井下防爆激光测距仪系统设计及其应用
井下防爆激光测距仪系统设计及其应用
作者:汪青;李卫龙
传统测距仪属于接触式, 实际应用十分不方便。 众所周知,煤矿井下空气中含有甲烷等各种易燃易爆气体,且井下温度高,设备散热条件差,易发生火灾,因此对电气设备外壳要有防爆措施。 激光测距仪属于非接触式,因其应用于矿井之中,故根据其自然环境及使用要求,本文设计了带防爆系统的激光测距仪,且利用正交小波包变换的盲均衡算法(WPTCMA)获得更加精确的测量距离。
1 相位式激光测距的原理
如果光以一定的速度 u 在空气中传播,两点间往返一次所需时间为 t,则两点之间的距离s=ut/2 (1)相位式激光测距是激光测距中最具有高测量精度的方法,通过测量连续的幅度调制信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟,间接地测定信号传播时间,能够使光波往返时间间隔的测量精度得到提高,以达到测量目的。 为了保证一定的测距精度,激光信号的频率必须选得很高,一般为几兆赫至几百兆赫。
2 硬件设计及构成
由于此设备使用的环境特殊,可在爆炸气体环境中 1 区或 2 区 IIB 类 T6 组及以下的爆炸危险场所工作, 且仍能保持很高的测量精度和可靠性,即在设计硬件时需细致、谨慎。 矿用防爆激光测距仪设计的电路:
(1)电源电路 它为各种仪器设备的工作提供各类所需的工作电压,是仪器正常工作的前提。 因为本设计的调制电路为内调制电路,所以调制输出会与电源的稳定性有一定的关系,这就要求电压稳定输出,否则对电路的消光比产生影响,最好使用净化电源。 实际应用证明,该电源设计具有结构简单、体积小、输出电压恒定可靠、功耗低等特性(在无电流报警时,功耗小于 1.5 W)。 电池测量次数为 10 000 次以上(一组 AA 型电池 1.5 V×2)。
(2)信号电路 这部分电路是信号进行处理的关键环节,其性能是保证仪器性能的关键。 为了减小测量误差,获得较精确、稳定的时钟频率,本系统设计可在单片机的控制下, 设计电路产生频率为0.5~20 MHz 的脉冲振荡信号, 脉宽控制在 10~40 ns。光路延时与电路延时就是脉冲振荡周期。
(3)信号处理与控制电路 由于井下的环境恶劣,被检测参数存在一定的偏差,因此需要对采样数据进行滤波处理,这样才能提高测量精度。 为了便于控制和数据显示 , 信号处理模块中应用了AT89C51 型单片机作为主控,由单片机对信号通路的输入输出信号进行处理和计算,同时控制仪器整体信号的运行。
(4)发射和接收电路 这部分的主要性能和作用是将高频调偏信号发射出去,并接收回来。 这一过程是此设计中最关键的一步,它关系到测距仪所测量范围,同时关系到信号的控制。 整个部分受控于单片机芯片的信号控制,当接收到来自 AT89C51型单片机芯片的脉冲信号时,电路工作发射一次激光脉冲。 在发射时刻 2 个计数器都开始计数,在接收时间窗内,当接收到激光脉冲信号后向单片机控制模块发送一个脉冲信号,作为控制模块计时的结束脉冲信号。 这样发射—接收—延时—再次发射,形成周期振荡信号,根据激光测距仪原理就可以得到距离。
(5)显示电路 这部分将所测得距离显示在界面上,易读。 当测量结束时,控制电路发送中断给单片机,单片机读入锁存器内的时间数据,并显示出来,或根据事先校准的距离与计时基准计数器读数关系曲线计算显示出相对距离值。
(6)防爆部分 由于此设备用在矿井下,即必须按国家标准来设计制造不会引起爆炸的电气设
备。 本文采用的是把激光测距仪封闭在一个外壳中,将其内部电火花、电弧与电气设备使用环境中的爆炸气体隔离开来,要求此外壳具有一定的结构强度,隔爆外壳既能承受内部爆炸性气体混合物的爆炸压力,也能阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性混合物传播,从而达到隔爆目的。 它具有重量轻、体积小、制造安装简单、成本低等特点。
3 软件设计及 MATLAB 仿真图
软件实现包括三大部分:①发射、接收激光; ②对采集的数据进行数据处理; ③对执行器的控制。 整个程序在 LABVIEW 平台中进行编写和调试,使用 Matlab 语言进行编写。 本文采用的是定时器中断采样法,对采样后所得的样本进行滤波,利用正交小波包变换的盲均衡算法得到采集值。
本文设计的测距仪应用于矿井炮眼测量,测量范围在 70-5 000 mm。系统设计具有结构简单、体积小、性能安全可靠等优点。 但与实际距离仍有误差,其原因可能存在多种,如矿井下温度变化大、湿气重,可采取温度、湿度测量和补偿,可以改进发射和接收电路的反应速度等,对其引起测量误差的因素进行校正,即最终达到很好的效果。
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