孫鵬亮，吳少偉

（1.中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西 河津 043300）

1 紅外掃描裝置原理研究

紅外掃描裝置對(duì)煤量的掃描計(jì)算，主要是根據(jù)紅外線測(cè)距原理。通過紅外線發(fā)射裝置發(fā)出的紅外線光束，直接投射到綜采工作面的轉(zhuǎn)載機(jī)上，根據(jù)轉(zhuǎn)載機(jī)上不同的介質(zhì)在接收到紅外線光束后發(fā)生反射作用，紅外線接收裝置再對(duì)反射的光束進(jìn)行接收，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差值計(jì)算紅外線傳播的距離。紅外線具有這一特性主要得益于其穿越其他物質(zhì)時(shí)折射率很小，這種測(cè)距方法可分為相位法、三角測(cè)距法、時(shí)間差測(cè)距法等。相位法即通過高頻調(diào)制發(fā)射光，利用相位計(jì)比較發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的相位，得到調(diào)制光在往返時(shí)引起的相移，從而得到往返時(shí)間t，再根據(jù)光速求出距離D。這種方法的測(cè)量范圍在300~1000 m，它雖然不需要高速待膩?zhàn)悠骷頊y(cè)量時(shí)間，但其測(cè)量精度依賴于頻率產(chǎn)生電路與差頻測(cè)量電路，從而造成其電路造價(jià)的升高。三角測(cè)量法是在紅外線發(fā)射裝置、被測(cè)物體以及紅外線接收裝置三者之間形成一個(gè)三角關(guān)系，通過三角形關(guān)系中的邊、高距離測(cè)算方法，來推演測(cè)量裝置距離目標(biāo)的實(shí)際距離。該方法的有效使用距離為米級(jí)，適合于近距離測(cè)量，主要用于機(jī)器人障礙識(shí)別、汽車避障等。時(shí)間差測(cè)距法是測(cè)量從紅外線發(fā)射到紅外線接收的時(shí)間間隔t，通過光速c即可得到測(cè)量距離D。這種方法快速直接，且距離D與時(shí)間t成線性關(guān)系，理論上可測(cè)出任意范圍的距離。但由于光速c很大，時(shí)間間隔t很小，受電子技術(shù)及電子器件速度的限制，實(shí)際上無法無窮小地測(cè)量時(shí)間，故該方法僅適合遠(yuǎn)距離測(cè)量（大于1 km）。因此結(jié)合上述特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際工況，在選用紅外測(cè)距方法上選用三角測(cè)量原理進(jìn)行測(cè)量[1]。

紅外三角測(cè)距法的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，包括校準(zhǔn)光束、準(zhǔn)直透鏡及光電位置檢測(cè)器PSD元件。

圖1 紅外三角測(cè)距法原理圖

校準(zhǔn)光束為紅外線光源發(fā)射裝置直接發(fā)射的紅外線光束，該光束在遇到物體后會(huì)形成多個(gè)方向的反射，其中一定角度的光束反射回來，被紅外線接收裝置檢測(cè)并接收。再通過透鏡原理將反射回來的光束進(jìn)行處理，在感知器件上得到感應(yīng)。如圖1所示。反射回來的紅外光線被光電位置檢測(cè)器件PSD檢測(cè)到后會(huì)獲得一個(gè)偏移值x，由三角關(guān)系可知，在知道了中心矩LD、凸透鏡的焦距f以后，測(cè)量出偏移距x，則傳感器到物體的距離D即可通過幾何關(guān)系

得到：

該檢測(cè)距離為諸多紅外線發(fā)射光束中的一個(gè)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)全斷面的煤量監(jiān)測(cè)，將發(fā)射點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高密度的面發(fā)射，進(jìn)而覆蓋整個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)的斷面，再?gòu)拿總€(gè)發(fā)射的紅外線中獲取對(duì)應(yīng)的發(fā)射曲線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)橫斷面全部煤量的紅外線的掃描。為了滿足精準(zhǔn)測(cè)量，通過轉(zhuǎn)載機(jī)空載測(cè)試值和帶載測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行差值計(jì)算，則可獲取在轉(zhuǎn)載機(jī)橫斷面上的煤量。

當(dāng)轉(zhuǎn)載機(jī)空載時(shí)，通過紅外線接收裝置獲取到轉(zhuǎn)載機(jī)上某一點(diǎn)的數(shù)值為D1；當(dāng)轉(zhuǎn)載機(jī)帶載時(shí)通過紅外線接收裝置獲取到轉(zhuǎn)載機(jī)上某一點(diǎn)的數(shù)值為D1’，通過計(jì)算可以得出轉(zhuǎn)載機(jī)斷面該位置的高度為H；發(fā)射裝置在上個(gè)角度到這個(gè)角度之間，旋轉(zhuǎn)的角度導(dǎo)致被測(cè)物體的寬度存在一定的變化，該變化量可以設(shè)為Δx，通過積分原理，可以將該變化量Δx視為無限小，則可對(duì)紅外發(fā)射裝置在每次旋轉(zhuǎn)過程進(jìn)行面積計(jì)算，每個(gè)計(jì)算單元的面積為

