基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的跳汰機(jī)床層松散度檢測儀的設(shè)計(jì)

摘 要 選礦廠跳汰機(jī)的床層松散度通過對床層厚度進(jìn)行檢測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對床層松散度的控制，但因檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、時(shí)效性差等問題，致使跳汰分選效率低、分選指標(biāo)不穩(wěn)定。因此設(shè)計(jì)基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的跳汰機(jī)床層松散度檢測儀。該檢測儀以STM32芯片為主控核心，利用電動(dòng)滑臺(tái)、壓力傳感器和限位傳感器對跳汰機(jī)床層數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測，采集松散度數(shù)據(jù)；通過HC12無線通信模塊讀取跳汰床層中的數(shù)據(jù)，然后通過WiFi將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和反饋。通過運(yùn)用FFT算法對床層進(jìn)行預(yù)測并建立數(shù)據(jù)庫，對不同工況設(shè)置區(qū)分，實(shí)現(xiàn)了檢測儀根據(jù)不同需求進(jìn)行自動(dòng)切換的功能。測試結(jié)果表明：檢測儀性能穩(wěn)定可靠，實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)再現(xiàn)性高、時(shí)效性強(qiáng)，并且操作方便簡潔。

關(guān)鍵詞 松散度檢測儀 跳汰選煤 STM32 嵌入式操作系統(tǒng) 傳感器 無線通信

中圖分類號(hào) TH39" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 10003932（2025）02017912

煤炭分選在我國能源生產(chǎn)方面占據(jù)重要地位，跳汰選煤是其中最具代表性的一種工藝［1］，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約有50%的入洗原煤使用跳汰設(shè)備進(jìn)行分選，跳汰機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備之一［2］。跳汰工藝的好壞很大程度上取決于跳汰機(jī)生產(chǎn)中的各影響因素控制得是否得當(dāng)，床層松散狀態(tài)是控制最終產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。目前，由于傳統(tǒng)跳汰機(jī)松散識(shí)別度差、制造費(fèi)用過高等問題，大部分選礦廠仍采用人工探桿檢測，而人工檢測數(shù)據(jù)的時(shí)效性和穩(wěn)定性有一定的問題。因此，筆者將嵌入式操作系統(tǒng)和傳感器對接，提出了針對床層松散度數(shù)據(jù)采集的高精度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 總體設(shè)計(jì)思路與框架

為了方便對跳汰床層各方位進(jìn)行全面把控，采用周期性檢測方式，設(shè)置縱向和橫向兩個(gè)方位滑臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對床層的多點(diǎn)檢測；由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)滑臺(tái)進(jìn)行行程移動(dòng)，床層介質(zhì)直接接觸薄膜式壓力傳感器，當(dāng)壓力傳感器下降接觸到床層松散層且重力數(shù)據(jù)變化量超過閾值時(shí)，即認(rèn)為到達(dá)床層松散的上表面位置，由此計(jì)算床層松散時(shí)的厚度。同時(shí)，啟動(dòng)稱重傳感器，當(dāng)壓力傳感器下降接觸到床層壓實(shí)層且重力數(shù)據(jù)變化量超過閾值時(shí)，即認(rèn)為到達(dá)壓實(shí)層實(shí)際厚度位置，由此計(jì)算整個(gè)床層厚度。測量完成后各裝置回到初始位置，開始下一周期的檢測。

跳汰松散度在線檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

測量松散度的主要硬件有電機(jī)滑臺(tái)、多個(gè)連接片、多個(gè)限位開關(guān)、連接件、壓力傳感器、直桿、亞克力板、硅膠保護(hù)殼和稱重傳感器。兩個(gè)電機(jī)滑臺(tái)組成一個(gè)T型結(jié)構(gòu)，固定在跳汰機(jī)上；左、右限位開關(guān)分別固定在橫向電機(jī)滑臺(tái)上，用于保護(hù)縱向電機(jī)行程；上限位開關(guān)、下限位開關(guān)和零點(diǎn)限位開關(guān)安裝在縱向電機(jī)滑臺(tái)上，用于保護(hù)檢測傳感器行程安全；連接片的一端安裝在縱向電機(jī)滑臺(tái)上，在另一端固定稱重傳感器，稱重傳感器連接直桿，通過亞克力板固定壓力傳感器。床層對設(shè)備的反作用力主要通過稱重傳感器和壓力傳感器雙向進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)床層松散度的計(jì)算。

