礦用超聲倒車預警系統★

段 慶

（太原理工大學電氣與動力工程學院， 山西 太原 030024）

引言

超聲波以其非接觸、抗干擾強、結構簡單、成本低等優勢在測距領域獲得廣泛推廣應用。尤其是在煤礦井下，存在光線條件不足、反射性能差、粉塵灰塵影響、潮濕環境等不利因素，超聲測距作為一種可靠有效的的距離測量方法具有重要的作用。文獻[1]設計了超聲測距的硬件結構，編寫了配套的軟件，并應用于環境探測機器人，實現了距離探測。文獻[2]研究針對船舶測距技術需求，設計了船舶周圍接近物體的超聲探測技術，實現對目標的距離和方位測量，確保航行安全。文獻[3]針對塔式起重機力矩測量中力臂距離測量技術難題，提出一種高精度的超聲測距方案，具體為使用直射布置并通過軟件優化最終實現了測距精度的顯著提升。

煤礦井下地形狹長，照明條件較差，機車駕駛員在此條件下長時間駕駛，極易引起精神和視覺疲勞，為煤礦井下的安全生產埋下了隱患。為輔助駕駛員在燃爆環境下安全駕駛，設計基于煤礦本質安全的超聲預警系統，對周圍環境進行實時監測及安全預警具有重要意義。

1 設備本質安全的實現

電子設備的本質安全功能實現需要在電路結構設計及器件選擇時預先考慮，具體要求為電路在發生短路時產生的電火花或熱效應限制到燃爆性氣體點燃能量值以下，并要求通過實驗測試進行確定。

1.1 本質安全電路的設計

接通電路和斷開電路的瞬間產生的電壓和電流是最大的，不同電路負載性質對應的電路在通斷時能量儲存方式有所差別。

1）電阻性電路無儲能元件，在電路通斷瞬間空氣擊穿產生電弧，在設計電路時需計算短路電流值，不能超過最小點燃電流。通常采用在回路中串聯限制能量的電阻，發生短路時其產生的能量不至于引燃爆炸性氣體。

2）容性電路具有儲能的特點，在暫態過程中其作用與電源類似，因此需要嚴格計算其容量大小及配套電阻值，防止電路通斷過程產生危險能量。

3）電感性電路在斷開時電感兩端有很強的反電勢，通常在電感兩端并聯一個分路來釋放或吸收電感能量。

針對整體設計的電路，很難直接判斷其電路屬性和故障時的電路情況，需通過等效變換等方法將其拆分成多個簡單電路進行逐個分析。

1.2 本質安全電路的安全評價

為了達到電路的本質安全要求，電路在測試和改進時需要對電路參數進行測試是否達到評價標準。常用的最小點燃能量評價方法判定電路安全性能，通過演算和推導完成，具有過程簡單、周期較短的特點。

通過最小點燃能量的方法進行本質安全評價時，電火花的產生是將電路中電能轉化為熱量，并散發到燃爆環境中。

電路中的儲能元件是電能大量存儲和釋放的地點，需要根據其具體的參數情況進行能量轉換的測試和計算，如果未能達到本質安全評價的要求，則需要對儲能元件進行參數優化及對電路結構的優化。

計算電火花能量時可以分析電路開斷瞬間的能量變化情況，此時的變化量是最大的，只要在電路切換的瞬間滿足本質安全評價要求，則能證明電路時本質安全的。計算放電能量時，需要在一段時間內對電壓時間函數和電流時間函數的乘積進行積分，得到的結果小于最小點燃能量即為滿足本質安全的求。如果該電路不含電阻元件，放電能量的計算方法為：

對于本質安全電氣設備來講，其正常工作或發生短路故障時，瞬時能量值上限為0.28 MJ，這樣才能保證安全火花。設計電路時要對電感、電容等儲能元件采取消除能量的措施，例如在電感上并聯二極管。為達到電路本質安全的要求，也需要對電路采取限流、限壓措施，同時防止其他來源的能量進入本質安全電路，限制電火花能量到要求范圍內。

2 礦用本質安全的超聲預警系統

2.1 煤礦井下超聲測距預警原理

煤礦井下地形狹長、光線條件差、設備種類繁雜、活動空間小、道路錯綜復雜，駕駛員在車輛駕駛過程中受昏暗燈光條件、高低不平行駛道路、未知的前方路況以及自身長時間駕駛引起的疲勞和不集中等因素影響，極易引起煤礦井下的車輛事故。在煤礦井下進行的倒車作業，會受到對路況的感知和判斷、倒車系統輔助規劃路線和倒車系統等多方面綜合影響，如圖1 所示。

圖1 倒車過程分析

在進行倒車操作中，要同時考慮駕駛員的判斷和執行程度與礦用車輛的車輛狀況。駕駛員在確定方位時，如果僅憑自身的視覺和聽覺來判斷路面狀況，是很難做到將所有有效信息捕捉完全。駕駛員需要通過其他輔助裝置來幫助自己判斷和確認路況信息，在此基礎上進行倒車路線的規劃，并完成倒車操作。

為預防倒車過程中可能出現的事故，降低其發生概率，從情況的感知和判斷、倒車系統輔助規劃路線和倒車系統執行三方面進行優化。為便于駕駛員更清楚地判斷周圍環境，通過視頻配合估算障礙物距離和其他可能影響倒車安全的情況，需對障礙物進行更準確的距離測量。同時應對測量結果進行距離顯示并進行障礙物報警，確保駕駛員在能夠在有效反應時間內收到準確信息后迅速做出判斷和調整。這也有助于提醒駕駛員集中注意力，在制定行車路線時更有把握，更為細致謹慎。為保證測距效果立刻起到有效作用，要盡量縮短系統測量反應時間以及系統結果反饋時間。為滿足設備能夠在燃爆環境安全正常使用，需要對設備進行本安化處理，并確保其工作性能和效果不受影響。

2.2 本質安全超聲測距系統方案

本研究設計的本質安全超聲測距系統主要由STC 單片機、驅動電路、超聲信號產生及接收電路、信號調理電路、報警與顯示電路組成、并對系統特性進行溫度校正。單片機負責本質安全超聲測距系統統一控制，數據指令的發送、接收以及處理均依靠其來完成。本安驅動電路不能采用傳統高壓脈沖變壓器驅動方式以保證系統滿足燃爆環境下本質安全電路要求，采用無變壓器方式驅動超聲波發射模塊。

具體工作原理為超聲探頭產生40 kHz 頻率的高頻信號，信號在空間傳輸過程中遇到障礙物發生反射，反射信號被超聲探頭接收，進而對信號進行放大、濾波及采集處理，通過單片機進行計算，獲得飛行時間，通過超聲波在空氣中的傳播速度及溫度補償算法，計算出距離，通過LCD 屏直觀顯示距離，并根據設置的報警閾值提示判斷是否預警。本安超聲預警系統原理圖如圖2 所示。

圖2 本安超聲預警系統原理圖

3 結語

研究表明，該本安超聲預警系統可以實現在煤礦井下環境的精確位置測量，具有結構簡單、成本低、適用范圍廣、可靠性強等優點。該本安超聲預警系統為煤礦井下礦車運輸安全提供了新的技術保障與支持，提高了運輸礦車安全水平，保障了礦車、工作人員、機電設備等安全，具有廣泛的應用前景，可產生顯著的社會效益。該系統在測距和預警方面成效顯著，但缺乏更直觀的實時視頻影像系統，不能幫助駕駛員更有效判斷周圍情況。接下來的研究方向是在完善本安超聲預警系統的基礎上，研發更先進的本質安全影像系統，以滿足煤礦預警系統更進一步的要求。