當(dāng)擴(kuò)展到整個(gè)斷面時(shí)，

通過上述求和公式，對(duì)每個(gè)單位面積的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加計(jì)算，可獲得整個(gè)斷面的面積。該面積為轉(zhuǎn)載機(jī)有煤狀態(tài)和空載狀態(tài)的差值面積，即轉(zhuǎn)載機(jī)上的煤量，通過變頻器數(shù)據(jù)獲取轉(zhuǎn)載機(jī)電機(jī)運(yùn)行的頻率和速度，通過以下公式來獲得轉(zhuǎn)載機(jī)上的煤量

式中，M為轉(zhuǎn)載機(jī)上的煤量；V為轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行的速度；S為轉(zhuǎn)載機(jī)斷面的瞬時(shí)煤量；ρ為煤的密度。

2 煤量掃描計(jì)算方法

轉(zhuǎn)載機(jī)的煤量掃描裝置采用紅外線掃描儀的傳感方式來對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)上的煤量進(jìn)行掃描，煤量瞬時(shí)掃描裝置及原理如圖2所示，該套裝置采用1臺(tái)二維紅外線測(cè)距儀，垂直懸掛在轉(zhuǎn)載機(jī)中部槽的上方，通過該裝置對(duì)運(yùn)行的轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在采集過程中紅外線測(cè)距儀會(huì)不斷向中部槽發(fā)射光束，同時(shí)紅外線接收裝置會(huì)不斷接收發(fā)射裝置發(fā)射出的紅外線，裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖3所示，該裝置還會(huì)按照設(shè)計(jì)的角度不停高速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤量輪廓的掃描[2]。

圖2 煤量掃描裝置煤量識(shí)別原理圖

圖3 煤量掃描裝置內(nèi)部原理圖

轉(zhuǎn)載機(jī)上煤量的負(fù)荷與其他系統(tǒng)稍有區(qū)別，底層整體為平面煤量整體覆蓋在該平面上，因此煤量也基本均勻分布在轉(zhuǎn)載機(jī)中部槽上，在煤量體積計(jì)算方面，可將底部設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)的平面，煤量的高度為掃描儀掃描到每個(gè)點(diǎn)的高度H負(fù)荷，在空載時(shí)該點(diǎn)的理論高度為H空，則該點(diǎn)煤量的高度為

H負(fù)荷可通過實(shí)際測(cè)量獲取，H空可通過在空載時(shí)掃描儀對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)中部槽進(jìn)行不斷掃描、學(xué)習(xí)獲取，通過學(xué)習(xí)獲取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，在實(shí)際使用過程中H空就是該標(biāo)準(zhǔn)值。通過積分原理，將轉(zhuǎn)載機(jī)處的煤量可以劃分為無限個(gè)矩形進(jìn)行計(jì)算，則單個(gè)矩形的面積為

再通過轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行的速度，即可獲得轉(zhuǎn)載機(jī)上煤量的體積V即

結(jié)合煤的密度以及轉(zhuǎn)載機(jī)上煤的碎漲系數(shù)即可獲得轉(zhuǎn)載機(jī)上瞬時(shí)的煤量負(fù)荷M

式中，K為碎漲系數(shù)；ρ為煤的密度；V為體積。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

王家?guī)X煤礦智能化開采工作面煤量掃描系統(tǒng)安裝于順槽轉(zhuǎn)載機(jī)處，對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)的瞬時(shí)煤量進(jìn)行掃描，設(shè)備安裝完畢后便進(jìn)行設(shè)備調(diào)試及使用，設(shè)備外觀及具體安裝情況如圖4所示。

圖4 煤量掃描裝置及井下安裝使用情況

經(jīng)過近兩個(gè)月的使用，設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)基本能夠反應(yīng)轉(zhuǎn)載機(jī)上煤量實(shí)時(shí)的變化情況，能夠與當(dāng)天的產(chǎn)量數(shù)據(jù)相匹配，具體監(jiān)測(cè)界面及數(shù)據(jù)情況如圖5所示。

圖5 實(shí)際使用效果圖

該裝置根據(jù)實(shí)際的設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示、存儲(chǔ)每天的煤量數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，每天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本吻合，監(jiān)測(cè)誤差不大于10%，某一時(shí)間段內(nèi)，具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某時(shí)間段內(nèi)每天產(chǎn)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)

系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的煤炭產(chǎn)量將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過圖標(biāo)的方式進(jìn)行顯示，顯示內(nèi)容可以分為瞬時(shí)煤量值和累計(jì)煤量值，具體監(jiān)測(cè)界面如表6和表7所示。

圖6 累計(jì)煤量

圖7 瞬時(shí)煤量

轉(zhuǎn)載機(jī)還能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的負(fù)荷對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，當(dāng)轉(zhuǎn)載機(jī)負(fù)荷超過80%，進(jìn)行第一檔調(diào)速，當(dāng)負(fù)荷值穩(wěn)定在80%以下時(shí)維持原有速度。充分保證轉(zhuǎn)載機(jī)的合理運(yùn)量及負(fù)荷，讓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備的運(yùn)行效率。

4 結(jié)束語

煤量掃描裝置能夠通過對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)處的煤量進(jìn)行有效掃描，提供可靠的煤量負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)的調(diào)速控制提供有效依據(jù)，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但設(shè)備在使用過程中需要對(duì)空載和負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行大量的建模學(xué)習(xí)，通過反復(fù)的驗(yàn)證才能夠提供一組有效的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)能夠與整個(gè)工作面的產(chǎn)量初步匹配，但其精確度及檢驗(yàn)方法仍具有一定的提升空間。■