段 慶

（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

引言

超聲波以其非接觸、抗干擾強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)在測(cè)距領(lǐng)域獲得廣泛推廣應(yīng)用。尤其是在煤礦井下，存在光線(xiàn)條件不足、反射性能差、粉塵灰塵影響、潮濕環(huán)境等不利因素，超聲測(cè)距作為一種可靠有效的的距離測(cè)量方法具有重要的作用。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了超聲測(cè)距的硬件結(jié)構(gòu)，編寫(xiě)了配套的軟件，并應(yīng)用于環(huán)境探測(cè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了距離探測(cè)。文獻(xiàn)[2]研究針對(duì)船舶測(cè)距技術(shù)需求，設(shè)計(jì)了船舶周?chē)咏矬w的超聲探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離和方位測(cè)量，確保航行安全。文獻(xiàn)[3]針對(duì)塔式起重機(jī)力矩測(cè)量中力臂距離測(cè)量技術(shù)難題，提出一種高精度的超聲測(cè)距方案，具體為使用直射布置并通過(guò)軟件優(yōu)化最終實(shí)現(xiàn)了測(cè)距精度的顯著提升。

煤礦井下地形狹長(zhǎng)，照明條件較差，機(jī)車(chē)駕駛員在此條件下長(zhǎng)時(shí)間駕駛，極易引起精神和視覺(jué)疲勞，為煤礦井下的安全生產(chǎn)埋下了隱患。為輔助駕駛員在燃爆環(huán)境下安全駕駛，設(shè)計(jì)基于煤礦本質(zhì)安全的超聲預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及安全預(yù)警具有重要意義。

1 設(shè)備本質(zhì)安全的實(shí)現(xiàn)

電子設(shè)備的本質(zhì)安全功能實(shí)現(xiàn)需要在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件選擇時(shí)預(yù)先考慮，具體要求為電路在發(fā)生短路時(shí)產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)限制到燃爆性氣體點(diǎn)燃能量值以下，并要求通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行確定。

1.1 本質(zhì)安全電路的設(shè)計(jì)

接通電路和斷開(kāi)電路的瞬間產(chǎn)生的電壓和電流是最大的，不同電路負(fù)載性質(zhì)對(duì)應(yīng)的電路在通斷時(shí)能量?jī)?chǔ)存方式有所差別。

1）電阻性電路無(wú)儲(chǔ)能元件，在電路通斷瞬間空氣擊穿產(chǎn)生電弧，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需計(jì)算短路電流值，不能超過(guò)最小點(diǎn)燃電流。通常采用在回路中串聯(lián)限制能量的電阻，發(fā)生短路時(shí)其產(chǎn)生的能量不至于引燃爆炸性氣體。

2）容性電路具有儲(chǔ)能的特點(diǎn)，在暫態(tài)過(guò)程中其作用與電源類(lèi)似，因此需要嚴(yán)格計(jì)算其容量大小及配套電阻值，防止電路通斷過(guò)程產(chǎn)生危險(xiǎn)能量。

3）電感性電路在斷開(kāi)時(shí)電感兩端有很強(qiáng)的反電勢(shì)，通常在電感兩端并聯(lián)一個(gè)分路來(lái)釋放或吸收電感能量。

針對(duì)整體設(shè)計(jì)的電路，很難直接判斷其電路屬性和故障時(shí)的電路情況，需通過(guò)等效變換等方法將其拆分成多個(gè)簡(jiǎn)單電路進(jìn)行逐個(gè)分析。

1.2 本質(zhì)安全電路的安全評(píng)價(jià)

為了達(dá)到電路的本質(zhì)安全要求，電路在測(cè)試和改進(jìn)時(shí)需要對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行測(cè)試是否達(dá)到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。常用的最小點(diǎn)燃能量評(píng)價(jià)方法判定電路安全性能，通過(guò)演算和推導(dǎo)完成，具有過(guò)程簡(jiǎn)單、周期較短的特點(diǎn)。

通過(guò)最小點(diǎn)燃能量的方法進(jìn)行本質(zhì)安全評(píng)價(jià)時(shí)，電火花的產(chǎn)生是將電路中電能轉(zhuǎn)化為熱量，并散發(fā)到燃爆環(huán)境中。

電路中的儲(chǔ)能元件是電能大量存儲(chǔ)和釋放的地點(diǎn)，需要根據(jù)其具體的參數(shù)情況進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的測(cè)試和計(jì)算，如果未能達(dá)到本質(zhì)安全評(píng)價(jià)的要求，則需要對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化及對(duì)電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

計(jì)算電火花能量時(shí)可以分析電路開(kāi)斷瞬間的能量變化情況，此時(shí)的變化量是最大的，只要在電路切換的瞬間滿(mǎn)足本質(zhì)安全評(píng)價(jià)要求，則能證明電路時(shí)本質(zhì)安全的。計(jì)算放電能量時(shí)，需要在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)電壓時(shí)間函數(shù)和電流時(shí)間函數(shù)的乘積進(jìn)行積分，得到的結(jié)果小于最小點(diǎn)燃能量即為滿(mǎn)足本質(zhì)安全的求。如果該電路不含電阻元件，放電能量的計(jì)算方法為：

對(duì)于本質(zhì)安全電氣設(shè)備來(lái)講，其正常工作或發(fā)生短路故障時(shí)，瞬時(shí)能量值上限為0.28 MJ，這樣才能保證安全火花。設(shè)計(jì)電路時(shí)要對(duì)電感、電容等儲(chǔ)能元件采取消除能量的措施，例如在電感上并聯(lián)二極管。為達(dá)到電路本質(zhì)安全的要求，也需要對(duì)電路采取限流、限壓措施，同時(shí)防止其他來(lái)源的能量進(jìn)入本質(zhì)安全電路，限制電火花能量到要求范圍內(nèi)。

