基于红外扫描装置的转载机煤量监测技术研究

孙鹏亮，吴少伟

（1.中国煤矿机械装备有限责任公司，北京 100011；2.中煤华晋集团有限公司，山西 河津 043300）

1 红外扫描装置原理研究

红外扫描装置对煤量的扫描计算，主要是根据红外线测距原理。通过红外线发射装置发出的红外线光束，直接投射到综采工作面的转载机上，根据转载机上不同的介质在接收到红外线光束后发生反射作用，红外线接收装置再对反射的光束进行接收，根据发射和接收的时间差值计算红外线传播的距离。红外线具有这一特性主要得益于其穿越其他物质时折射率很小，这种测距方法可分为相位法、三角测距法、时间差测距法等。相位法即通过高频调制发射光，利用相位计比较发射信号与接收信号的相位，得到调制光在往返时引起的相移，从而得到往返时间t，再根据光速求出距离D。这种方法的测量范围在300~1000 m，它虽然不需要高速待腻子器件来测量时间，但其测量精度依赖于频率产生电路与差频测量电路，从而造成其电路造价的升高。三角测量法是在红外线发射装置、被测物体以及红外线接收装置三者之间形成一个三角关系，通过三角形关系中的边、高距离测算方法，来推演测量装置距离目标的实际距离。该方法的有效使用距离为米级，适合于近距离测量，主要用于机器人障碍识别、汽车避障等。时间差测距法是测量从红外线发射到红外线接收的时间间隔t，通过光速c即可得到测量距离D。这种方法快速直接，且距离D与时间t成线性关系，理论上可测出任意范围的距离。但由于光速c很大，时间间隔t很小，受电子技术及电子器件速度的限制，实际上无法无穷小地测量时间，故该方法仅适合远距离测量（大于1 km）。因此结合上述特点，根据实际工况，在选用红外测距方法上选用三角测量原理进行测量[1]。

红外三角测距法的结构原理如图1所示，包括校准光束、准直透镜及光电位置检测器PSD元件。

图1 红外三角测距法原理图

校准光束为红外线光源发射装置直接发射的红外线光束，该光束在遇到物体后会形成多个方向的反射，其中一定角度的光束反射回来，被红外线接收装置检测并接收。再通过透镜原理将反射回来的光束进行处理，在感知器件上得到感应。如图1所示。反射回来的红外光线被光电位置检测器件PSD检测到后会获得一个偏移值x，由三角关系可知，在知道了中心矩LD、凸透镜的焦距f以后，测量出偏移距x，则传感器到物体的距离D即可通过几何关系

得到：

该检测距离为诸多红外线发射光束中的一个点，为了实现对转载机全断面的煤量监测，将发射点进行旋转，实现高密度的面发射，进而覆盖整个转载机的断面，再从每个发射的红外线中获取对应的发射曲线，进而实现对横断面全部煤量的红外线的扫描。为了满足精准测量，通过转载机空载测试值和带载测试值进行对比，进行差值计算，则可获取在转载机横断面上的煤量。

当转载机空载时，通过红外线接收装置获取到转载机上某一点的数值为D1；当转载机带载时通过红外线接收装置获取到转载机上某一点的数值为D1’，通过计算可以得出转载机断面该位置的高度为H；发射装置在上个角度到这个角度之间，旋转的角度导致被测物体的宽度存在一定的变化，该变化量可以设为Δx，通过积分原理，可以将该变化量Δx视为无限小，则可对红外发射装置在每次旋转过程进行面积计算，每个计算单元的面积为

当扩展到整个断面时，

通过上述求和公式，对每个单位面积的数据进行累加计算，可获得整个断面的面积。该面积为转载机有煤状态和空载状态的差值面积，即转载机上的煤量，通过变频器数据获取转载机电机运行的频率和速度，通过以下公式来获得转载机上的煤量

式中，M为转载机上的煤量；V为转载机运行的速度；S为转载机断面的瞬时煤量；ρ为煤的密度。

2 煤量扫描计算方法

转载机的煤量扫描装置采用红外线扫描仪的传感方式来对转载机上的煤量进行扫描，煤量瞬时扫描装置及原理如图2所示，该套装置采用1台二维红外线测距仪，垂直悬挂在转载机中部槽的上方，通过该装置对运行的转载机进行数据采集，在采集过程中红外线测距仪会不断向中部槽发射光束，同时红外线接收装置会不断接收发射装置发射出的红外线，装置内部结构设计原理如图3所示，该装置还会按照设计的角度不停高速转动，进而实现对煤量轮廓的扫描[2]。

图2 煤量扫描装置煤量识别原理图

图3 煤量扫描装置内部原理图

转载机上煤量的负荷与其他系统稍有区别，底层整体为平面煤量整体覆盖在该平面上，因此煤量也基本均匀分布在转载机中部槽上，在煤量体积计算方面，可将底部设定为标准的平面，煤量的高度为扫描仪扫描到每个点的高度H负荷，在空载时该点的理论高度为H空，则该点煤量的高度为

H负荷可通过实际测量获取，H空可通过在空载时扫描仪对转载机中部槽进行不断扫描、学习获取，通过学习获取一个标准值，在实际使用过程中H空就是该标准值。通过积分原理，将转载机处的煤量可以划分为无限个矩形进行计算，则单个矩形的面积为

再通过转载机运行的速度，即可获得转载机上煤量的体积V即

结合煤的密度以及转载机上煤的碎涨系数即可获得转载机上瞬时的煤量负荷M

式中，K为碎涨系数；ρ为煤的密度；V为体积。

3 实际应用情况

王家岭煤矿智能化开采工作面煤量扫描系统安装于顺槽转载机处，对转载机的瞬时煤量进行扫描，设备安装完毕后便进行设备调试及使用，设备外观及具体安装情况如图4所示。

图4 煤量扫描装置及井下安装使用情况

经过近两个月的使用，设备的检测数据基本能够反应转载机上煤量实时的变化情况，能够与当天的产量数据相匹配，具体监测界面及数据情况如图5所示。

图5 实际使用效果图

该装置根据实际的设备运行情况进行实时监测并显示、存储每天的煤量数据，经计算发现，每天的监测数据与实际的生产数据基本吻合，监测误差不大于10%，某一时间段内，具体监测数据如表1所示。

表1 某时间段内每天产量监测数据报

系统能够根据实时的煤炭产量将监测数据通过图标的方式进行显示，显示内容可以分为瞬时煤量值和累计煤量值，具体监测界面如表6和表7所示。

图6 累计煤量

图7 瞬时煤量

转载机还能够根据实时的负荷对转载机进行变频调速，当转载机负荷超过80%，进行第一档调速，当负荷值稳定在80%以下时维持原有速度。充分保证转载机的合理运量及负荷，让系统稳定运行，提高设备的运行效率。

4 结束语

煤量扫描装置能够通过对转载机处的煤量进行有效扫描，提供可靠的煤量负荷数据，对转载机的调速控制提供有效依据，保障了系统的稳定运行。但设备在使用过程中需要对空载和负载状态进行大量的建模学习，通过反复的验证才能够提供一组有效的数据。该数据能够与整个工作面的产量初步匹配，但其精确度及检验方法仍具有一定的提升空间。■