基于激光测距的矿用自适应带式运输监测法研究

张 强

中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400037

现代化矿井多数已完成机械化的转型，随着智能化的发展，越来越多的矿井开始进入智能化。现代化矿井多采用带式运输作为矿井原煤运输的主要方式，然而带式运输在运行中会产生大量的煤尘[1]。目前，处理矿井煤尘的方式仍以喷雾降尘为主，传统的喷雾降尘方式采用水路直接接通喷雾架，需要人工打开和关闭喷雾进行降尘，增加了大量的人力成本。新型的喷雾降尘采用控制箱和电磁阀或球阀控制喷雾开闭的方式，节省了人力成本的投入，但需对带式运输动作进行识别[2]。现有带式运输动作的识别，多采用带式启停的方式，控制喷雾的开闭[3]。但在实际的矿井环境中，运输巷只在输送带有运煤时产生大量煤尘，而在输送带空转时只产生少量的煤尘[4]。目前，煤矿井下输送带运煤监测方法采用直接接触煤块的触控传感器[5]，容易受到巷道风流的影响产生误报，且因其需要与煤块发生碰撞产生信号，在应用中易造成设备损坏，因此需要一种无接触的带式运输监测方法及设备。

笔者针对现有带式运输巷喷雾降尘的电控方式，提出采用激光测距原理区分输送带有煤、无煤和停止态，设计了一种基于激光测距的矿用自适应带式运输监测法 ABTM。

1 相位法激光测距的基本原理

激光测距是以激光作为光源对目标的距离进行测定的一种方法，具有精度高、延迟短、抗干扰能力强等优点，在航空航天、交通建筑、工业制造等领域有着广泛的应用[6]。随着工业自动化的发展，激光测距已被证明是一种高可靠度的非接触式检测手段。根据测量原理的不同，激光测距可分为飞行时间 (TOF)法和空间几何法，其中 TOF 法又包括 TOF 脉冲法和TOF 相位法。TOF 脉冲法是通过向目标发射一束光脉冲，光信号到达被测物体表面后发生漫反射，其中一部分光信号返回被探测器捕获，通过计算光脉冲从发射到接收的时间，就可计算出发射器到被测物体的距离。而 TOF 相位法是用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制，并测定激光信号往返一次的相位延迟，根据调制光的波长，进而间接得出激光器与被测物体的距离。与 TOF 脉冲法相比，TOF 相位法具有功率低、精度高的优点。因此，为保证激光测距的准确度，本研究采用 TOF 相位法作为激光测距的方法。激光测距工作原理如图1 所示。

图1 激光测距工作原理Fig.1 Working principle of laser ranging

激光测距是通过激光器向待测物体发射一束激光信号，并用另一个探测器进行回波信号的采样。激光器发射点处的光强S1与时间t的关系为[7]

式中：f0为调制信号频率，Hz。

光信号在t1时刻的光强

光信号到达被测物体的时间

式中：c为光在空气中传播的速度，m/s；d为发射器到被测物体的距离，m。

不考虑空气对光信号的影响，经 2Δt后，探测器接收点的光强

同理，t2时刻的光强

任意时刻的光强

发射回探测器接收点的回波光强

令t=ts+2Δt，则

由式 (1)、(8) 可知，回波信号与发射信号的光强对比，相位差为 Δϕ，结合式 (3) 可得

变换后可得到距离与相位差的关系为

2 矿用自适应带式运输监测方法

带式运输是煤矿井下运煤的主要运输方式，在各种井下煤矿中都有广泛应用。本研究主要针对井下输送带的运行状态进行监测，重点区分输送带停止、空转、运煤 3 种状态，并对输送带的不同状态分别给出信号，辅助自动喷雾等其他设备运行。

运输监测原理如图2 所示。将激光器、探测器和主控单元一起装在防爆外壳内，并安装在输送带上方支撑架上，激光发射口与输送带垂直安装。正常工作时，探测器进行回波采样，并传输给主控单元，主控单元根据式 (10) 计算探测器到输送带的距离并储存。

