无线应变测量节点的精度与功耗综合分析

在无线传感器网络中,一般采用电池供电,如何取得精度和功耗的平衡十分重要。应变片功耗与其他传感器相比大得多,直接决定无线节点总功耗。系统设计时,不但要考虑电路参数和器件噪声对精度的影响,功耗分析也很必要。从无线节点整体框架出发,系统分析了模拟和数字电路中精度和功耗的影响机理,建立了完整的理论模型。精度和功耗同时受电桥电压影响,电桥电压越高,精度越高,但功耗也越大,精度与功耗相互制约。以电桥电压和器件参数为影响因素,提出了在保证测量精度的同时,减小电路功耗的方法。在设计无线应变测量节点时,该研究可以为实现系统精度和功耗的平衡提供理论指导。     

基于电阻式应变片的近钻头工程参数测量技术研究

近钻头工程参数的随钻测量对安全、高效钻井具有重要意义。在分析近钻头处钻铤的受力与运动形式基础上,基于钻铤应力与应变的关系,建立了钻压、扭矩、弯矩等井下工程参数的测量模型与实验模型。通过传感器的优化布局,测量模型较好地解决了三个被测参数之间的耦合问题,实验模型给出了相对准确的测量结果和合理可行的井下工程参数测量解决方案。最后,分析讨论了测量装置的温度补偿、测量模型简化等问题,为近钻头工程参数随钻测量装置的研制奠定了基础。     

三维海流传感器信号采集系统的设计与实验

针对上升流流速缓慢难以测量的问题,设计了一种基于测量应变的新式海流传感器.通过电桥转换得到几微伏到几百微伏的微弱电压信号,采用高精度AD转换芯片AD7195作为海流传感器的核心电路,降低量化噪声.采用高精度基准电源以及交流激励、比率测量技术,提高模数转换精度;设计了上位机控制软件,可方便地调整模数转换参数和观察测量结果.通过实验验证了该信号采集系统能够满足海流传感器的测量要求.     

基于V-F变换的硅压阻压力传感器的处理电路

针对硅压阻压力传感器提出了一种基于电桥本身参数的温度自补偿方法,并设计了一种差分输入、双参数输出的高精度处理电路用以获得电桥参数。该电路用简单元件搭建差分输入的电荷平衡式V/F转换器,根据不同组态的频率输出解算电桥参数。该电路巧妙地利用差分输入方式消除了共模电压引起的误差,巧妙借用参考电阻消除了基准频率的影响,最终的输出频率只与被测量和参考电阻有关。经实验验证,电桥电阻的测量精度能达到0.0068%,经补偿后的压力传感器精度可达0.039%,相比补偿之前提高了一个数量级。     

光纤光栅与电阻应变片磁场环境下应变测量的试验研究

针对磁场对传感器工作性能的影响,借助等强度标准悬臂梁,研究光纤光栅和电阻应变片在磁场环境下的应变测量特性。给出2种传感器的应变传感方程,搭建磁场工作环境,分别采用电阻应变片和光纤光栅对磁场下悬臂梁的应变进行测量。结果表明:在有周期变化磁场工况下,电阻应变片的时域波形产生周期性的脉冲,脉冲大小与变化磁场的强度成正相关关系;光纤光栅传感器的测量结果则始终维持在理论计算值左右,不随磁场的变化而产生较大波动,证明了光纤光栅的抗电磁干扰特性。     

负荷传感器的动态测试

一、负荷传感器的一般测试: 负荷传感器的线性误差、重复性误差及滞后误差是表征传感器质量的三个主要参数。传感器的弹性体上贴有电阻应变片,将这些应变片组成惠斯顿电桥,并在电桥的对角端加上恒定电压。另外,两端接入数字电压表,当传感器受力时,     