整個(gè)電路控制系統(tǒng)包括主控電板、電壓轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)壓電源模塊、變壓器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、RS485通信模塊；主控電板、電壓轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)壓電源模塊、變壓器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、液晶顯示器、RS485通信模塊均安裝在機(jī)箱內(nèi)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和液晶顯示器分別與主控電板連接，之后電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接步進(jìn)電機(jī)，穩(wěn)壓電源模塊分別連接變壓器模塊和主控電路板，上限位開關(guān)、下限位開關(guān)、左限位開關(guān)、右限位開關(guān)、零點(diǎn)限位開關(guān)分別與主控電板電連接，RS485通信模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊與主控電板電連接，之后稱重傳感器與RS485通信模塊電連接，壓力傳感器與電壓轉(zhuǎn)換模塊電連接。具體設(shè)計(jì)為5個(gè)模塊：

a. 部件運(yùn)動(dòng)控制與床層厚度檢測模塊。單片機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制縱向、橫向多方位電動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)電動(dòng)螺桿的算術(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)計(jì)算壓力傳感器的行程，當(dāng)壓力傳感器下降接觸到床層介質(zhì)松散層且壓力傳感器數(shù)據(jù)變化量超過閾值時(shí)，即認(rèn)為到達(dá)床層的松散層位置，之后稱重傳感器開始運(yùn)行，壓力傳感器繼續(xù)下降接觸到床層介質(zhì)壓實(shí)層且稱重傳感器重力數(shù)據(jù)變化量超過閾值時(shí)，即認(rèn)為到達(dá)床層的壓實(shí)層位置，由此計(jì)算整個(gè)床層厚度和松散度；測試完成后單片機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制電機(jī)反向運(yùn)行，使壓力傳感器回到上限位置，等待下一個(gè)周期任務(wù)。

b. 測量裝置重量測量模塊。通過稱重傳感器和壓力傳感器雙向檢測行程測量單元的重量變化，根據(jù)壓力傳感器下降時(shí)受水和床層施加的向上的力的變化，重力測量值隨之變化，通過上位機(jī)軟件所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而濾除掉水對傳感器的影響。

c. 測量裝置限位模塊。多個(gè)點(diǎn)位安裝限位開關(guān)傳感器，用于防止由于系統(tǒng)故障導(dǎo)致電機(jī)滑臺(tái)行程超出極限值，對于不同水平的跳汰床層可以通過移動(dòng)限位開關(guān)傳感器到達(dá)指定位置來限制壓力傳感器縱向行程。此設(shè)計(jì)克服了由于限位開關(guān)固定的局限性。

e. 遠(yuǎn)程操控模塊。上位機(jī)軟件與單片機(jī)進(jìn)行雙向無線通信，操作人員通過遠(yuǎn)程界面監(jiān)控整個(gè)操作系統(tǒng)，能方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、控制方式選擇及歷史數(shù)據(jù)查詢等，不用操作人員到實(shí)地進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)了無人化遠(yuǎn)程操控，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過上位機(jī)軟件自動(dòng)傳輸?shù)椒抡嫦到y(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，可實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)波形的變化，工作人員針對波形變化對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，極大地提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的高精度跳汰床層在線檢測儀的功能如下：

a. 跳汰床層松散度檢測。由于水流的影響，跳汰床層介質(zhì)會(huì)分為壓實(shí)部分和松散部分，該系統(tǒng)通過反作用力去除掉水對設(shè)備的影響，實(shí)現(xiàn)松散度的檢測。

b. 全方位覆蓋檢測。以橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)床層全方位覆蓋檢測。

c. 液晶顯示。能夠在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)顯示環(huán)境狀態(tài)參數(shù)和檢測數(shù)據(jù)。

d. 無線通信。在上位機(jī)軟件Visual Studio對檢測設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)無人化操作。

e. 人機(jī)交互。提供按鍵，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，在現(xiàn)場可以通過手動(dòng)設(shè)置電機(jī)行程、修改原始數(shù)據(jù)。

