专利名称：顶板动态仪校准装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种位移检测仪的校准设备，特别是涉及一种顶板动态仪校准装置。
背景技术：
顶板动态仪是用于煤矿井下测量顶底板移近量、移近速度，进行采场来压预报，检 测支承压力高峰位置等，是采场矿压观测的基本工具。近年来，国家非常重视安全生产问题。煤矿安全更是其中的重中之重。根据二〇〇 六年四月国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局《煤矿安全生产“十一五”规划 (草案)》数据，我国煤矿顶板条件差异较大。多数大中型煤矿顶板属于II (局部不平)类、 III (裂隙比较发育)类；I类(平整)顶板约占11%，主要分布在义马、郑州、潞安、阳泉、大 同等矿区；IV类、V类(破碎、松软)顶板约占5%，主要集中在淮南、淮北、焦作等矿区。近 几年来，顶板事故的起数和由于顶板事故造成的死亡人数所占的比例都是煤矿各类事故中 最高的，其中乡镇煤矿顶板事故尤为突出，乡镇煤矿顶板事故起数和死亡人数均占到所有 顶板事故的70%以上。根据有关资料统计，顶板事故是煤矿生产过程中常见和多发的事故， 虽然不象瓦斯煤尘爆炸和水灾事故那么单体事故死亡人数多，但死亡人数累积起来仍占相 当大的比重。国家煤矿安全监察局调度中心的资料显示，2006年，煤矿发生顶板事故1633 起、死亡率902人，事故起数、死亡人数分别居各类事故的第一位。在采矿生产活动中，顶板 事故是最常见的事故，因此，多年来，煤矿十分注重强化顶板管理工作。顶板事故可以采用 简易方法和仪器进行检查与观测，常用的简易方法有木楔法、标记法、听音判断法、震动法 等。还可以采用顶板报警仪、机械测力计、钢弦测压仪、地音仪等观测顶板及地压活动。目前，为解决顶板监测问题，国内专家研制生产了顶板动态仪这种计量仪器，广大 煤矿生产企业和建筑行业开始大量使用顶板动态仪来捕捉顶板断裂出现的“反弹”及“压力 高峰转移”等重要信息，为预报顶板来压及推断支承压力高峰位置提供依据，为安全生产提 供技术支持。据统计，煤矿使用顶板动态仪数量达几十万支。但是这种承载着安全预报功能的顶板动态仪，却因为没有相应的校准设备，致使 顶板动态仪虽大量应用于安全生产监测，但是没有校准依据计量性能没有进行量值溯源， 因而其主要计量性能没有确定下来，为安全生产埋下了另一种隐患。
发明内容本实用新型目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种顶板动态仪校准装置。本发明人对现有顶板动态仪进行了长期的调查研究，发现目前顶板动态仪溯源存 在以下问题1)现有的国家检定系统表不包括此类顶板动态仪，因此也没有相应的国家计量检 定规程或者校准规范。计量技术机构因没有相关的技术规范，不能提供充分、可靠的技术支持。[0009]2)生产企业只重视生产，虽然强调安全生产但是忽视了测量仪器设备量值溯源的 重要性。即使重视安全仪器的溯源问题，使用者不知道怎样进行，为安全起见只好规定一个 报废期限，给企业造成很大浪费，同时又是一个安全隐患。3)没有专用的校准设备，出具的相关数据不规范。目前使用的顶板动态仪的传递原理大多采用齿条带动齿轮回转，指针指示，有毫 米刻度尺，弹性元件作为测量力。其结构示意图和原理图如图2-3所示。其包括测杆8。 其传动部分包括弹性元件80、表盘81、指针82、中心齿轮83、齿条84。可以看出，顶板动态仪是用机械方法来实现被测量的变换和放大的计量器具，属 于机械式计量器具。本发明人总结出影响其计量特性的主要因素有1)齿轮齿条的传动这是该仪器主要的量值产生的部件，齿条齿距产生的位移通 过中心齿轮细分，带动指针产生角位移，主要误差产生在此处。