云藍(lán)斯+++馬俊先+++張嵇禹+++王恒+++高凱+++邱格

摘 要：在工業(yè)中，目前皮帶跑偏檢測(cè)主要的方法是使用跑偏檢測(cè)開關(guān)，即行程開關(guān)。但跑偏檢測(cè)開關(guān)的故障率較高。為保障跑偏檢測(cè)開關(guān)正常工作，需專職人員人工對(duì)開關(guān)進(jìn)行定期維護(hù)，使用的人力成本較高。為確保皮帶在運(yùn)行過程中安全可靠、便于實(shí)施，同時(shí)降低維護(hù)成本。文章通過對(duì)超聲波測(cè)距儀原理進(jìn)行分析后，設(shè)計(jì)了一種基于超聲波測(cè)距的非接觸性皮帶檢測(cè)報(bào)警裝置。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)；報(bào)警；超聲波；非接觸性

1 概述

運(yùn)輸皮帶是物料短途運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦山、農(nóng)業(yè)、食品、煙草等生產(chǎn)行業(yè)。皮帶跑偏是運(yùn)輸皮帶作業(yè)過程中最為常見的故障，其危害性極大，皮帶跑偏輕則造成撒料、皮帶磨損；重則由于皮帶與機(jī)架劇烈摩擦引起皮帶軟化、燒焦甚至引起火災(zāi)，造成整個(gè)生產(chǎn)線停產(chǎn)。所以及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)皮帶跑偏具有非常重要的意義[1]。

目前皮帶跑偏檢測(cè)主要的方法是使用跑偏檢測(cè)開關(guān)，即行程開關(guān)。使用時(shí)將行程開關(guān)成對(duì)安裝于輸送機(jī)頭部或尾部，當(dāng)皮帶跑偏時(shí)皮帶邊緣接觸壓迫行程開關(guān)觸頭產(chǎn)生移動(dòng)觸發(fā)報(bào)警。跑偏檢測(cè)開關(guān)是機(jī)械式開關(guān)，采用接觸式檢測(cè)方式，當(dāng)其應(yīng)用于如煤礦井下等較為惡劣的生產(chǎn)環(huán)境時(shí)，極易被煤塵、泥污、油泥等影響，易發(fā)生誤報(bào)、漏報(bào)等故障。因此，跑偏檢測(cè)開關(guān)的故障率較高。為保障跑偏檢測(cè)開關(guān)正常工作，需專職人員人工對(duì)開關(guān)進(jìn)行定期維護(hù)，使用的人力成本較高。

文章在于提供一種基于超聲波測(cè)距的皮帶檢測(cè)報(bào)警裝置，是采用非接觸式檢測(cè)原理的、運(yùn)行可靠、便于實(shí)施、維護(hù)成本低的檢測(cè)運(yùn)輸皮帶跑偏的新設(shè)備。

2 工作原理分析

超聲波監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置如圖1所示，主要包括超聲波測(cè)距單元、人機(jī)交互單元、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元和報(bào)警單元。通過超聲波測(cè)距儀測(cè)量獲得超聲波測(cè)距傳感器至皮帶的邊緣距離，以此來判斷皮帶是否跑偏?；诔暡y(cè)距的皮帶監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置安裝如圖2所示。

超聲波測(cè)距儀（102）工作原理：

超聲波測(cè)距儀主要是由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊所構(gòu)成。超聲波測(cè)距可以用相位檢測(cè)、聲波幅值檢測(cè)、渡越時(shí)間檢測(cè)。相位檢測(cè)法的精度最高，但測(cè)距量程不高，聲波幅值檢測(cè)受介質(zhì)影響較大，因此，目前超聲波測(cè)距一般采用渡越時(shí)間法，因此，文章采用的是渡越時(shí)間法進(jìn)行超聲波測(cè)距[2]。

渡越時(shí)間法：利用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波， 在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)， 超聲波在空氣中傳播， 途中碰到障礙物就立即返回來， 超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=340t/2。

3 具體實(shí)施方式

（1）所述監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置如圖1所示實(shí)施例中，包括：

超聲波測(cè)距單元（101），采用測(cè)距距離大于3米的小波束角發(fā)射接收一體化超聲波測(cè)距傳感器（102），可采用深圳導(dǎo)向機(jī)電技術(shù)有限公司的KS109超聲波測(cè)距模塊。

