基于超聲波測距的皮帶監測報警裝置

云藍斯+++馬俊先+++張嵇禹+++王恒+++高凱+++邱格

摘 要：在工業中，目前皮帶跑偏檢測主要的方法是使用跑偏檢測開關，即行程開關。但跑偏檢測開關的故障率較高。為保障跑偏檢測開關正常工作，需專職人員人工對開關進行定期維護，使用的人力成本較高。為確保皮帶在運行過程中安全可靠、便于實施，同時降低維護成本。文章通過對超聲波測距儀原理進行分析后，設計了一種基于超聲波測距的非接觸性皮帶檢測報警裝置。

關鍵詞：監測；報警；超聲波；非接觸性

1 概述

運輸皮帶是物料短途運輸的重要設備，廣泛應用于礦山、農業、食品、煙草等生產行業。皮帶跑偏是運輸皮帶作業過程中最為常見的故障，其危害性極大，皮帶跑偏輕則造成撒料、皮帶磨損；重則由于皮帶與機架劇烈摩擦引起皮帶軟化、燒焦甚至引起火災，造成整個生產線停產。所以及時、準確地檢測皮帶跑偏具有非常重要的意義[1]。

目前皮帶跑偏檢測主要的方法是使用跑偏檢測開關，即行程開關。使用時將行程開關成對安裝于輸送機頭部或尾部，當皮帶跑偏時皮帶邊緣接觸壓迫行程開關觸頭產生移動觸發報警。跑偏檢測開關是機械式開關，采用接觸式檢測方式，當其應用于如煤礦井下等較為惡劣的生產環境時，極易被煤塵、泥污、油泥等影響，易發生誤報、漏報等故障。因此，跑偏檢測開關的故障率較高。為保障跑偏檢測開關正常工作，需專職人員人工對開關進行定期維護，使用的人力成本較高。

文章在于提供一種基于超聲波測距的皮帶檢測報警裝置，是采用非接觸式檢測原理的、運行可靠、便于實施、維護成本低的檢測運輸皮帶跑偏的新設備。

2 工作原理分析

超聲波監測報警裝置如圖1所示，主要包括超聲波測距單元、人機交互單元、數據處理單元、通信單元和報警單元。通過超聲波測距儀測量獲得超聲波測距傳感器至皮帶的邊緣距離，以此來判斷皮帶是否跑偏。基于超聲波測距的皮帶監測報警裝置安裝如圖2所示。

超聲波測距儀（102）工作原理：

超聲波測距儀主要是由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發射模塊、接收模塊所構成。超聲波測距可以用相位檢測、聲波幅值檢測、渡越時間檢測。相位檢測法的精度最高，但測距量程不高，聲波幅值檢測受介質影響較大，因此，目前超聲波測距一般采用渡越時間法，因此，文章采用的是渡越時間法進行超聲波測距[2]。

渡越時間法：利用超聲波發射器向某一方向發射超聲波， 在發射時刻的同時開始計時， 超聲波在空氣中傳播， 途中碰到障礙物就立即返回來， 超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2。

3 具體實施方式

（1）所述監測報警裝置如圖1所示實施例中，包括：

超聲波測距單元（101），采用測距距離大于3米的小波束角發射接收一體化超聲波測距傳感器（102），可采用深圳導向機電技術有限公司的KS109超聲波測距模塊。

通信單元（103），包括輸入端口（104）和輸入端口（105），數據輸入端口接一超聲波測距傳感器（102）發送的測量數據，采用I2C總線通信方式。數據輸出端口將數據發送給其它設備，采用RS485通信方式與報警單元、皮帶控制設備（如PLC）及其它監控設備連接[3]，當皮帶跑偏時發送報警信號控制皮帶停止運轉，保護相關設備。

人機交互單元（106），包括顯示屏（107）和按鍵（108），顯示屏采用兩行點陣型LCD液晶顯示模塊，視域尺寸：60.5×18.0mm，54.8×18.3m。

報警單元（109），采用聲光報警器（110）具有喇叭和報警燈，實現聲光報警功能，通過RS485接口與通信單元連接通信。

數據處理單元（111），處理器（112）用于執行數據比較處理工作，實施時可使用MCU，也可使用FPGA實現。

輔助電路（113），除以上提到的各單元設備外，裝置還包括電源電路等輔助電路和相關元件，為各單元設備元件提供支持，如在煤礦井下使用下所有元件及電路應符合本質安全要求。

（2）所述監測報警裝置安裝示意圖參考圖2。

超聲波測距傳感器（203）分別安裝于位于支架（202）上，位于運輸皮帶（201）兩個邊緣上方，且安裝高度相同，安裝高度高于物料高度，為保證監測精度超聲波測距傳感器應盡量靠近皮帶表面；兩個超聲波測距傳感器中心位置連線垂直于皮帶運行方向。除超聲波測距單元的其他單元元件集中在裝置殼體（204）內，裝置殼體可安裝在的支架上。

（3）監測報警的具體實施步驟如圖3所示。

（301）判斷裝置是否已經校準，如未校準，則進行位置校準（302），如已校準則執行（303）。直接檢測。

（302）位置校準，校準時需對位置正常的皮帶使用超聲波測距設備進行測量，獲得超聲波至皮帶的邊緣距離AL和AR，計算AL-AR，如|AL-AR|>G，則調整支架（202）傾斜度使|AL-AR|

（303）通信單元接收超聲波測距儀測量獲得超聲波測距傳感器至皮帶的邊緣距離BL和BR。

（304）數據處理單元比較器通過比較實時皮帶的邊緣距離，如

|BL-BR|>F，則執行（305），否則返回（303）。

（305）判斷BL-BR是否大于零，如大于零則皮帶向右跑偏，如小于零則向左跑偏。

（306）裝置聲光報警并在顯示器顯示相關信息，并向皮帶控制設備發送控制信號。

4 結束語

文章利用超聲波測距儀提供一種基于超聲波測距的皮帶監測報警裝置，采用非接觸式檢測原理，運行可靠且維護成本低。通過具體實施能夠準確監測皮帶是否發生跑偏，從而保證了生產線的安全。該裝置涉及超聲波測距和通信等領域。

參考文獻

[1]趙立華，郎毅翔，付大鵬.帶式輸送機典型故障的分析及處理[J].起重運輸機械，2003（10）.

[2]JosephCJackson，Summan R.Time-of-Flight Measurement Techniques for Airborne Ultrasonic Ranging[J].IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS.2013，13（19）：75-90.

[3]田擁軍，趙光強，曾健平.基于RS485總線技術的PC機與單片機多機通訊設計[J].湖南工程學院學報，2007（6）.

作者簡介：云藍斯（1996-），女，黑龍江省大慶人，工作單位：中國礦業大學（北京），職務：學生，研究方向：電氣工程及其自動化。