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        一種礦山窄軌車輛用接近傳感器

        2020-06-08 09:47:16程玉龍
        煤礦安全 2020年5期
        關(guān)鍵詞:半圓形磁芯外徑

        程玉龍

        (1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400037;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400037)

        窄軌運(yùn)輸是礦山運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分,在許多煤礦都有應(yīng)用。隨著智能化礦山逐漸成為今后礦山生產(chǎn)的發(fā)展趨勢,對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的自動(dòng)化控制需求不斷增加,窄軌運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)發(fā)展趨勢是向無人化發(fā)展,而建設(shè)窄軌礦車監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)就是礦車的定位。目前礦山常見的對(duì)礦車定位主要有無線定位卡定位、接近傳感器定位等方法。使用接近傳感器定位是較為通用的測量方法。由于井下環(huán)境的具有一定的復(fù)雜性如灰塵大、積水、軌道多樣、車輪及軌道的磨損嚴(yán)重、軌道的平直度不一等等,要準(zhǔn)確監(jiān)測定位,并非易事。采用電渦流原理的接近傳感器可以非接觸的檢測金屬車輪位置,是一種較好的測量方式,因此需要對(duì)及其應(yīng)用進(jìn)行深入研究,提高其工作穩(wěn)定性,保障礦山安全生產(chǎn)。

        1 電渦流傳感器工作原理

        電渦流傳感器是根據(jù)電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。即變化的磁場中的金屬導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而在金屬導(dǎo)體表面形成若干漩渦狀的閉合電流,這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。

        常見電渦流傳感器的核心部件是一個(gè)線圈,為了增強(qiáng)線圈的品質(zhì)因數(shù),線圈一般通過骨架或者直接纏繞于鐵氧體磁芯之上。線圈需要與其他部件構(gòu)成振蕩電路,在傳感器正常工作時(shí),振蕩電路及線圈內(nèi)部一直存在一定頻率振蕩電流,因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)原理,振蕩線圈內(nèi)的交變電場會(huì)在周圍產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場[1-4]。磁力線會(huì)從線圈的端面密集穿過。電渦流傳感器工作示意圖如圖1。

        圖1 電渦流傳感器工作示意圖Fig.1 Diagram of electric vortex sensor work

        在線圈周圍磁場中,有金屬導(dǎo)體材質(zhì)的被測物體靠近時(shí),交變的磁場就會(huì)在金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生一個(gè)渦流電流,而渦流電流又會(huì)形成與線圈磁場相反的磁場,反作用于線圈,這樣,造成了原振蕩電路的能量損耗,導(dǎo)致原振蕩波形幅值變小。即線圈的電感、阻抗以及品質(zhì)因數(shù)的值都會(huì)發(fā)生變化。線圈的幾何形狀、線圈的材質(zhì)、繞制方式、磁芯的形狀、線圈的工作頻率、線圈周圍金屬導(dǎo)體的分布[5],以及周圍金屬導(dǎo)體的材質(zhì)、電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀等參數(shù)均影響電渦流的大小[6]。實(shí)際應(yīng)用中,線圈的參數(shù)基本固定,安裝在固定位置檢測金屬車輪時(shí),車輪的大小、形狀基本不變,周圍的金屬導(dǎo)體也基本不變,這樣,檢測振蕩波形的變化,可以反映出線圈周圍環(huán)境的變化情況,從而檢測出車輪是否經(jīng)過。

        2 傳感器的設(shè)計(jì)

        2.1 整體結(jié)構(gòu)

        傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

        圖2 傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Brief diagram of the overall structure of the sensor

        礦用接近傳感器的整體結(jié)構(gòu)可以分為3 個(gè)部分。其中,振蕩電路作用是在線圈中產(chǎn)生電磁振蕩,向周圍發(fā)出振蕩電磁波;比較電路則對(duì)振蕩線圈的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行檢測,當(dāng)線圈周圍的振蕩電磁場中出現(xiàn)金屬導(dǎo)體,導(dǎo)致振蕩電磁波能量被吸收,線圈品質(zhì)因數(shù)下降時(shí),將電磁振蕩波形幅值與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較,判斷金屬導(dǎo)體是否進(jìn)入或離開有效檢測區(qū)域,其結(jié)果輸出一個(gè)動(dòng)作信號(hào);電流轉(zhuǎn)換電路則是根據(jù)比較電路檢測出的結(jié)果,切換不同的分流電路,從而改變傳感器的輸出電流[7]。