基于上述功能確定了在線檢測儀模塊化總體設(shè)計(jì)方案，主要由單片機(jī)主控模塊、電源管理模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線通信模塊、限位控制電路、傳感器電路及人機(jī)交互模塊等組成，如圖3所示。

2.1 單片機(jī)主控模塊

為了滿足在線檢測系統(tǒng)快速響應(yīng)和低功耗的要求，采用STM32F103作為主控制器核心芯片，該芯片內(nèi)置獨(dú)立“看門狗”，可有效預(yù)防程序鎖死跑飛，從而對運(yùn)行時(shí)間和芯片加密進(jìn)行把控，安全可靠［3］。

主控模塊外圍電路主要由復(fù)位電路、Flash電路、時(shí)鐘電路、電量管理和指示燈組成。主控模塊整體電源供電電壓2.0～3.6 V，功耗極低，充分滿足設(shè)計(jì)要求。Flash電路主要用于存儲(chǔ)OLED顯示的漢字以及多位傳感器傳輸回來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中Flash電路采用AT45DB041高精度芯片。

2.2 電源管理模塊

通常不同型號(hào)的芯片的工作電壓都是不同的，需要將220 V（AC）交流電壓轉(zhuǎn)換成芯片所需的直流電壓。

本研究中主控芯片所需的工作電壓為

5 V（DC），因此首先將電路220 V（AC）電壓通過變壓器轉(zhuǎn)換成12 V（AC）的交流電壓，之后

12 V（AC）的交流電壓經(jīng)穩(wěn)壓電源模塊中的電阻A1、橋式整流、電容濾波和穩(wěn)壓芯片LM7812后，轉(zhuǎn)換為12 V（DC）直流電壓，最后12 V（DC）的直流電壓通過穩(wěn)壓芯片LM2596轉(zhuǎn)換成5 V（DC）的

直流電壓，供主控制器使用。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角度位移從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)功能的器件，傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的速度或位置控制比較復(fù)雜，特別是參數(shù)難以調(diào)節(jié)，很難達(dá)到最佳控制效果［4］。因此本設(shè)計(jì)采用TB6600型兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具有8擋細(xì)分控制和6擋電流控制進(jìn)行高效控制，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且兼容Arduino和其他多種主控器。

STM32通過GPIO_PB接口控制驅(qū)動(dòng)器的方向、使能、脈沖三大信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制、旋轉(zhuǎn)角度控制等功能。此外，步進(jìn)電機(jī)工作電壓一般在5 V（DC）左右，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作電壓約12 V，為了防止上一級(jí)控制電路電壓過大影響控制信號(hào)，設(shè)計(jì)了光電隔離電路與上一級(jí)控制電路進(jìn)行隔離。

2.4 傳感器模塊

電阻式薄膜壓力傳感器。該系統(tǒng)采用RPS40LT電阻式薄膜壓力傳感器，用于測量跳汰床層松散厚度，這是一種柔性膜傳感器，可以適應(yīng)不同表面形狀的壓力測量［5］。當(dāng)傳感器的隔離感應(yīng)區(qū)接觸到介質(zhì)時(shí)，端口的電阻輸出值會(huì)隨著壓力變化，通過DO引腳傳輸高低電平給STM32主控制器從而顯示壓力值。

壓電式稱重傳感器。該系統(tǒng)采用GML670稱重傳感器，用于測量跳汰床層壓實(shí)層厚度，通過RS485串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，與單片機(jī)通過I2C實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信傳輸，與主控制器GPIO_PB端口通過DATA數(shù)據(jù)總線和SCK時(shí)鐘總線相連接，量程為0～10 kg。