通信單元（103），包括輸入端口（104）和輸入端口（105），數(shù)據(jù)輸入端口接一超聲波測(cè)距傳感器（102）發(fā)送的測(cè)量數(shù)據(jù)，采用I2C總線通信方式。數(shù)據(jù)輸出端口將數(shù)據(jù)發(fā)送給其它設(shè)備，采用RS485通信方式與報(bào)警單元、皮帶控制設(shè)備（如PLC）及其它監(jiān)控設(shè)備連接[3]，當(dāng)皮帶跑偏時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)控制皮帶停止運(yùn)轉(zhuǎn)，保護(hù)相關(guān)設(shè)備。

人機(jī)交互單元（106），包括顯示屏（107）和按鍵（108），顯示屏采用兩行點(diǎn)陣型LCD液晶顯示模塊，視域尺寸：60.5×18.0mm，54.8×18.3m。

報(bào)警單元（109），采用聲光報(bào)警器（110）具有喇叭和報(bào)警燈，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，通過RS485接口與通信單元連接通信。

數(shù)據(jù)處理單元（111），處理器（112）用于執(zhí)行數(shù)據(jù)比較處理工作，實(shí)施時(shí)可使用MCU，也可使用FPGA實(shí)現(xiàn)。

輔助電路（113），除以上提到的各單元設(shè)備外，裝置還包括電源電路等輔助電路和相關(guān)元件，為各單元設(shè)備元件提供支持，如在煤礦井下使用下所有元件及電路應(yīng)符合本質(zhì)安全要求。

（2）所述監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置安裝示意圖參考圖2。

超聲波測(cè)距傳感器（203）分別安裝于位于支架（202）上，位于運(yùn)輸皮帶（201）兩個(gè)邊緣上方，且安裝高度相同，安裝高度高于物料高度，為保證監(jiān)測(cè)精度超聲波測(cè)距傳感器應(yīng)盡量靠近皮帶表面；兩個(gè)超聲波測(cè)距傳感器中心位置連線垂直于皮帶運(yùn)行方向。除超聲波測(cè)距單元的其他單元元件集中在裝置殼體（204）內(nèi)，裝置殼體可安裝在的支架上。

（3）監(jiān)測(cè)報(bào)警的具體實(shí)施步驟如圖3所示。

（301）判斷裝置是否已經(jīng)校準(zhǔn)，如未校準(zhǔn)，則進(jìn)行位置校準(zhǔn)（302），如已校準(zhǔn)則執(zhí)行（303）。直接檢測(cè)。

（302）位置校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)需對(duì)位置正常的皮帶使用超聲波測(cè)距設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，獲得超聲波至皮帶的邊緣距離AL和AR，計(jì)算AL-AR，如|AL-AR|>G，則調(diào)整支架（202）傾斜度使|AL-AR|

（303）通信單元接收超聲波測(cè)距儀測(cè)量獲得超聲波測(cè)距傳感器至皮帶的邊緣距離BL和BR。

（304）數(shù)據(jù)處理單元比較器通過比較實(shí)時(shí)皮帶的邊緣距離，如

|BL-BR|>F，則執(zhí)行（305），否則返回（303）。

（305）判斷BL-BR是否大于零，如大于零則皮帶向右跑偏，如小于零則向左跑偏。

（306）裝置聲光報(bào)警并在顯示器顯示相關(guān)信息，并向皮帶控制設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)。

4 結(jié)束語

文章利用超聲波測(cè)距儀提供一種基于超聲波測(cè)距的皮帶監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，采用非接觸式檢測(cè)原理，運(yùn)行可靠且維護(hù)成本低。通過具體實(shí)施能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)皮帶是否發(fā)生跑偏，從而保證了生產(chǎn)線的安全。該裝置涉及超聲波測(cè)距和通信等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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[2]JosephCJackson，Summan R.Time-of-Flight Measurement Techniques for Airborne Ultrasonic Ranging[J].IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS.2013，13（19）：75-90.

[3]田擁軍，趙光強(qiáng)，曾健平.基于RS485總線技術(shù)的PC機(jī)與單片機(jī)多機(jī)通訊設(shè)計(jì)[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）.

作者簡介：云藍(lán)斯（1996-），女，黑龍江省大慶人，工作單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），職務(wù)：學(xué)生，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。