基于重力加速度的采煤機搖臂擺角檢測裝置

趙名

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海　200030)

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基于重力加速度的采煤機搖臂擺角檢測裝置

趙名

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海200030)

針對基于轉(zhuǎn)角位移檢測原理的采煤機搖臂擺角檢測裝置安裝精度要求高、校準復雜等問題，設計了基于重力加速度的采煤機搖臂擺角檢測裝置。該裝置利用SCA830傾角檢測計來獲取裝置絕對傾角，再根據(jù)機身傾角和裝置在搖臂上的安裝位置計算出搖臂實際擺角。實驗結(jié)果表明，該裝置安裝、校準方便，檢測結(jié)果較準確，而且反映迅速、實時性較好。

采煤機； 搖臂擺角檢測； 重力加速度； 傾角檢測計； 校準

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1022.005.html

0　引言

當采煤機割煤時，工人需實時知道搖臂滾筒割煤的高度。因為井下割煤現(xiàn)場光線暗、煤塵大、可見度不高，靠肉眼觀察滾筒高度不僅準確率低，而且增加了工人的勞動強度，滾筒周邊的煤塵也會損害工人健康。采煤機搖臂擺角自動檢測裝置可自動地準確獲知滾筒采高[1]。常用的搖臂擺角檢測裝置是基于轉(zhuǎn)角位移原理，即傳感器一部分安裝在采煤機機身上，另一部分與搖臂相連，當搖臂擺動時，靠2個部分的相對轉(zhuǎn)角位移確定搖臂擺角。這種方法的優(yōu)點是可靠性高，缺點是安裝復雜，安裝精度要求高，校準費時，且使用過程中會因煤塊撞擊等因素容易損壞裝置。為克服以上弊端，本文設計了基于重力加速度的采煤機搖臂擺角檢測裝置[2-6]。

1　裝置硬件設計

基于重力加速度的采煤機搖臂擺角檢測裝置由SCA830傾角檢測計、外圍電路、MSP430F249低功耗單片機等組成。SCA830傾角檢測計是基于重力加速度的單軸傾角檢測儀器，其量程為±1g，具有SPI數(shù)字通信接口，輸出代表加速度大小的AD轉(zhuǎn)換值(輸出范圍為-32768～32768)。單片機讀取SCA830輸出的數(shù)字量，計算出裝置當前的絕對傾角，然后再根據(jù)裝置敏感軸與搖臂擺動軸間的固有夾角及采煤機機身當前傾角計算出采煤機搖臂的實際擺角，最后將擺角信息通過RS485總線傳輸給采煤機主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)再計算滾筒當前采高。

搖臂擺角檢測裝置電路如圖1所示。

圖1　搖臂擺角檢測裝置電路

2　裝置軟件設計

2.1搖臂擺角計算

搖臂回轉(zhuǎn)中心到滾筒中心的連線稱為搖臂擺動軸。采煤機搖臂擺角計算如圖2所示。

圖2　采煤機搖臂擺角

根據(jù)圖2，有

(1)

(2)

因為SCA830傾角檢測計存在個體差異，加上它在擺角檢測裝置內(nèi)的安裝位置誤差，所以最好對每個擺角檢測裝置進行校準。需校準的參數(shù)為裝置比例系數(shù)和零點漂移。校準公式如下：

(3)

(4)

式中：s為裝置的比例系數(shù)；N1為裝置位于90°時SCA830輸出的數(shù)字量；N2為裝置位于-90°時SCA830輸出的數(shù)字量；f0為裝置零傾角位的漂移。

裝置的絕對傾角為

(5)

式中N為SCA830輸出的數(shù)字量。

擺角檢測裝置安裝于搖臂上后，其自身敏感軸與搖臂擺動軸之間可能有一個夾角，因此將式(1)、式(2)修正為

(6)

(7)

式中θ0為裝置自身敏感軸與搖臂擺動軸之間的夾角。

在將裝置安裝到采煤機上之前須校準比例系數(shù)及零點漂移，獲得s和f0。在搖臂上安裝好裝置后，輸入零擺角校準命令字，計算并記錄θ0。參數(shù)經(jīng)廠家工作人員設定后無需更改，煤礦工人直接使用即可。

2.2濾波方法

采煤機搖臂在升降動作及割煤動作中會有振動，所以基于加速度檢測原理的SCA830傾角檢測計的輸出值是波動的，而且波動范圍較大。因搖臂傾角的變化是連續(xù)緩慢的，所以體現(xiàn)傾角變化的數(shù)字輸出量應該是低頻變化的，高頻波動一定不是由搖臂傾角變化帶來的。為了獲取實際反映搖臂傾角變化的數(shù)據(jù)，需對SCA830傾角檢測計的原始輸出進行濾波，剔除干擾。一般采煤機搖臂從最低處擺至最高處，空載時最快要十幾秒，頻率在0.1 Hz以下，屬于低頻。頻率高于0.1 Hz的加速度變化都不是由搖臂擺角變化帶來的，可以濾除。本裝置結(jié)合平均值法和滯后法來濾波。