2.5 HC12無線通信模塊

跳汰床層在線檢測儀的無線通信模塊主要采用超低功耗HC12無線通信模塊SI4438，作為新一代嵌入式無線傳輸模塊，其工作頻段433.4～473.0 MHz，可設(shè)置多個(gè)通信頻道，超長通信距離可達(dá)1 000 m。STM32作為主控制器，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對HC12的控制和通信，最終在上位機(jī)軟件Visual Studio顯示檢測數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

2.6 限位開關(guān)模塊

限位開關(guān)是用于保護(hù)電機(jī)行程的一種裝置，主要分為零點(diǎn)限位和非零點(diǎn)限位。零點(diǎn)限位作為床層厚度檢測的起始點(diǎn)位，而非零點(diǎn)限位用于限制橫向和縱向檢測范圍。

本系統(tǒng)的限位開關(guān)采用NPN三線感應(yīng)式傳感器，正常運(yùn)行環(huán)境條件溫度范圍-25～55 ℃，與單片機(jī)GPIO口相連接，通過引腳電位差判斷電機(jī)滑塊是否到達(dá)指定位置。

2.7 人機(jī)交互模塊

本系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊主要由OLED液晶顯示電路和多路按鍵組合而成，目的是在現(xiàn)場操作時(shí)能夠方便觀察測試結(jié)果。獨(dú)立按鍵與單片機(jī)GPIO口相連接，通過輸入端口電平的高低狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。

OLED液晶顯示器與單片機(jī)UART接口完成通信并顯示測試信息，同時(shí)通過多個(gè)獨(dú)立按鍵進(jìn)行功能選擇，可以查看不同時(shí)間的測試結(jié)果以及調(diào)試電機(jī)行程功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)平臺(tái)選用Keil uVision5。軟件設(shè)計(jì)利用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII與STM32自帶的庫函數(shù)進(jìn)行程序編寫，可以很大程度減少系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間和工作量。嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII可以將系統(tǒng)任務(wù)分解成多個(gè)子任務(wù)，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行相應(yīng)處理，從而提高CPU的利用率。

系統(tǒng)軟件包括主程序、初始化子程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、人機(jī)交互程序及無線網(wǎng)絡(luò)通信程序等［6］。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要介紹嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII、控制系統(tǒng)程序、數(shù)據(jù)處理程序、無線通信網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII

μC/OSII系統(tǒng)框架如圖4所示。μC/OSII基本上都是通過C語言進(jìn)行編寫的程序文件，只有一些和微處理器相關(guān)的部分代碼是用匯編語言進(jìn)行編寫的。匯編文件應(yīng)該進(jìn)行改寫，以適應(yīng)移植對象［7］。

本研究所用的開發(fā)軟件Keil uVision5已經(jīng)集成了匯編開發(fā)環(huán)境，只需修改圖4中編寫文件OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.ASM即可。μC/OSII可以很好地滿足設(shè)計(jì)需求，從而減少軟件開發(fā)的工作量。

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，其中系統(tǒng)硬件初始化主要包括對STM32各個(gè)GPIO接口、外設(shè)驅(qū)動(dòng)等進(jìn)行初始化。

在多個(gè)任務(wù)調(diào)度執(zhí)行過程中，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的高低自動(dòng)切換任務(wù)執(zhí)行，系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度與設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集主要分為傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分。將傳感器數(shù)據(jù)采集分為3個(gè)任務(wù)函數(shù)依次切換執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)順序分別是限位開關(guān)數(shù)據(jù)采集、壓力傳感器數(shù)據(jù)采集和稱重傳感器數(shù)據(jù)采集。其中，只要有一個(gè)任務(wù)函數(shù)在執(zhí)行過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，就立即觸發(fā)報(bào)警程序，從而上傳異常數(shù)據(jù)并啟動(dòng)本地報(bào)警裝置［8］。電機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集分為橫向和縱向兩個(gè)方位輪流切換執(zhí)行，高優(yōu)先級(jí)是縱向電動(dòng)滑臺(tái)數(shù)據(jù)采集，其次是橫向電動(dòng)滑臺(tái)數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程如圖7所示。

