礦用智能型帶速傳感器的設計

張聚

摘要 分析了常用帶速傳感器的工作原理和優缺點，采用光電傳感技術設計了一種智能型帶速傳感器，設計了CAN總線通信電路，設計了光電傳感器和霍爾元件的安裝方法。智能型帶速傳感器具有CAN總線接口，可以接入轉速信號和帶式輸送機的運行信號，在無需人工設定參數的情況下，智能型帶速傳感器不僅可以判斷打滑和超速，并可以結合帶式輸送機的運行狀態對帶速的異常情況進行預警。

【關鍵詞】帶速 傳感器 CAN 光電 智能

采用帶式輸送機運煤是現代煤礦重要的運輸方式。在帶式輸送機運行過程中，如果由于某種原因，帶速與滾筒轉速不一致，則膠帶與滾筒會產生摩擦，導致膠帶和滾筒溫度升高，甚至著火，也就是通常說的“打滑”現象，這會嚴重威脅煤礦生產的安全。如果是下運帶式輸送機，當負荷過大，電動機的制動力矩不足以控制帶速時，帶速和滾筒轉速會迅速升高，超過正常運行速度，即通常說的“超速”現象，同樣會對煤礦安全產生威脅。《煤礦安全規程》規定帶式輸送機必須設置打滑保護，下運帶式輸送機還必須設置超速保護，因此，帶式輸送機帶速檢測傳感器是保證帶式輸送機安全運行的重要組成部分。本文分析了常用帶速傳感器的工作原理和優缺點.采用光電傳感技術設計了一種智能型帶速傳感器，具有CAN總線接口，可以接入轉速信號，智能判斷打滑和超速，同時可以接入帶式輸送機的運行信號，當帶式輸送機正在運行并且帶速和轉速短時間內變化過大時進行報警。

1 常用帶速傳感器

通常是將帶速通過機械裝置轉換為轉速進行測量。轉速的檢測通常有以下幾種方法。

1.1 電流式傳感器

電流式傳感器的基本原理是輸出電流會隨傳感頭與金屬的距離在一定范圍內變化。因此需要將帶速通過機械裝置轉換為齒盤的轉速，當齒盤轉動時，齒和空隙變換地對準傳感頭，使輸出電流產生由小到大和由大到小的變化。德國的NAMUR信號標準就是一種電流式傳感器標準。NAMUR是“德國測量與控制標準委員會”制定的一項標準，是P+F提出的。以NAMUR標準為例來說明電流式傳感器原理。

NAMUR傳感器根據金屬物接近傳感器的距離，會產生一個1.2mA到2.lmA電流信號，標定的開關電流典型值為1.5 5mA，這樣它可以來檢查金屬物是否接近。對于信號處理來講，當電流由低到高越過1.75mA時，產生一個輸出信號變化（從O到l，或從OFF到ON），當電流由高到低低于1.55mA時，產生一個輸出信號變化（從1到0，或從ON到OFF）。這樣就把電流信號轉換成了脈沖信號，方便后級電路的處理。

NAMUR型速度傳感器是一種僅僅包含一個振蕩器的二線制傳感器，其內阻會隨著感應目標的遠近而發生變化，相應地其電流也隨之變化。該傳感器輸出的信號是小電流信號，需要采用一系列放大調理電路才能轉換為單片機可以識別的脈沖信號，因此其信號處理電路相對復雜。

1.2 干簧管式傳感器

干簧管式傳感器的工作原理如圖1所示。干簧管中有兩個磁簧片，當有磁鐵靠近時，磁簧片被磁化，吸合在一起，接點導通，當磁鐵遠離時，磁場消失，磁簧片自身的彈性力使其恢復原位，接點斷開。干簧管式帶速檢測傳感器就是利用磁簧片的這一特點，在轉盤上安裝永久磁鐵，隨著轉盤的旋轉，磁鐵會周期性地靠近遠離干簧管，接點會周期性地導通斷開，信號處理電路可以采集接點通斷的頻率，最終轉化為速度信號。轉盤是的隨膠帶轉動的部件，可以將膠帶的帶速轉換成轉速。

干簧管式帶速檢測傳感器原理簡單，輸出的接點信號易于單片機的處理，但由于磁簧片頻繁機械動作，長時間運行容易出現接觸不可靠的情況。

1.3 光電式傳感器

光電式傳感器原理與干簧管式類似，區別在于用光電傳感器代替了干簧管，光電傳感器是電子器件，在運行過程中不存在機械動作，信號穩定，使用壽命長。

2 智能帶速傳感器的特點

傳統帶速傳感器從功能上可以分為兩類：

（1）僅檢測帶式輸送機帶速，將其轉化為模擬量信號或者總線信號傳給上位機;

（2）除檢測帶式輸送機帶速外，本身具有邏輯判斷功能，人工給傳感器設定上下閾值，由傳感器給出打滑或超速信號。

第1類僅僅是檢測部件，不具有智能性，第2類雖具有邏輯判斷功能，但需要人工根據每條帶式輸送機的參數進行設定，不易于操作，并且在帶式輸送機起動階段，由于剛開始帶速低，容易出現誤報警，需要上位機程序中進行屏蔽，這導致無法檢測起動階段的打滑問題。