齿条齿距的精度直接影响示 值误差；由于齿条和齿轮配合会有间隙，能产生示值误差和回程误差。2)弹性元件产生的测量力当外力施加于测量杆时，弹性元件产生的测量力能够 抵销部分外界位移，外界位移已存在，但顶板动态仪却没有响应。因此，测力需要控制在一 个合理范围内。3)各部位相互作用由于顶板动态仪各部位之间存在紧密地联系，任何一个部位 功能不正常，将会给整个装置带来误差，如测杆(带有齿条)与装夹套筒的磨擦、齿条与齿 轮配合失常、指针固定的松动等。4)刻度间距毫米刻度尺或圆刻度盘上两相邻刻线中心之间的距离或圆弧长度。 刻度间距太小，会影响估读精度，太大则会加大读数装置的轮廓尺寸。为适于人眼观察，刻 度间距一般为0. 75 2. 5mm。5)指针与表盘刻线及游标与毫米刻度尺刻线的相互位置6)示值变动性示值变动性反映了顶板动态仪重复测量时的稳定性。在相同条件 下，对同一被测量物进行多次(一般为5 10次)重复测量时，计量器具测量结果的最大差值。环境条件对示值的影响根据调查，顶板动态仪通常使用在煤矿井下，环境温度一 般在0°C 40°C范围内，湿度≤90RH范围内。由于钢制量具存在热膨胀系数，测量时，温度 的偏差会引起长度测量误差。为实现上述目的，本实用新型顶板动态仪校准装置包括安装在支架上的步进电机 和竖向精密丝杠，步进电机的输出轴通过传动机构连接精密丝杠，精密丝杠配有精密内丝 扣型滑块式测量压头，支架下部配装有与夹口平行于测量轴线的顶板动态仪夹具；步进电 机连接步进电机驱动板，电机驱动板再连接PC机。其利用步进电机带动精密丝杠旋转，使 位于丝杠上的滑块(测量压头)沿丝杠轴线产生线性位移；滑块(测量压头)的移动使顶 板动态仪产生位移，使仪器的刻度上产生的位移量达到预定位置L，此时丝杠产生位移量为 L，两者之差即为该设定位置的误差。如此设计，该校准装置重复性好，性能稳定，可靠性高， 在大大降低事故、确保企业的安全生产的同时，又可以节约企业由于盲目更换所带来的资 金浪费，在矿山安全生产中具有重要的经济和社会效益。作为优化，所述PC机主板上安装有专用控制卡。如此设计，方便操作，可靠性强。[0023]作为优化，所述专用控制卡为步进电机控制卡。如此设计，有利于提高控制精度。作为优化，所述PC机硬盘中安装有专用控制检测软件。如此设计，可操作性强。作为优化，所述顶板动态仪夹具为配有微调机构的夹口平行于测量轴线的刚性夹 具。如此设计，装夹位置就能保证被测仪器在测量过程不移位，并保证平行于测量轴线。所 述微调机构优选为上下位移微调机构，通过该机构可以对顶板动态仪进行对零。作为优化，所述传动机构是固装在步进电机输出轴上的主动轮通过正时皮带与固 装在精密丝杠上端的从动轮相连。如此设计，采取硬连接或齿轮连接很难做到同轴，齿轮连 接误差较大。采用正时皮带连接，精密丝杠响应步进电机角位移好于前两者。作为优化，所述支架底部固装有底座式工作台，所述支架顶部固装有顶梁，顶梁配 装步进电机，精密丝杠上部和下端分别通过轴承配装在顶梁和工作台上。如此设计，结构简 单，方便使用，可靠性强。作为优化，所述支架固装有竖向滑配道，滑块式测量压头与竖向滑配道竖向滑配 配合。如此设计，能保证滑块上下行轨迹，始终与顶板动态仪的轴线一致，保证检测精确性。作为优化，所述竖向滑配道为竖向滑配轴，滑块式测量压头通过其配装的铜轴套 与竖向滑配轴竖向滑配。如此设计，结构简单，可靠性强，方便维护使用。作为优化，所述PC机还进一步连接有用于配装在顶板动态仪表盘上的自动仪表 读数器。如此设计，有利于减少人为因素，提高工作效率。其工作原理为顶板动态仪校准装置主要有电脑(PC)机、专用控制卡、步进电机 驱动板、专用控制检测软件、精密丝杠、步进电机组成。步进电机、精密丝杠、安装在专用支 架上，组成检测机构。检测机构上的测量头由精密丝杠带动，可在垂直方向上推动顶板动态 仪顶部测杆上下移动。