矿用相位式激光测距传感器的应用研究
矿用相位式激光测距传感器的应用研究
作者:邱飞;丁业平;饶家龙
煤矿自动化、信息化、智能化等技术的使用是矿井安全高效生产的重要保障。煤矿采掘工作面掘进尺控制、机车防撞间距预警、巷道顶板形变等都需要精确测量,传统的人工拉米尺的测量方式,不仅误差大,而且效率地低下。因此,采用非接触式测距技术显得尤其重要,目前测距方法主要有超声波测距、雷达测距、红外测距及激光测距。超声波测距通过测量超声波在空气中的传播时间,由超声波在空气中极易衰减,会因距离不同造成回波信号起伏,导致传播时间的测量误差较大;另外超声波容易受矿井环境温度、风速的影响,造成测距分辨率低,因此超声波测距不适用在精度要求较高的地方。雷达测距通过天线发射微波脉冲,脉冲愚叨被测介质后,部分能量被反射回来,根据发射脉冲与接收脉冲的时间间隔,可计算被测物的距离。由于煤矿井下瓦斯气、粉尘等易燃易爆物的存在,需对雷达发射瞬时功率进行限制,因此往往需要配合反射端使用,影响使用。红外测距是利用红外线传播的不扩散原理,但红外测距误差较大,方向性较差。激光因具有单色性好,方向性强,亮度高等特点,在煤矿以外的测量领域已得到广泛应用。激光测距根据测量原理分为脉冲式激光测距和相位式激光测距。脉冲式激光测距测量距离远,但是测量精度不高,误差在±1米左右;相位式激光测距测量纪念馆度可达毫米级。本文根据煤矿实际的防爆及测距要求提出了矿用本安型相位式激光测距传感器,量程可达100米,测量精度可达10毫米。
1、相位式激光测距原理
相位式激光测距技术利用发射的调制光和被目标物体发射的接收光之间光波相位差,通过相位差简介得到发射光和接收光的传播时间,实现对被测目标距离的测量。通常由激光发射单元、激光接收单元、混频鉴相单元、信号处理单元和结果输出单元组成。
2、测距误差源分析
对于相位式激光测距系统而言,测距精度是关键的参数,它直接关系到激光测距仪的性能好坏。因此,分析激光测距系统的误差来源,是提高测距精度的关键。
(1)真空中光速值产生的误差
光速是指光束在介质中的传播速度。由于真空光速不确定性引起的测距相对误差远远高于目前的测距精度,因此在测距系统中真空光速误差可以忽略不计。
(2)调制频率误差
在实现相位测距时,必须对光波加调制信号,使光波的强度随所加的调制信号变化。调制光的精度由调制信号源的频率精度和稳定度绝对。
(3)调制器相位不均匀误差
在激光测距过程中,被调制光束相对于某一参考点,以一定的初相角按调制频率向空间传播。如果将一束光看成由许多小的光束组成,那么调制光各小光束的初相角不完全相同。在测距过程中接收端所接收的光通常只是发射光束的一部分,由于对光的精度、大气湍流、空气中的尘埃、一起受外力所产生的微动等因素引起的光束抖动,都会使入射到接收端的光束有所改变。光斑各部位的调制相位不相同,引起相位差计算误差,导致测距误差。
(4)非线性失真误差
由于光学元件,电学元件的非线性工作状态,信号在相位式激光测距创安琪内传递的过程中会产生非线性失真,从而使得测距信号相位发生变化。
(5)鉴相系统的误差
根据相位式激光测距的原理可知,距离是通过测量两个同频率正弦波之间的相位差来得到的,因此鉴系统的误差直接影响到测距系统的误差。混频后低频信号的不稳定性将会产生测距误差。另外,信号受谐波干扰时,过零点发生严重漂移而导致过零检测时发生测量误差。
可见,真空中光速值产生的误差在激光测距中引起的测距误差可以忽略不计。调制频率误差、非线性失真误差及鉴相系统的误差可以通过选用可靠性高的器件、借助电磁兼容技术与供电技术等设计可靠性高的电路,以保证激光传感器工作的稳定性,以降低测距误差。
3、矿用本安型激光测距传感器
文中采用本质安全型电路设计,以满足煤矿安全防爆的要求。激光测距传感器由传感器、电源电路、信号处理单元、控制器、红外遥控电路、信号输出及结果显示等组成。传感器通过处理激光镭射脉冲往返的相位信息,转换成距离信息输出。电源电路粗了可靠地给整个传感器供电外,同时也是设计本质安全型仪器的关键。通过限流、稳压、防反接设计实现传感器安全可靠地工作。控制器实现信号采集、数据处理、信号输出及结果显示等功能。
激光测距传感器通过激光传感单元对目标物进行测量,并对测量结果实时输出。因此激光测距传感器需具备遥控设置、信号采集、信息处理、信号输出、数据显示及通信等功能。遥控功能实现传感器在线参数设置,根据需要设置传感器工作的参考零点、量程及测量位置等功能;另外遥控功能还经常与硬件电路配合使用,来调试传感器的信号输出格式。激光敏感元件通过测量激光光束发射与接收间形成的相位差,转换成相应的电信号输出,控制器采集电信号转化成距离量输出并显示。
4、试验与结论
4.1试验
为了验证矿用激光测距传感器的测量精度、量程等性能参数。此阿勇检定合格的写实激光测距仪(量程100m,精度1,mm)作为标准仪器进行对比试验。试验在200米长的模拟煤矿巷道中进行,在试验过程中将激光传感器与标准仪器置于同一测距基准点,测量处于同一垂直平面的目标物,每个测试点测量三次,记录二者的测量值并计算误差。通过多次对比试验,样机测距量成均可达到100m,在所选取的多个测量点中测量误差最大为6mm,最小为2mm,均在10mm范围内,满足煤矿井下精确测距的要求。
4.2结论
文中针对煤矿井下需要精确测距,通过对现有非接触式测距技术的分析比较,提出相位式激光测距。分析了相位式测距误差来源,通过采用改进制作工艺、器件选取及电路设计等技术措施减小误差源对测距精度的影响。根据煤矿井下实际设计的矿用本安型激光测距传感器的测距量程可达100m,测量误差在10mm以内,可以满足矿井测距的要求。
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