        傳感器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是二線制,輸出為1 mA 和5 mA 的電流信號(hào)。未檢測到金屬導(dǎo)體時(shí),電流值為1 mA;檢測到金屬導(dǎo)體時(shí),電流值為5 mA;對(duì)低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)樣塊的檢測距離為30 mm。

        2.2 檢測線圈

        基于比較線圈品質(zhì)因數(shù)Q 值的接近傳感器,設(shè)計(jì)上應(yīng)該遵循2 個(gè)原則:①在檢測量程附近,金屬導(dǎo)體與線圈的距離變化△L 時(shí),Q 值的變化△Q,應(yīng)該盡量大,這樣才容易控制檢測距離閾值,同時(shí)傳感器的靈敏度也越高[8];②應(yīng)該保證振蕩電路在工作頻率運(yùn)行時(shí),Q 值盡量大,后繼電路才容易設(shè)計(jì)。

        檢測線圈主要由線圈、骨架、鐵氧體磁芯構(gòu)成。線圈的電感主要由繞線匝數(shù)及繞制形狀決定。線圈的品質(zhì)因數(shù)則與磁芯的材質(zhì)及形狀、線圈骨架的形狀及材質(zhì)、線圈繞線的材質(zhì)及類型、線圈的繞線匝數(shù)及繞線密度等均有關(guān)。因此,要設(shè)計(jì)滿足需求的傳感器,需要重點(diǎn)研究磁芯及線圈的性能與相關(guān)參數(shù)的聯(lián)系。

        2.2.1 磁芯和線材

        選擇了3 種不同形狀的鐵氧體磁芯:半圓形磁芯、罐型磁芯和空罐型磁芯。其中半圓形磁芯選取了2 個(gè)不同尺寸:34 mm 的外徑和75 mm 的外徑;罐型磁芯選取了外徑42、59、68 mm 的3 種型號(hào);空罐型磁芯選取了59 mm 外徑一種。

        選取了2 種線材作為線圈的繞制之用:一種是適用于高頻電路的利茲線[9-10],一種是小截面線。

        2.2.2 測 試

        電磁波是沿空間發(fā)散的,線圈周圍的金屬物體,都會(huì)對(duì)測試結(jié)果造成影響。因此,測試中選用了固定的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測試,以避免環(huán)境周圍因素的影響。測試采用1 塊專門加工的低碳鋼材質(zhì)的測試樣塊,令其正對(duì)線圈,沿標(biāo)尺逐步推進(jìn),同時(shí)利用電感參數(shù)測試儀監(jiān)測線圈Q 值的變化情況。

        經(jīng)過實(shí)際測試,磁芯形狀對(duì)Q 值的影響較大,在同樣使用了80 匝小截面線繞制線圈的情況下,外徑75 mm 的半圓形磁芯的Q 值明顯高于外徑34 mm 的磁芯。在100 kHz 附近,Q 值達(dá)到了峰值。

        使用100 kHz 的正弦波驅(qū)動(dòng)線圈,對(duì)線圈檢測金屬導(dǎo)體的工作距離進(jìn)行測試,34 mm 外徑的半圓形磁芯線圈的線性度在5~15 mm 內(nèi)較好,一旦大于20 mm,隨著距離的增加,Q 值的變化逐漸趨于平緩,即在100 匝繞線的情況下,34 mm 外徑的半圓形磁芯更適合感應(yīng)距離在20 mm 以內(nèi)的檢測;外徑75 mm 的半圓磁芯線圈可以有更大的測量范圍。

        對(duì)罐型磁芯同樣進(jìn)行了測試。其中2 個(gè)線圈均繞制了100 匝,使用了2 種不同的線。使用利茲線的性能明顯優(yōu)于使用小截面線的線圈。Q 值的峰值同樣出現(xiàn)在100 kHz 附近,因此,同樣可以將線圈的工作頻率設(shè)置在100 kHz 左右,這樣距離變化引起的Q 值變化更大,更容易設(shè)計(jì)后繼電路。

        在100 kHz 條件下,罐型磁芯在30 mm 附近的Q 值變化比較接近線性,以此制作傳感器,可以獲得良好的性能。而空罐型磁芯由于線圈為中空,其Q值距離曲線較為平坦,不適合應(yīng)用。

        綜上,半圓形磁芯與罐型磁芯滿足目標(biāo)檢測距離的應(yīng)用,但半圓形磁芯在應(yīng)用中存在幾個(gè)問題:首先,這是異型磁芯,需要定制燒制,對(duì)產(chǎn)品的批次不容易控制;其次,測試中發(fā)現(xiàn)檢測距離增加之后,半圓形磁芯的磁力線較為發(fā)散,很容易受到空間內(nèi)其他金屬物體的影響;最后,半圓形磁芯體積較大,不利于縮小傳感器體積。

