接關(guān)閉機(jī)器的電氣開關(guān)，強行進(jìn)行斷電保護(hù)。智能分析與控制程序也具備自動生成報表的能力，以方便人工讀取來確認(rèn)機(jī)械故障的具體情況。

相對于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)依托單片機(jī)，本系統(tǒng)依托的智能開發(fā)板為一大類，主要為raspberrypi、orangepi、bananapi和arduino等類型的linux開發(fā)板，從而有著很多與之型號匹配的成熟可靠的電壓采集模塊與繼電控制模塊，均為模塊化組合來實現(xiàn)功能，不僅避免了傳統(tǒng)同類系統(tǒng)實現(xiàn)該功能需定制設(shè)計復(fù)雜的ad與單片機(jī)組合而產(chǎn)生的電路板易燒毀、信號匹配能力弱、適配性差的問題，還將主要程序集成于智能開發(fā)板上，一方面可以實現(xiàn)智能分析與控制模塊的平臺程序化執(zhí)行，而非傳統(tǒng)的定制型軟件執(zhí)行，不僅能夠個性化設(shè)置，還具有同一程序在一類智能開發(fā)板上運行的超高適配性。智能分析與控制程序能夠?qū)λx取信號數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，而非局限于傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中同類模塊的單純讀取與記錄功能，并且可由用戶制定對繼電控制模塊的操作指令，使本系統(tǒng)中的智能分析與控制功能全部由智能開發(fā)板完成。

所述電壓采集模塊由一個與智能開發(fā)板所匹配的電壓檢測模塊和相關(guān)信息傳輸線組成。其中電壓檢測模塊的一端直接與溫度采集模塊用導(dǎo)線相接，接線長度由實際情況而定；另一端直接與智能開發(fā)板用導(dǎo)線連接，接線長度不超過15cm，將已采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號直接傳輸給智能開發(fā)板，電壓采集模塊以及智能分析與控制模塊中的智能開發(fā)板外部裝有金屬外殼以屏蔽環(huán)境中電磁信號對電壓采集模塊的干擾。

使用該系統(tǒng)時，確定所要使用的智能開發(fā)板，并選擇與之型號匹配的電壓采集模塊和繼電控制模塊。將溫度采集模塊，即高性能的半導(dǎo)體熱電材料安置于所采集溫度部件的表面，一側(cè)貼合部件表面，另一側(cè)做好散熱處理，以維持溫差。將熱電材料的兩根導(dǎo)線，即正負(fù)極導(dǎo)線接入電壓檢測模塊，接線長度可根據(jù)實際情況自行決定。用杜邦線將電壓采集模塊與智能開發(fā)板匹配連接，使所接收的電壓信號傳入智能開發(fā)板。將智能分析與控制程序裝入智能開發(fā)板，使得開發(fā)板能夠?qū)λ鶄魅胄盘栠M(jìn)行智能分析；將型號匹配的繼電控制模塊與智能開發(fā)板用杜邦線相連，安裝在電氣開關(guān)上，實現(xiàn)對機(jī)械的控制。其中電壓采集模塊和智能開發(fā)板外部要安裝金屬外殼以屏蔽電磁干擾，相應(yīng)的接線也要做抗干擾處理。

以上為本發(fā)明的較佳實施方式，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。