三维力传感器的设计和静态解耦算法研究

针对三维力传感器在获取大量程空间三维力时存在精度低、维间耦合的问题,从机械解耦角度进行改进,弹性体采用十字梁型结构,竖梁两侧开设通槽,并将电阻应变片粘贴于竖梁和横梁两侧,通过电阻应变片组桥方式连接。利用万能试验机对传感器进行标定加载分析,基于最小二乘理论对经多次测量筛选出的数据进行拟合,得出该传感器输入载荷与输出电压之间解耦矩阵。采用研制出的三维力传感器进行论证实验,通过对传感器标定并结合弹性体本身机械结构解耦。实验结果表明,所研制的大量程三维力传感器的Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别为2.36%和2.1%,能够较好地抑制各维间的耦合,并达到了该传感器的预期精度要求。     

刮板输送机圆环链无线张力传感器研制

针对现有刮板输送机圆环链张力检测方法采用有线方式无法实时检测圆环链张力的问题,设计了一种基于RFID的刮板输送机圆环链无线张力传感器。该传感器选用电阻应变片作为敏感元件,通过电桥式应变测量电路将应变片检测到的应变信号转换为与圆环链张力相关的电压信号,电压信号经放大、滤波等调理后送入无线射频芯片nRF24LE1,通过nRF24LE1的无线发射模块发送到无线采集分站,实现对圆环链张力的实时检测与数据无线传输;根据实时检测到的圆环链张力及张力变化情况,可以判断圆环链的松紧程度,有效预测与准确判定圆环链的断链故障。实验结果验证了该传感器的可靠性。     

基于多参数的煤矿井下避难硐室传感器设计

针对煤矿井下避难硐室应配备独立的内外环境参数检测或监测仪器,而采用单一参数检测传感器存在布线复杂的问题,开发了一种可同时监测多种环境参数的煤矿井下避难硐室用多参数传感器。该传感器采用RS-485通信方式,可直接与监控系统分站或交换机通信,能够有效减少现场施工、布线的人力、物力成本,实现对避难硐室环境中甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气、温度、湿度、差压共7种参数的连续检测;可设定各参数超限报警值,具备声光报警功能,适用于需要检测环境工况的场所,如矿井、消防、有限空间等。传感器各敏感元件均采用集成化、模块化、数字化的创新性设计方案,在降低产品功耗的同时,有效提高了弱电信号抗干扰能力。此外,该传感器具备元件故障自诊断功能,保证了产品工作稳定性和可靠性。该设计为煤矿领域多参数传感器的研究与开发提供了参考。     

基于DDS技术的矿用风速传感器设计

针对现有煤矿井下用风速传感器工况条件差、性能易下降的问题,设计了一种基于DDS技术的矿用风速传感器。该传感器采用DDS技术设计了具有高稳定性谐振频率的超声波振荡电路,利用卡曼涡街原理实现了风速值实时、精准的测量。试验结果表明,该风速传感器可靠性高,测量误差较小,抗干扰性强。     

A new test bench system for hammer drills: Validation for handle vibration

Workers' can be exposed to high levels of hand vibration when drilling into concrete or rock using hammer drills; exposures that can cause hand arm vibration syndrome. Exposure levels may be reduced by different drill and bit designs and drilling methods, but these interventions have not been systematically evaluated. The purpose of this project was to develop a robotic test bench system for measuring handle vibration on drills in order to compare differences in drill designs, power sources, bit designs and drilling methods. The test bench is a departure from the ISO method for measuring drill handle vibration (ISO 28927-10), which requires drilling by humans. The test bench system was designed to repeatedly drill into concrete blocks under force control while productivity and handle vibration were measured. Handle vibration levels with different drills and bit sizes were similar to those collected following ISO methods. A new robotic test bench system for measuring handle vibration is presented and validated against ISO methods and demonstrates dynamic properties similar to human drilling.     

