基于超声波测距的皮带监测报警装置

云蓝斯+++马俊先+++张嵇禹+++王恒+++高凯+++邱格

摘 要：在工业中，目前皮带跑偏检测主要的方法是使用跑偏检测开关，即行程开关。但跑偏检测开关的故障率较高。为保障跑偏检测开关正常工作，需专职人员人工对开关进行定期维护，使用的人力成本较高。为确保皮带在运行过程中安全可靠、便于实施，同时降低维护成本。文章通过对超声波测距仪原理进行分析后，设计了一种基于超声波测距的非接触性皮带检测报警装置。

关键词：监测；报警；超声波；非接触性

1 概述

运输皮带是物料短途运输的重要设备，广泛应用于矿山、农业、食品、烟草等生产行业。皮带跑偏是运输皮带作业过程中最为常见的故障，其危害性极大，皮带跑偏轻则造成撒料、皮带磨损；重则由于皮带与机架剧烈摩擦引起皮带软化、烧焦甚至引起火灾，造成整个生产线停产。所以及时、准确地检测皮带跑偏具有非常重要的意义[1]。

目前皮带跑偏检测主要的方法是使用跑偏检测开关，即行程开关。使用时将行程开关成对安装于输送机头部或尾部，当皮带跑偏时皮带边缘接触压迫行程开关触头产生移动触发报警。跑偏检测开关是机械式开关，采用接触式检测方式，当其应用于如煤矿井下等较为恶劣的生产环境时，极易被煤尘、泥污、油泥等影响，易发生误报、漏报等故障。因此，跑偏检测开关的故障率较高。为保障跑偏检测开关正常工作，需专职人员人工对开关进行定期维护，使用的人力成本较高。

文章在于提供一种基于超声波测距的皮带检测报警装置，是采用非接触式检测原理的、运行可靠、便于实施、维护成本低的检测运输皮带跑偏的新设备。

2 工作原理分析

超声波监测报警装置如图1所示，主要包括超声波测距单元、人机交互单元、数据处理单元、通信单元和报警单元。通过超声波测距仪测量获得超声波测距传感器至皮带的边缘距离，以此来判断皮带是否跑偏。基于超声波测距的皮带监测报警装置安装如图2所示。

超声波测距仪（102）工作原理：

超声波测距仪主要是由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块所构成。超声波测距可以用相位检测、声波幅值检测、渡越时间检测。相位检测法的精度最高，但测距量程不高，声波幅值检测受介质影响较大，因此，目前超声波测距一般采用渡越时间法，因此，文章采用的是渡越时间法进行超声波测距[2]。

渡越时间法：利用超声波发射器向某一方向发射超声波， 在发射时刻的同时开始计时， 超声波在空气中传播， 途中碰到障碍物就立即返回来， 超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2。

3 具体实施方式

（1）所述监测报警装置如图1所示实施例中，包括：

超声波测距单元（101），采用测距距离大于3米的小波束角发射接收一体化超声波测距传感器（102），可采用深圳导向机电技术有限公司的KS109超声波测距模块。

通信单元（103），包括输入端口（104）和输入端口（105），数据输入端口接一超声波测距传感器（102）发送的测量数据，采用I2C总线通信方式。数据输出端口将数据发送给其它设备，采用RS485通信方式与报警单元、皮带控制设备（如PLC）及其它监控设备连接[3]，当皮带跑偏时发送报警信号控制皮带停止运转，保护相关设备。

人机交互单元（106），包括显示屏（107）和按键（108），显示屏采用两行点阵型LCD液晶显示模块，视域尺寸：60.5×18.0mm，54.8×18.3m。

报警单元（109），采用声光报警器（110）具有喇叭和报警灯，实现声光报警功能，通过RS485接口与通信单元连接通信。

数据处理单元（111），处理器（112）用于执行数据比较处理工作，实施时可使用MCU，也可使用FPGA实现。

辅助电路（113），除以上提到的各单元设备外，装置还包括电源电路等辅助电路和相关元件，为各单元设备元件提供支持，如在煤矿井下使用下所有元件及电路应符合本质安全要求。

（2）所述监测报警装置安装示意图参考图2。

超声波测距传感器（203）分别安装于位于支架（202）上，位于运输皮带（201）两个边缘上方，且安装高度相同，安装高度高于物料高度，为保证监测精度超声波测距传感器应尽量靠近皮带表面；两个超声波测距传感器中心位置连线垂直于皮带运行方向。除超声波测距单元的其他单元元件集中在装置壳体（204）内，装置壳体可安装在的支架上。

（3）监测报警的具体实施步骤如图3所示。

（301）判断装置是否已经校准，如未校准，则进行位置校准（302），如已校准则执行（303）。直接检测。

（302）位置校准，校准时需对位置正常的皮带使用超声波测距设备进行测量，获得超声波至皮带的边缘距离AL和AR，计算AL-AR，如|AL-AR|>G，则调整支架（202）倾斜度使|AL-AR|

（303）通信单元接收超声波测距仪测量获得超声波测距传感器至皮带的边缘距离BL和BR。

（304）数据处理单元比较器通过比较实时皮带的边缘距离，如

|BL-BR|>F，则执行（305），否则返回（303）。

（305）判断BL-BR是否大于零，如大于零则皮带向右跑偏，如小于零则向左跑偏。

（306）装置声光报警并在显示器显示相关信息，并向皮带控制设备发送控制信号。

4 结束语

文章利用超声波测距仪提供一种基于超声波测距的皮带监测报警装置，采用非接触式检测原理，运行可靠且维护成本低。通过具体实施能够准确监测皮带是否发生跑偏，从而保证了生产线的安全。该装置涉及超声波测距和通信等领域。

参考文献

[1]赵立华，郎毅翔，付大鹏.带式输送机典型故障的分析及处理[J].起重运输机械，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]田拥军，赵光强，曾健平.基于RS485总线技术的PC机与单片机多机通讯设计[J].湖南工程学院学报，2007（6）.

作者简介：云蓝斯（1996-），女，黑龙江省大庆人，工作单位：中国矿业大学（北京），职务：学生，研究方向：电气工程及其自动化。