图2 运输监测原理Fig.2 Principle of transportation monitoring

自适应带式运输监测流程如图3 所示。ABTM 法的理念在于对同一测量点不同时间下的测距数据进行分析处理，得出此时测量点的测距数据是否存在较大相关性，进而判断此时的测量点为何种状态。经多次现场调研得出，当输送带处于停止态和无煤态时，在测量点获取的数据均具有较大的相关性；反之，处于有煤态的输送带，相关性则较低。

图3 自适应带式运输监测流程Fig.3 Adaptive belt transportation monitoring process

ABTM 法中初始参数包括样本数量H、阈值µ、触发下限I、触发数i、相关系数δ，hi为序列X中第i个元素，为序列X中各样本的期望。具体步骤如下。

(1) 初始化 输出非有煤运输态，触发数i清零，设定系统参数初值。

(2) 数据获取 采集一组距离数据，并对采样的数据进行中位值平均滤波，去掉一个最大值和一个最小值，取中间数据的算术平均值作为最终数据导出序列X，依次获取H个样本。

(3) 数据计算 计算序列X内样本的期望和方差，并计算相关系数。

(4) 数据判定 将相关系数与阈值进行比较，若δ＜µ，则触发数加 1；若δ≥µ，则输出非有煤运输态。

(5) 触发判定 判定触发数与触发下限的大小，若i≥I，则输出有煤运输态并清零I，之后返回步骤(2)。

3 试验分析

ABTM 法采用 TOF 相位和中位值平均滤波获取采样数据，并通过计算相关系数的方法判定矿井输送带运输态，有效解决了运输状态的无接触自适应监测。为验证本研究所述方法在实际矿井环境下的可靠性，选取陕西榆林曹家滩煤矿主运大巷作为试验场地，主运巷输送带的运行速率为 1.8 m/s，激光探头的采集频率设置为 10 Hz，即激光探头间隔 1 s 采集数据，并传输给主控单元，数据传输波特率设置为 9 600 bits/s。采用支撑架的方式将设备置于输送带正上方 2 m 处，分别记录了在输送带停止、空转、运煤 3 种情况下的测量数据。

输送带不同运输情况下的数据对比如图4 所示。由图4 可以看出，输送带在停止态时，测量数据会有较小的变化，这是由于受巷道风流、煤尘和水雾的影响；当输送带处于无煤运输态，即输送带空转时，测量数据会发生 2～3 cm 的变化，此时影响测量数据变化的主要因素为输送带的上下振动；当输送带处于有煤运输态时，输送带因运输煤块测量数据发生较大变化。

图4 输送带不同运输情况下的数据对比Fig.4 Data comparison of conveyor belt under different transportation conditions

采用 ABTM 法对输送带停止态、无煤运输态和有煤运输态的测量数据进行分析计算，得出在停止态时，δ＝0.008 7；无煤运输态时，δ＝0.087 6；有煤运输态时，δ=0.223 9。综合分析，设置阈值µ＝0.15。通过 ABTM 法可得，输送带处于停止态和无煤运输态时，δ＜µ；输送带处于有煤运输态时，δ≥µ。综上所述，随着输送带状态的变化，由 ABTM 法可得此时输送带的运行状态，且可以有效避免实际应用环境中发生数据突变所导致的错误运行状态输出。

4 结语

通过采用 TOF 相位法获取原始数据，并结合中位值平均滤波法减少了数据突变的发生，通过判断相关系数，最终得出输送带运输状态。试验证明了实际矿井环境下 ABTM 法的可靠性。根据 ABTM 法可有效获取输送带的实时状态，并避免了数据突变的发生。ABTM 法将激光测距引入输送带运行状态监测领域，实现了无接触运输状态监测，为输送带监测的安全、稳定运行提供了保障。