為了方便操作，并且可以準確檢測帶式輸送機的打滑和超速，智能帶速傳感器必須同時檢測帶速和驅動滾筒轉速，并進行綜合信號處理。帶速值和轉速值按照一定的換算關系轉換成相同的單位，然后進行比較，當帶速值小于轉速值時認定為打滑，當帶速值大于轉速值時認定為超速，同時通過現場總線采集帶式輸送機的運行信號，當帶式輸送機正在運行并且帶速和轉速短時間內變化過大時進行報警。智能帶速傳感器在現場施工時不需要人工設定任何參數，操作方便，檢測更可靠。

本文設計的智能帶速傳感器具有CAN總線接口，可以采集掛接在總線上的滾筒轉速傳感器和帶式輸送機動力裝置的數值，本身具有邏輯處理功能，對采集到的數據進行實時處理，將處理結果通過CAN總線傳輸給上位機，CAN總線采用多主通信方式，通信靈活，實時性好，有利于保護帶式輸送機的安全運行。

3 智能帶速傳感器的設計要點、

3.1 CAN總線設計

智能帶速傳感器需要采集帶速、驅動滾筒轉速和帶式輸送機運行狀態，采集點分布于帶式輸送機的不同位置，相互之間采用CAN總線進行通信，因此傳感器必須具有CAN總線接口。

智能帶速傳感器、滾筒轉速傳感器的CAN通信部分的原理是相同的。作為一個CAN總線節點，需要有CAN控制器和CAN收發器，CAN控制器實現CAN總線協議，CAN收發器實現CAN總線的電平轉換。某些單片機內部集成了CAN控制器，選用此類器件，可以簡化設計。本文選用NXP公司的LPC11C14單片機，其內部集成了CAN控制器，外部只需連接一個CAN收發器，即可實現一個CAN總線節點。由于帶式輸送機控制系統的傳輸距離可能比較長，因此需要選擇一款適合于長距離傳輸的CAN收發器，本文選用AMIS42675，此芯片可以更好地支持CAN總線的低速率、長距離傳輸。CAN總線通信的原理圖如圖2所示。

3.2 光電傳感器信號采集

光電傳感器是利用被測物體對光束的遮擋或反射，把被測物理量的變化轉變為光信號，然后借助光電元件進一步轉換為電信號。智能帶速檢測傳感器設計有轉動輪，轉動輪與膠帶緊密接觸，當膠帶運轉時，在摩擦力的作用下，轉動輪跟隨轉動。與轉動輪同軸裝有一個齒盤，光電傳感器橫跨在齒盤邊沿，齒盤轉動時光電傳感器的光束交替地穿過和遮擋，使得光電傳感器輸出一定頻率的脈沖信號，如圖3所示。

齒盤上齒數影響帶速傳感器的響應速度，齒數少，當帶速有變化時，光電傳感器輸出的脈沖信號的頻率變化不明顯，并且單片機為了防止數據錯誤，會進行一定時間的濾波，導致上位機檢測到速度變化滯后。因此，對于響應速度要求高的應用場所，齒盤上齒數應設計的多一些。

3.3 霍爾元件信號采集

霍爾元件用來檢測驅動滾筒的轉速，在滾筒側面固定一塊永久磁鐵，霍爾元件固定在與永久磁鐵等半徑的一個位置，并與永久磁鐵保持一定的水平距離，既保證霍爾元件與永久磁鐵不會碰撞，又保證永久磁鐵在霍爾元件的感應范圍內。霍爾元件的安裝方式如圖4所示。霍爾元件采用單極性霍爾開關，磁場靠近時，輸出低電位電壓（低電平）或關的信號，磁場遠離時輸出高電位電壓（高電平）或開的信號，單片機采集高低電平信號的頻率，即可轉換出滾筒的轉速。

4 結語

分析了常用帶速傳感器的工作原理和優缺點，采用光電傳感技術設計了一種智能型帶速傳感器，具有CAN總線接口，可以接入轉速信號和帶式輸送機的運行信號，智能判斷打滑和超速。設計了CAN總線通信電路，設計了光電傳感器和霍爾元件的安裝方法。在無需人工設定參數的情況下，智能型帶速傳感器不僅可以判斷打滑和超速，并可以結合帶式輸送機的運行狀態對帶速的異常情況進行預警。智能型帶速傳感器對于保障煤礦帶式輸送機的安全穩定運行具有現實意義。

參考文獻

[1]馬宏偉，毛清華，張旭輝，礦用強力帶式輸送機智能監控技術研究進展[J].振動、測試與診斷，2016，36 （02）： 213-219.

[2]盛濤，于巖，于卉等.帶式輸送機帶速檢測系統的設計應用[J].煤礦機械，2009， 30 （06）：133-134.

[3]孔維社.主運煤流線協同控制系統的故障診斷設計[J].工礦自動化，2017，43（09）：32-36.

[4]張守福，劉洪超.NAMUR，型速度傳感器信號采集電路的設計[J]，工礦自動化，2011 （08）：113-115.