3.4 無線通信程序設(shè)計(jì)

跳汰機(jī)床層松散度在線檢測裝置與PC服務(wù)器的通信協(xié)議是基于UDP的，當(dāng)檢測裝置完成發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)后，需等待PC遠(yuǎn)程服務(wù)器的回復(fù)響應(yīng)。檢測裝置收到服務(wù)器發(fā)送的響應(yīng)，即表示數(shù)據(jù)上傳成功，則繼續(xù)等待下一次數(shù)據(jù)的上傳。

此外，當(dāng)PC服務(wù)器收到檢測裝置傳回來的數(shù)據(jù)后，會(huì)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包解析，依次判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如果準(zhǔn)確，則檢測裝置為正常狀態(tài)，PC服務(wù)器會(huì)再次發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號(hào)；如果檢測裝置在一段時(shí)長后沒有收到PC服務(wù)器的應(yīng)答信號(hào)，則服務(wù)器會(huì)持續(xù)發(fā)送信號(hào)［9］。

3.5 上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)管理軟件的功能是對檢測裝置進(jìn)行全方位把控，包括顯示單元、存儲(chǔ)單元、人機(jī)交互單元和報(bào)警記錄。上位機(jī)軟件接收檢測裝置上傳的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、存儲(chǔ)和顯示。在Visual Studio 2019環(huán)境，用C#語言進(jìn)行上位機(jī)軟件開發(fā)，數(shù)據(jù)庫軟件采用SQL Server 2019。上位機(jī)管理軟件界面如圖8所示。

4 實(shí)物展示及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

經(jīng)實(shí)測，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊平均輸出電流450 mA，壓力傳感器與稱重傳感器在脈沖供電模式下供電電流為50、70 mA，其他部分平均輸出電流為100 mA。另外，限位傳感器監(jiān)測正常功能一切正常，檢測裝置與上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)雙位通信功能正常，實(shí)現(xiàn)了檢測裝置各項(xiàng)預(yù)期功能與指標(biāo)。在線檢測裝置測試現(xiàn)場如圖9所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于跳汰機(jī)床層分層是個(gè)非常復(fù)雜的液固兩體相互作用的過程，與脈動(dòng)強(qiáng)度、床層介質(zhì)顆粒、礦物性質(zhì)密切相關(guān)，這些因素相互作用形成一個(gè)復(fù)雜的體系，因此需要通過針對這些影響因素做出不同的條件實(shí)驗(yàn)，從而驗(yàn)證檢測裝置的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。此外，床層結(jié)構(gòu)中任何非均勻性因素都會(huì)導(dǎo)致壓力波動(dòng)，所以為了減少設(shè)備檢測過程誤差，提前通過頻譜分析了解床層壓力波動(dòng)特性，針對頻率信號(hào)的強(qiáng)弱獲知每一頻率是床層中哪些因素造成的。筆者主要研究頻率在30 Hz以內(nèi)的壓力波動(dòng)頻率。

為了減少頻譜信號(hào)的泄漏，通過采用不同的窗函數(shù)截取信號(hào)，主要有冪窗、三角函數(shù)窗、指數(shù)窗3種函數(shù)窗［10］：

a. 冪窗是一種通過利用時(shí)間變量某種冪次的函數(shù)，例如矩形、三角形、梯形或其他時(shí)間函數(shù)x（t）的高次冪。這種窗口的優(yōu)點(diǎn)是主瓣相對集中，缺點(diǎn)是旁瓣較高，并且伴有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中出現(xiàn)高頻干擾和泄漏，甚至出現(xiàn)負(fù)頻譜現(xiàn)象。

b. 三角函數(shù)窗是一種應(yīng)用三角函數(shù)，即正弦函數(shù)或余弦函數(shù)等組合成的復(fù)合函數(shù)，例如漢寧窗、海明窗等，其中漢寧窗的光譜時(shí)間由3個(gè)相互疊加的矩形窗口組成，第一旁瓣的振幅為主瓣的 0.027%，使旁瓣能最大程度地相互抵消，從而加強(qiáng)主瓣的作用，有效抑制泄漏。此外，漢寧窗可以用作主瓣加寬，雖然平坦分辨率略低于矩形窗，但頻譜幅度的精度可以明顯提高。