深水表层钻井随钻压力与温度监测装置设计

深水表层钻井随钻压力与温度监测装置是监测深水表层钻井过程中井底当量循环密度（ECD）和循环温度的重要工具。通过深水表层钻井随钻压力与温度监测装置,现场技术人员可以实时掌握井下环空压力、钻柱内压和温度等工程参数,进而了解和分析井下工况,为深水表层钻井作业和动态压井钻井技术提供指导。设计的深水表层钻井随钻压力与温度监测装置以ARM为核心,利用数据采集技术和通信技术,实现了随钻压力与温度的采集传输。完成的深水表层钻井随钻压力与温度监测装置具有体积小、功耗低、抗振动和抗高温和低温的优点。监测装置已经在我国南海第一口深水井LW6—1—1井的领眼井中成功进行应用试验,验证了其在深水无隔水管钻井条件下的机械强度、稳定性、可靠性,测量得的数据能真实反映钻井工况。     

无线扭矩-转速传感器在传动轴测试中的应用

设计了一种应变式无线扭矩传感器,同时集成了转速测量功能,在测量传动轴扭矩时,同时能准确的测量出转速。该传感器节点内置独立的高精度桥路电阻和放大调理电路,可以通过上位机软件,实现1/4桥、1/2桥、全桥测量方式的自动切换,兼容了各种类型的桥路传感器。节点通过无线数字信号传输,将测得的应变及转速值无线发送到上位机数据测试系统,该传输方式消除了传统采用的长电缆传输带来的噪声干扰,使得整个测量系统具有很高的测量精度和很强的抗干扰能力。通过工程实际应用,测试结果显示,本无线扭矩-转速传感器稳定可靠。     

采空区瓦斯抽采钻孔参数及注氮防灭火研究

钻孔抽采能够影响采空区内部风流的运动,从而导致采空区流场发生变化,增加工作面向采空区的漏风,同时钻孔周围呈现负压状态,漏风风流也不断向钻孔周围补充,采空区煤体在漏风集中区域呈现氧化升温状态,存在采空区遗煤自燃问题。针对上述问题,研究了钻孔抽采条件下采空区最优注氮防灭火方案。以白龙山煤矿10201工作面为背景,用数值模拟软件对工作面采空区进行仿真,分析了不同抽采参数下的采空区流场和温度场分布,依据合理钻孔参数确定了最优注氮条件。结果表明:抽采负压为30kPa时瓦斯抽采效果良好,氧化升温带增幅相对较低;钻孔间距为6m时抽采效果佳且工程量较小;进风侧注氮口与工作面距离为75m、注氮流量为1 500m^3/h时,可以很好地缩小氧化升温带宽度并节约成本。实际应用结果表明:综放工作面及上隅角瓦斯体积分数得到了有效控制,均低于1%;抽采管路及上隅角CO体积分数分别低于0.040%,0.032%,采空区煤体未发生自燃,采空区瓦斯抽采和注氮取得了良好的应用效果。     

普通钻孔和定向钻孔联合预抽煤巷条带瓦斯研究

针对采用单一顺层普通钻孔或定向钻孔预抽煤巷条带瓦斯时存在普通钻机施工长钻孔易偏离轨迹、定向钻机施工成本较高等问题,以青龙煤矿21601掘进工作面为研究背景,提出了采用普通钻孔和定向钻孔联合预抽煤巷条带瓦斯。数值模拟结果表明:单钻孔预抽瓦斯时,抽采初期钻孔终孔位置处钻孔轴向瓦斯压力等值线呈“V”形分布,随着抽采时间延长,瓦斯压力“V”形分布逐渐平滑;钻孔径向瓦斯压力以钻孔为中心呈环状依次向外递增;预抽93 d时的有效抽采半径达3.80 m;普通钻孔和定向钻孔可分别有效控制煤巷两帮15 m和煤巷掘进工作面前方200 m范围内瓦斯。现场应用结果表明:普通钻孔和定向钻孔联合预抽时,瓦斯抽采总量平均值为19.86×10^3 m^3,瓦斯抽采体积分数平均值为53.5%,瓦斯抽采纯流量平均值为1.97 m^3/min,瓦斯抽采混合流量平均值为3.68 m^3/min,残余瓦斯含量小于8 m^3/t,瓦斯抽采效果良好。     