步进电机的运动由电脑控制，在正、反二个方向上可实现连续运转， 定距步进。从而带动测量头在上、下二个方向上连续移动或作定距移动。校准装置运行时， 测量头移动的距离、各个受校准点检测到的误差都可以直接显示在电脑屏幕上。误差数据 由电脑记录、存储。正、反行程校准完后，由电脑进行数据处理。计算出受校准点的示值误 差、回程误差。其使用方法1、示值变动性使用方法先将顶板动态仪支撑爪卸掉，装夹在顶板 动态仪夹具(校准装置的刚性表架)上，使其测杆测球与校准装置上端的滑块式测量压头 垂直接触，通过校准装置调整毫米刻度尺始、中、末三个位置处分别移动测量杆5次(测杆 移动量不超过IOmm)，5次中最大值与最小值之差作为示值变动性。2、示值误差使用方法校准顶板动态仪时先将支撑爪卸掉，使用顶板动态仪校准 装置，将顶板动态仪装夹在校准装置刚性夹具上，使其测杆测球与滑块式测量压头垂直接 触，调整校准装置使顶板动态仪表盘指针对准零位，指标线应在毫米刻度尺零位附近；顶板 动态仪(0-200)mm示值误差是在正反行程的方向上每间隔5mm进行校准。顶板动态仪移动 规定分度后，在校准装置上读取各点的误差值，直到工作行程终点。在正方向校准完后继续 压缩使测杆转过10mm，接着反方向进行校准。在整个校准过程中，中途不得改变测杆的移动 方向，也不应对受校准顶板动态仪和校准装置作任何调整。决定反行程误差的正负号和正 行程的相同。顶板动态仪(0-200)mm范围内示值误差由正行程程各受校准点误差中最大值与 最小值之差确定在校准(0-5)mm范围内示值误差时在(0-200)mm读数误差中选择最大值和最小值的2个位置处在前后间隔5mm，在(0_10)mm范围内每间隔—Imm进行校准，(0_5)mm 范围内示值误差以正行程内最大值与最小值之差求得。具体校准方法1)外观。要求指示表的表蒙应透明洁净，不应有气泡和明显划痕；指针和表盘刻 线、游标和毫米刻度尺刻线应清晰、平直、均勻，无目力可见瑕疵；测杆测头上不应有碰伤、 锈迹和明显的划痕。其他表面上不应有脱漆和毛刺及影响外观质量的其它缺陷。顶板动态仪上必须有制造厂名或商标，分度值和型号规格。使用中和修理后的顶板动态仪，允许有不影响使用准确度的外观缺陷。校准方法目力观察。2)各部分相互作用。要求测杆的移动及指针回转应平稳、顺畅，不得有跳动、卡 住和阻滞现象。指针应紧固在轴上，测杆移动时指针不应松动。校准方法试验和观察。3)指针与表盘刻线及游标与毫米刻度尺刻线的相互位置(由产品抽样得出数据， 以不产生视差为宜)。要求在自由状态下，指针末端指向与表盘刻线方向、游标与毫米与刻度尺刻线方 向应一致，无目力可见的偏斜。指针与表盘毫米刻线对准时游标与毫米刻度尺刻线应对准， 且左右观察应无目力可见变化；游标行程应超过毫米刻度尺210mm处。校准方法目力、试验观察。4)示值变动性。要求不超过0. 1mm。校准方法将顶板动态仪装夹在校准装置刚性表架上，使其测杆测球与校准装置 工作台面垂直接触，通过校准装置调整毫米刻度尺始、中、末三个位置处分别移动测量杆5 次(测杆移动量不超过10mm)，5次中最大值与最小值之差作为示值变动性。上述三个位置 的示值变动性均应不超过要求。5)示值误差。要求(0 5) mm不超过0. 5mm ； (0 200) mm不超过2mm。校准方法校准顶板动态仪时使用顶板动态仪校准装置，将顶板动态仪装夹在校 准装置刚性夹具上，使其测杆测球与校准装置圆工作台面垂直接触，调整校准装置使顶板 动态仪表盘指针对准零位，指标线应在毫米刻度尺零位附近；顶板动态仪(0-200)mm示值 误差是在正反行程的方向上每间隔5mm进行校准。顶板动态仪移动规定分度后，在校准装 置上读取各点的误差值，直到工作行程终点。在正方向校准完后继续压缩使测杆转过10mm， 接着反方向进行校准。在整个校准过程中，中途不得改变测杆的移动方向，也不应对受校准 顶板动态仪和校准装置作任何调整。决定反行程误差的正负号和正行程的相同。顶板动态仪(0-200)mm范围内示值误差由正行程程各受校准点误差中最大值与 最小值之差确定。在校准(0-5)mm范围内示值误差时在(0-200)mm读数误差中选择最大值和最小值 的2个位置处在前后间隔5mm，在(0-10)mm范围内每间隔Imm进行校准，(0_5)mm范围内