c. 指數(shù)窗是一種采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)的窗口函數(shù)，例如高斯窗等。指數(shù)窗通常用于結(jié)構(gòu)沖擊實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理，當(dāng)系統(tǒng)接收到信號(hào)的瞬態(tài)激勵(lì)時(shí)，往往不得不做自由衰減運(yùn)動(dòng)，如果物體的阻尼較小，那么幅度衰減時(shí)間就會(huì)越長，這樣就會(huì)使得在時(shí)域上采集的信號(hào)失真嚴(yán)重。指數(shù)窗沒有負(fù)旁瓣，也沒有旁瓣波動(dòng)，因?yàn)樗谟?jì)算的頻譜中不會(huì)引起假的極大值或極小值，它的缺點(diǎn)是頻率窗口函數(shù)主瓣太寬，降低了分辨率。

各種窗函數(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)本研究的實(shí)驗(yàn)條件，通過使用漢寧窗進(jìn)行頻譜分析，可以有效地讓旁瓣相互抵消，消除高頻干擾和失真的情況。

4.2.1 不同脈動(dòng)強(qiáng)度壓力信號(hào)測試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)機(jī)型選擇改造后的XCT-系列隔膜跳汰機(jī)，通過跳汰機(jī)工作與不工作的情況下水對檢測設(shè)備的影響范圍進(jìn)行測試。在床層厚度0～

100 mm范圍的不同高度進(jìn)行檢測，獲取600個(gè)采樣點(diǎn)。

圖10中，水面靜止時(shí)不同點(diǎn)位所測壓力始終保持在50～51 Pa，在頻譜圖中發(fā)現(xiàn)都趨近于零點(diǎn)，說明床層內(nèi)分布比較均勻。而水面波動(dòng)時(shí)所測壓力值變化很大，主要集中在80～130 Pa。因此，濾除水對檢測設(shè)備的干擾尤為重要。

4.2.2 床層介質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)

利用傅里葉變換進(jìn)行床層介質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)分析，圖11展示了床層介質(zhì)在1～2 mm、2～3 mm、3～

4 mm、4～5 mm4種不同粒度級(jí)的對比實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)階段選用磁鐵礦作為床層介質(zhì)。在不同厚度顆粒介質(zhì)變化時(shí)，壓力值也會(huì)有相應(yīng)變化，根據(jù)圖11所示的頻域分析結(jié)果可知，介質(zhì)厚度在1～

2 mm時(shí)，在5、10 Hz有兩個(gè)明顯的峰值，針對時(shí)域信號(hào)得出的結(jié)果，這兩個(gè)峰值分別是分散層和壓實(shí)層臨界點(diǎn)。隨著介質(zhì)厚度的增大，峰值的頻率不斷增加，說明介質(zhì)顆粒大小的不同，會(huì)對檢測設(shè)備有很大影響。

在通過多次實(shí)驗(yàn)后，對壓力均值進(jìn)行計(jì)算，以表征在床層不同的位置下所測得壓力大小。不同介質(zhì)厚度下的壓力均值變化曲線如圖12所示，可以看出，在床層厚度在60～100 mm時(shí)，其壓力分布都是雜亂無章的，在10～60 mm時(shí)則出現(xiàn)了明顯的區(qū)分，由此可以判斷出床層和水層的區(qū)別。

4.2.3 水流速度影響實(shí)驗(yàn)

由圖14可知，當(dāng)水流速度u為0.035 m/s時(shí)床層顆粒分布均勻，幾乎不產(chǎn)生明顯壓差，檢測過程十分平穩(wěn)并且具有周期性；當(dāng)水流速度u為0.090、0.145 m/s時(shí)壓力主頻雖然沒有變化，但在高于10 Hz時(shí)明顯減少，說明壓力波動(dòng)在逐漸減弱；當(dāng)水流速度u為0.182 m/s時(shí)，分散層主頻明顯減弱，可知跳汰機(jī)水流速度不宜超過0.180 m/s。