        因此,選用半圓形磁芯不方便現(xiàn)場的應(yīng)用要求,經(jīng)過選擇,罐型磁芯比較適合。

        2.2.3 電路設(shè)計(jì)

        線圈使用更多的繞線匝數(shù),會(huì)得到更好的靈敏度。但是,電感也會(huì)相應(yīng)的增加,導(dǎo)致對(duì)傳感器電路進(jìn)行本安化設(shè)計(jì)的難度增加。因此,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將傳感器的工作頻率設(shè)定于100 kHz 附近,使用LC諧振電路設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)公式,LC 振蕩電路的頻率計(jì)算由式(1)決定:

        式中:f 為振蕩頻率,Hz;L 為電感,H;C 為電容,F(xiàn)。

        對(duì)式(1)進(jìn)行變形,得到如下計(jì)算對(duì)應(yīng)電容值C的公式:

        線圈的電感可以從測量若干樣品統(tǒng)計(jì)出平均值而定,預(yù)設(shè)工作頻率,即可計(jì)算出相應(yīng)的電容取值。但是電容產(chǎn)品的值分不同的系列,并不連續(xù),需要反復(fù)使用式(1)和式(2),根據(jù)電容的可選容值,取得近似的頻率即可,因?yàn)閷?duì)設(shè)計(jì)而言,振蕩頻率在一定范圍內(nèi),均可接受。感應(yīng)距離可以通過后繼電路進(jìn)行微調(diào)。

        3 現(xiàn)場試驗(yàn)

        在小寶鼎煤礦地面車場對(duì)接近傳感器進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括接近傳感器4 只,KJ562-Z 分站1 臺(tái),以及安裝有上位機(jī)監(jiān)控軟件的計(jì)算機(jī)1 臺(tái)。其中,傳感器分為2 組,每組2 臺(tái),1 組安裝于入井的空車軌道上;另1 組安裝于出井的重車軌道上。傳感器按照一前一后的位置進(jìn)行安裝[11]。這樣,在檢測車輪經(jīng)過的同時(shí),可以利用2 臺(tái)傳感器信號(hào)的時(shí)間差完成軌道車行進(jìn)方向以及行進(jìn)速度的檢測。監(jiān)控分站以及監(jiān)控計(jì)算機(jī)安裝在井口車場值班室內(nèi)?,F(xiàn)場試驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖3。

        圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)拓?fù)鋱DFig.3 Diagram of the on-site tests

        試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間,以收集傳感器的采集數(shù)據(jù)。為參考對(duì)比,在車輛運(yùn)行期間,由人工手動(dòng)記錄車輛數(shù)量??哲嚨赖膯芜呠囕啽O(jiān)測數(shù)據(jù)見表1,重車道車輪監(jiān)測見表2。

        表1 空車道的單邊車輪數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 Number of unilateral wheels in track for the empty cars

        表2 重車道的單邊車輪數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 Number of unilateral wheels in track for the full-load cars

        可見,對(duì)單邊車輪數(shù)的檢測基本準(zhǔn)確。傳感器誤差產(chǎn)生的原因與靈敏度控制、安裝距離的調(diào)整有關(guān);另一方面,礦車經(jīng)過井口車場,經(jīng)常停車,每次啟停,礦車都會(huì)產(chǎn)生前后的晃動(dòng),如果車輪剛好停在檢測區(qū)域邊緣,就可能造成單邊輪數(shù)統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)偏差。可以通過監(jiān)控軟件的算法處理減小誤差的影響。

        4 結(jié) 語

        1)接近傳感器的關(guān)鍵是振蕩電路線圈的選擇,磁芯形狀、繞線類型均有顯著影響。使用合適的磁芯形狀、利茲線可以大幅提高線圈性能。

        2)電渦流傳感器由于其原理原因,會(huì)受到被測周圍金屬導(dǎo)體、電磁輻射等的影響,在安裝調(diào)試時(shí),需要考慮接近傳感器周圍的環(huán)境因素。

        3)基于電磁感應(yīng)的接近傳感器在軌道上安裝時(shí),安裝方式、軌道磨損程度,都會(huì)對(duì)最終應(yīng)用有影響。礦用窄軌機(jī)車的軌道附近一般環(huán)境惡劣,不容易準(zhǔn)確檢測,在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí),需要盡量選擇平直、磨損小的軌道進(jìn)行安裝,而且,檢測路段最好是車輛暢通的路段,以獲得一定的準(zhǔn)確度。

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