示值误差以正行程内最大值与最小值之差求得。6)回程误差。要求不超过0. 25mm。校准方法在示值误差校准完后，取正、反行 程各对应点误差之差最大值作为回程误差。7)测力。要求不小于40N。校准方法用分度值为IN的测力计进行校准。[0053]通过这五方面问题的研究，可以了解顶板动态仪的计量特性，并据此分析了数据 指标，提出了校准方法，为下一步起草校准规范提供了较为翔实的技术资料。经试用证明a)该校准装置采用先进的步进电机和传统的精密丝杠相结合实现精确的进给，减 少了一般机械式进给不易定位、重复性差的缺点，又克服了过高精度设备稳定性差、性价比 不高的缺点。整套装置采用标准化结构，外形美观大方，方便系统维护和升级。在增加操作 的安全保障的同时，保证系统的可扩展性。b)该校准装置用计算机控制，可操作性强。c)其软件结构要通过一个层次清晰、逻辑严密、专业化程度很高的对话框与用户 交互。d)其系统采用RS-232通讯方式，完成步进电机驱动控制和通讯功能。简化了系统 结构，提高了系统运行可靠性，方便系统的定制和扩充。e)利用CMOS成像技术的读表器，通过计算机成像，减少人为因素，提高工作效率。f)实时记录各点数据，计算全部误差，并可永久保存。检定结束后自动切断电源， 数据处理后存盘，并有掉电保护功能。在检定过程中若突然停电或因故人为退出程序，再次 启动检定程序时将提示您选择在原检定的基础上继续检定还是重新开始检定，继续检定能 节省检定时间，提高工作效率。 采用上述技术方案后，本实用新型顶板动态仪校准装置采用步进电机和精密丝杠 精确的进给；系统采用RS-232通讯方式，完成步进电机驱动控制和智能PID调节器的通讯 功能；并利用CMOS成像技术，通过计算机成像，减少人为因素，提高工作效率，实现了顶板 动态仪示值误差、回程误差校准，校准精度高，自动化程度高，满足了矿山顶板位移监测的 要求，实现了矿山顶板沉降变形的数值自动模拟，在矿山安全生产中具有重要的经济和社 会效益，显著推进了煤矿安全生产技术的发展。该校准装置具有重复性好，性能稳定，可靠 性高，自动化程度高，实现了矿山顶板沉降变形的数值自动模拟，在提高顶板事故隐患监测 能力、确保安全生产的同时，又节约了企业盲目更换带来的资金浪费，在矿山安全生产中具 有重要经济和社会效益的优点。

图1是本实用新型顶板动态仪校准装置的结构示意图；图2是本实用新型顶板动态仪校准装置所检测顶板动态仪的结构示意图；图3是本实用新型顶板动态仪校准装置所检测顶板动态仪的传动原理示意图。
具体实施方式
如图所示，本实用新型顶板动态仪校准装置包括安装在支架上的步进电机1和竖 向精密丝杠2，步进电机1的输出轴通过传动机构5连接精密丝杠2，精密丝杠配有精密内 丝扣型滑块式测量压头3，支架下部配装有与夹口平行于测量轴线的顶板动态仪刚性夹具 4 ；步进电机1连接步进电机驱动板，电机驱动板再连接主板安装有专用控制卡的PC机。所 述专用控制卡优选为步进电机控制卡。所述PC机硬盘中优选安装有专用控制检测软件。所 述顶板动态仪夹具优选为配有手动微调机构的刚性夹具4。[0066]所述传动机构是固装在步进电机1输出轴上的主动轮通过正时皮带与固装在精 密丝杠2上端的从动轮相连。所述支架底部固装有底座式工作台，所述支架顶部固装有顶 梁，顶梁配装步进电机，精密丝杠上部和下端分别通过轴承配装在顶梁和工作台上。