2 礦用本質(zhì)安全的超聲預(yù)警系統(tǒng)

2.1 煤礦井下超聲測(cè)距預(yù)警原理

煤礦井下地形狹長(zhǎng)、光線(xiàn)條件差、設(shè)備種類(lèi)繁雜、活動(dòng)空間小、道路錯(cuò)綜復(fù)雜，駕駛員在車(chē)輛駕駛過(guò)程中受昏暗燈光條件、高低不平行駛道路、未知的前方路況以及自身長(zhǎng)時(shí)間駕駛引起的疲勞和不集中等因素影響，極易引起煤礦井下的車(chē)輛事故。在煤礦井下進(jìn)行的倒車(chē)作業(yè)，會(huì)受到對(duì)路況的感知和判斷、倒車(chē)系統(tǒng)輔助規(guī)劃路線(xiàn)和倒車(chē)系統(tǒng)等多方面綜合影響，如圖1 所示。

圖1 倒車(chē)過(guò)程分析

在進(jìn)行倒車(chē)操作中，要同時(shí)考慮駕駛員的判斷和執(zhí)行程度與礦用車(chē)輛的車(chē)輛狀況。駕駛員在確定方位時(shí)，如果僅憑自身的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)來(lái)判斷路面狀況，是很難做到將所有有效信息捕捉完全。駕駛員需要通過(guò)其他輔助裝置來(lái)幫助自己判斷和確認(rèn)路況信息，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行倒車(chē)路線(xiàn)的規(guī)劃，并完成倒車(chē)操作。

為預(yù)防倒車(chē)過(guò)程中可能出現(xiàn)的事故，降低其發(fā)生概率，從情況的感知和判斷、倒車(chē)系統(tǒng)輔助規(guī)劃路線(xiàn)和倒車(chē)系統(tǒng)執(zhí)行三方面進(jìn)行優(yōu)化。為便于駕駛員更清楚地判斷周?chē)h(huán)境，通過(guò)視頻配合估算障礙物距離和其他可能影響倒車(chē)安全的情況，需對(duì)障礙物進(jìn)行更準(zhǔn)確的距離測(cè)量。同時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行距離顯示并進(jìn)行障礙物報(bào)警，確保駕駛員在能夠在有效反應(yīng)時(shí)間內(nèi)收到準(zhǔn)確信息后迅速做出判斷和調(diào)整。這也有助于提醒駕駛員集中注意力，在制定行車(chē)路線(xiàn)時(shí)更有把握，更為細(xì)致謹(jǐn)慎。為保證測(cè)距效果立刻起到有效作用，要盡量縮短系統(tǒng)測(cè)量反應(yīng)時(shí)間以及系統(tǒng)結(jié)果反饋時(shí)間。為滿(mǎn)足設(shè)備能夠在燃爆環(huán)境安全正常使用，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行本安化處理，并確保其工作性能和效果不受影響。

2.2 本質(zhì)安全超聲測(cè)距系統(tǒng)方案

本研究設(shè)計(jì)的本質(zhì)安全超聲測(cè)距系統(tǒng)主要由STC 單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、超聲信號(hào)產(chǎn)生及接收電路、信號(hào)調(diào)理電路、報(bào)警與顯示電路組成、并對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行溫度校正。單片機(jī)負(fù)責(zé)本質(zhì)安全超聲測(cè)距系統(tǒng)統(tǒng)一控制，數(shù)據(jù)指令的發(fā)送、接收以及處理均依靠其來(lái)完成。本安驅(qū)動(dòng)電路不能采用傳統(tǒng)高壓脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)方式以保證系統(tǒng)滿(mǎn)足燃爆環(huán)境下本質(zhì)安全電路要求，采用無(wú)變壓器方式驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射模塊。

具體工作原理為超聲探頭產(chǎn)生40 kHz 頻率的高頻信號(hào)，信號(hào)在空間傳輸過(guò)程中遇到障礙物發(fā)生反射，反射信號(hào)被超聲探頭接收，進(jìn)而對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波及采集處理，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，獲得飛行時(shí)間，通過(guò)超聲波在空氣中的傳播速度及溫度補(bǔ)償算法，計(jì)算出距離，通過(guò)LCD 屏直觀(guān)顯示距離，并根據(jù)設(shè)置的報(bào)警閾值提示判斷是否預(yù)警。本安超聲預(yù)警系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。

圖2 本安超聲預(yù)警系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)語(yǔ)

研究表明，該本安超聲預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在煤礦井下環(huán)境的精確位置測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適用范圍廣、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該本安超聲預(yù)警系統(tǒng)為煤礦井下礦車(chē)運(yùn)輸安全提供了新的技術(shù)保障與支持，提高了運(yùn)輸?shù)V車(chē)安全水平，保障了礦車(chē)、工作人員、機(jī)電設(shè)備等安全，具有廣泛的應(yīng)用前景，可產(chǎn)生顯著的社會(huì)效益。該系統(tǒng)在測(cè)距和預(yù)警方面成效顯著，但缺乏更直觀(guān)的實(shí)時(shí)視頻影像系統(tǒng)，不能幫助駕駛員更有效判斷周?chē)闆r。接下來(lái)的研究方向是在完善本安超聲預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)更先進(jìn)的本質(zhì)安全影像系統(tǒng)，以滿(mǎn)足煤礦預(yù)警系統(tǒng)更進(jìn)一步的要求。