石油钻井井口气体成分检测系统

针对石油气体检测系统大部分采用进口设备而存在价格高、体积大的问题,提出了一种石油钻井井口气体成分检测系统的设计方案。该系统采用催化燃烧式气敏探头,以惠斯通电桥作为检测单元,当气敏探头遇到所检测的气体时,只要气体能够被电极引燃,惠斯通电桥的电阻就会由于温度变化而发生改变,从而可得出气体浓度;检测的气体浓度结果通过上位机LabVIEW程序显示、存储,并自动生成报表。实际应用表明,该系统成本低、操作方便、反应灵敏,检测结果与进口设备同步。     

复杂变时滞作用下的钻头纵扭耦合非线性振动

油气探采中的钻柱是一个纵扭耦合的超大柔性转子系统,该系统在钻头-岩层切削界面的时滞、非光滑效应作用下极易产生破坏性的黏滑振动失稳并造成钻柱失效.研究围绕钻柱纵-扭耦合动力学及时滞稳定性问题展开,考虑钻柱内部结构阻尼、外部阻尼、重力、钻井液浮力以及更一般的顶部边界,建立了钻柱4自由度缩减模型.同时,基于井底钻头存在跳钻与扭振的实际工况,在钻头-岩层界面引入了多重再生切削效应,建立了复杂变时滞作用下的钻柱纵扭耦合非线性动力学模型.随后,基于半离散法,得到了该系统的线性派生时滞系统的稳定性判据,并在转速-钻压参数平面得到了稳定钻进的参数包络线.通过参数研究,分析了顶部边界条件、岩层强度等因素对钻柱参数空间稳定性包络线的影响.同时,通过对系统的时域非线性仿真,验证了稳定性分析的正确性并重现了井底钻头的黏滑运动、跳钻、钻头反转等多种强非线性运动.最后,对时滞引起的钻柱自激振动,通过优化的顶部柔顺边界实现了振动抑制,为钻柱纵扭耦合振动的抑制提供一种简单有效的思路.     

Estimation of heat stress in Tanzania by using ISO heat stress indices

The aim of this study was to evaluate the usefulness of the ISO heat stress standards in estimating the heat stress and strain in workplaces in Tanzania. Another aim was to select and to develop simplified methods for measuring physiological parameters in developing countries. The methods were tested in four hot factories and at a construction site. It seems that in tropical working environments the climatic conditions for which the ISO 7933 standard is applicable are too narrow. For instance, the mean skin temperature was incorrectly estimated by ISO 7933. An approximate analysis of the working situation can nevertheless be carried out by assuming the mean skin temperature to be 34.5 degrees C. During the study, heat stress and strain were not as high as expected; deep body temperatures were usually lower than 38 degrees C, sweat rates lower than 400 g/h and heart rates below 100 beats/min for about 72% of the measuring time. This is due to the job rotation of the workers and the long rest periods, because the number of workers is large in the factories, and the weather was not at its hottest during the survey.     

Knowledge-based diagnosis of drill conditions

One major bottleneck in the automation of the drilling process by robots in the aerospace industry is drill condition monitoring. This paper describes a system approach to solve this problem through the advancement of new machine design, sensor instrumentation, metal-cutting research, and intelligent software development. All drill failures can be detected and distinguished: chisel edge wear, flank wear, crater wear, margin wear, corner wear, breakage, asymmetry, lip height difference, and chipping at lips. However, in the real manufacturing environment, different workpiece materials, drill size, drill geometry, drill material, cutting speed, feed rate, etc. will change the criteria for judging the drill condition. The knowledge base used for diagnosing the drill failures requires a huge data bank and prior exhaustive testing. A self-learning scheme is therefore introduced to the machine in order to acquire the threshold history needed for automatic diagnosis by using the same new tool under the same drilling conditions.