所述支架固装有竖向滑配道，滑块式测量压头3与竖向滑配道竖向滑配配合。所 述竖向滑配道优选为竖向滑配轴，滑块式测量压头3优选通过其配装的铜轴套与竖向滑配 轴竖向滑配。所述PC机还进一步连接有用于配装在顶板动态仪表盘上的自动仪表读数器。本实用新型顶板动态仪校准装置技术指标1.测量行程(0_200)mm内可任意设定。2.检测步距1mm、2mm、5mm、10mm。3.示值误差:0-200mm不大于0. 50mm ；任意5mm不大于0. 20mm。4.回程误差不大于0.05mm。近年来，该智能顶板动态仪校准装置采用步进电机和精密丝杠精确的进给；系统采用 RS-232通讯方式，完成步进电机驱动控制和智能PID调节器的通讯功能；并利用CMOS成像 技术，通过计算机成像，减少人为因素，提高工作效率，实现了顶板动态仪示值误差、回程误 差校准，校准精度高，自动化程度高，满足了矿山顶板移位监测的要求，实现了矿山顶板沉 降变形的数值自动模拟，在矿山安全生产中具有重要的经济和社会效益，极大地推进了煤 矿安全生产技术的发展。
权利要求1.一种顶板动态仪校准装置，其特征在于包括安装在支架上的步进电机和竖向精密丝 杠，步进电机的输出轴通过传动机构连接精密丝杠，精密丝杠配有精密内丝扣型滑块式测 量压头，支架下部配装有与夹口平行于测量轴线的顶板动态仪夹具；步进电机连接步进电 机驱动板，电机驱动板再连接PC机。
2.根据权利要求1所述顶板动态仪校准装置，其特征在于所述PC机主板上安装有专用 控制卡。
3 根据权利要求2所述顶板动态仪校准装置，其特征在于所述专用控制卡为步进电机 控制卡。
4.根据权利要求1所述顶板动态仪校准装置，其特征在于所述PC机硬盘中安装有专用 控制检测软件。
5.根据权利要求1所述顶板动态仪校准装置，其特征在于所述顶板动态仪夹具为配有 微调机构的夹口平行于测量轴线的刚性夹具。
6.根据权利要求1所述顶板动态仪校准装置，其特征在于所述传动机构是固装在步进 电机输出轴上的主动轮通过正时皮带与固装在精密丝杠上端的从动轮相连。
7.根据权利要求1所述顶板动态仪校准装置，其特征在于所述支架底部固装有底座式 工作台，所述支架顶部固装有顶梁，顶梁配装步进电机，精密丝杠上部和下端分别通过轴承 配装在顶梁和工作台上。
8.根据权利要求1所述顶板动态仪校准装置，其特征在于所述支架固装有竖向滑配 道，滑块式测量压头与竖向滑配道竖向滑配配合。
9.根据权利要求8所述顶板动态仪校准装置，其特征在于所述竖向滑配道为竖向滑配 轴，滑块式测量压头通过其配装的铜轴套与竖向滑配轴竖向滑配。
10.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述顶板动态仪校准装置，其 特征在于所述PC机还进一步连接有用于配装在顶板动态仪表盘上的自动仪表读数器。
专利摘要本实用新型涉及一种顶板动态仪校准装置，为解决顶板动态仪校准问题，其包括安装在支架上的步进电机和竖向精密丝杠，步进电机的输出轴通过传动机构连接精密丝杠，精密丝杠配有精密内丝扣型滑块式测量压头，支架下部配装有与夹口平行于测量轴线的顶板动态仪夹具；步进电机连接步进电机驱动板，电机驱动板再连接PC机。其具有重复性好，性能稳定，可靠性高，自动化程度高，实现了矿山顶板沉降变形的数值自动模拟，在提高顶板事故隐患监测能力、确保安全生产的同时，又节约了企业盲目更换带来的资金浪费的优点。
文档编号G01B5/02GK201787903SQ20102027999
公开日2011年4月6日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者姜义滨, 宋新权, 焉峰, 王建昆, 王瑞金, 赵文龙 申请人:泰安市计量测试所