4.3 實(shí)際應(yīng)用效果

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對檢測系統(tǒng)進(jìn)行投運(yùn)測試。實(shí)際運(yùn)用結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，控制效果良好。在數(shù)據(jù)庫中分別設(shè)置不同床層介質(zhì)的壓力范圍，設(shè)置水流速度u為0.035 m/s、脈沖強(qiáng)度45 Hz，分別進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖15所示，可以看出，在床層不同高度進(jìn)行測量時(shí)發(fā)現(xiàn)壓差沒有超過20 Pa，說明數(shù)據(jù)庫壓力設(shè)置范圍是有效的，解決了床層介質(zhì)的干擾問題。

以1～2 mm床層介質(zhì)為例，應(yīng)用于錫礦物回收的在線監(jiān)測，上位機(jī)對其松散度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而控制水壓，從而調(diào)節(jié)床層不同位置松散度。其中，礦物層將松散度維持在0.4%～0.6%區(qū)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與誤差分別如表1、圖16所示，可以看出，在0.4%～0.6%的測量范圍內(nèi)，測量松散度的誤差絕

5 結(jié)論

5.1 筆者創(chuàng)新性地提出了跳汰機(jī)床層松散度在線檢測裝置的新型技術(shù)方法，并進(jìn)行了研究、設(shè)計(jì)與開發(fā)，完成了跳汰機(jī)床層松散度在線檢測裝置原型機(jī)的制造，進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，取得了滿意的結(jié)果。裝置采用STM32微處理器作為硬件處理平臺(tái)，優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、操作簡單、安裝容易且成本很低，通過移植μC/OSII操作系統(tǒng)與STM32庫函數(shù)結(jié)合進(jìn)行軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，極大簡化了程序開發(fā)工作量，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

5.2 基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的跳汰松散度檢測儀具有一體式檢測功能單元設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)、擴(kuò)展方便。各功能單元充分考慮了方便性、靈活性和可擴(kuò)展性，集成多個(gè)電子部件和機(jī)械部件并進(jìn)行功能單元的一體式設(shè)計(jì)，功能單元可整體式進(jìn)行擴(kuò)展，適用于多種礦物選別的跳汰機(jī)及其控制系統(tǒng)擴(kuò)展。控制系統(tǒng)充分利用STM32的高可靠性和豐富的功能，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用時(shí)功能單元可作為一個(gè)整體進(jìn)行安裝，無需改動(dòng)跳汰機(jī)設(shè)備的任何結(jié)構(gòu)和部件，形成了一套獨(dú)立的檢測系統(tǒng)，因此可靠性高、安全性能高。

5.3 由多種傳感器相結(jié)合的復(fù)合式跳汰機(jī)床層厚度檢測裝置，盡可能地抵消了多種影響因素的相互干擾。此外，通過運(yùn)用FFT算法對床層進(jìn)行預(yù)測并建立數(shù)據(jù)庫，對不同情況設(shè)置區(qū)分，能夠?qū)Υ矊铀缮⒍葏?shù)進(jìn)行高精度測量。測試結(jié)果表明，跳汰床層在線檢測儀具有安全可靠、性能穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

5.4 該檢測系統(tǒng)能夠全方位覆蓋整個(gè)跳汰機(jī)床層并實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)繼續(xù)數(shù)據(jù)反饋，最終在上位機(jī)顯示出跳汰機(jī)床層的各相關(guān)參數(shù)。用戶可以在遠(yuǎn)程操控端觀測數(shù)據(jù)，并調(diào)整分選步驟。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以提高跳汰機(jī)的選別精度，提高產(chǎn)品品質(zhì)和選礦生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，從而為提高企業(yè)的管理效益和經(jīng)濟(jì)效益做出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2024-08-13，修回日期：2024-10-13）