令單片機每經(jīng)1個采樣周期t觸發(fā)1輪采樣，1輪采樣中單片機連續(xù)讀取8次SCA830傾角計輸出值，再取平均值作為采樣結(jié)果xn。

滯后法是一種低通濾波方法，濾波公式為

(8)

式中：yn為本次濾波結(jié)果；a為濾波系數(shù),0

截止頻率fL為

(9)

2.3軟件流程

裝置主程序流程如圖3所示。圖3中虛線框內(nèi)步驟為裝置校準時用，一般在采煤機出廠前對裝置進行校準，出廠后用戶不需要校準。

3　實驗論證

結(jié)合理論與實踐來選擇合理的采樣周期t和濾波系數(shù)a值，分別將采樣周期t設為5，10 ms，每5，10 ms觸發(fā)一輪采樣并取平均值；分別取a為1/32，1/64進行實驗。將裝置以30°左右的角度固定在振動實驗臺上，進行變頻振動實驗，觀察裝置檢測結(jié)果，實驗數(shù)據(jù)見表1。

經(jīng)比照檢測結(jié)果準確性，兼顧要獲取較低的截止頻率，最終選取a=1/64，t=10 ms。將a,t代入式(8)，得

(10)

在上述條件下，濾波的截止頻率為0.25 Hz。

將2個校準好的擺角檢測裝置分別安裝于采煤機左右搖臂上，將搖臂置于零擺角位。輸入零擺角校準命令字，確定零擺角位并存儲下來，擺角檢測裝置即可正式使用了。分別將左右搖臂升降到一定角度，觀察裝置的輸出，比較裝置檢測到的搖臂擺角與實際擺角的差別。表2為一組測試數(shù)據(jù)。

圖3　裝置主程序流程

振動頻率/Hz檢測裝置輸出角度/(°)a=1/32a=1/64t=5mst=10mst=5mst=10ms2528.4～29.229.2～29.428.6～28.728.73527.6～29.829.2～29.328.628.74526.3～30.729.1～29.327.7～28.628.5～28.75021.0～21.226.0～26.122.0～22.124.35517.1～17.223.1～23.217.119.76528.2～28.929.0～29.328.128.37528.3～29.229.2～29.328.5～28.628.6～28.78528.5～29.029.328.628.7

表2　一組測試數(shù)據(jù)　(°)

實驗結(jié)果表明，該裝置檢測結(jié)果較準確，而且反映迅速，實時性較好。

4　結(jié)語

基于重力加速度的采煤機搖臂擺角檢測裝置安裝方便，校準過程簡單。實驗結(jié)果表明，該裝置可以實時監(jiān)測到采煤機搖臂擺角的變化，從而使采煤機主控系統(tǒng)準確獲知滾筒的采高，方便了工人的操作。

[1]李慶亮,朱信平,張斌,等. 采煤機位姿參數(shù)測量系統(tǒng)設計及測量方法[J]. 煤炭科學技術(shù),2013,41(8):99-101.

[2]張群英.基于ADXL345的提升機容器姿態(tài)感知系統(tǒng)設計[J].工礦自動化,2014,40(7):25-28.

[3]郭敏,尹光洪,田曦,等.基于三軸加速度計的傾斜角傳感器的研究與設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(8):173-177.

[4]蘇君,王占平.基于MEMS加速度傳感器的傾角儀設計方法[J].實驗科學與技術(shù),2006,4(增刊1):112-114.

[5]于娜,劉志遠,趙佳龍.傾角傳感器的溫度補償研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(10):14-16.

[6]周慶飛,徐明龍.基于MSP430的高精度傾角測量系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表,2011(1):40-42.

Shearer rocker swing angle detection device based on gravity acceleration

ZHAO Ming

(Shanghai Branch, Tiandi Science and Technology Co.,Ltd., Shanghai 200030, China)

In view of problem that shearer rocker swing angle detection device based on angular displacement detection principle requires high installation precision and has complex calibration, a shearer rocker swing angle detection device based on gravity acceleration was designed. The device uses inclinometer SCA830 to get absolute incline angle of the device, and then calculates out actual swing angle of the shearer rocker according to shearer incline angle and the device's installation location. The experimental results show that the device is easy to mount and calibrate, and has accurate test results, quick response and good real-time performance.

shearer; rocker swing angle detection; gravitational acceleration; inclinometer; calibration

1671-251X(2016)06-0016-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.005

2016-01-20；

2016-04-19；責任編輯：胡嫻。

天地科技股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新基金項目(KJ-2014-TDSH-03)。

趙名(1978-)，女，黑龍江雞西人,工程師，碩士，研究方向為采煤機電氣控制、傳感器應用設計，E-mail:zm007ok@163.com。

TD632

A網(wǎng)絡出版時間：2016-06-01 10:22

趙名.基于重力加速度的采煤機搖臂擺角檢測裝置[J].工礦自動化，2016,42(6)：16-19.