光電碼盤(pán)技術(shù)在尾礦庫(kù)高程測(cè)量中的應(yīng)用

引言

目前，我國(guó)尾礦庫(kù)數(shù)量多、分布廣。尾礦庫(kù)的安全關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)及環(huán)境的安全，故而搞好尾礦庫(kù)的安全監(jiān)測(cè)意義重大?，F(xiàn)在多數(shù)尾礦庫(kù)都開(kāi)始采用現(xiàn)代通信、電子設(shè)備及計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)。高程測(cè)量是尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要檢測(cè)項(xiàng)目。高程測(cè)量的方法有很多種，比如激光測(cè)距、超聲波測(cè)距等。激光測(cè)距質(zhì)量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單、速度快而準(zhǔn)確，但尾礦庫(kù)一般都是因山勢(shì)筑壩而成，在放礦時(shí)，泥漿四濺，使得激光測(cè)距的發(fā)射、接收面容易沾染灰塵、泥漿，從而影響測(cè)距能力，而且激光在測(cè)距時(shí)的瞬間電流很大，對(duì)電源的品質(zhì)要求較高；另外,激光測(cè)距儀的正常工作溫度范圍在0?40之間，無(wú)法完全滿足工作環(huán)境溫度的需求。超聲波測(cè)距存在的主要問(wèn)題是聲波發(fā)散角大，測(cè)程短，易受溫度、風(fēng)力、濕度影響，誤差大,所以超聲波測(cè)距在尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中也不實(shí)用。本文所講述的光電碼盤(pán)測(cè)距法克服了以上兩種測(cè)距的缺點(diǎn)，相關(guān)產(chǎn)品已用于幾十家尾礦庫(kù)，長(zhǎng)期穩(wěn)定工作已長(zhǎng)達(dá)幾年。

1工作原理

系統(tǒng)接通電源后，控制器主程序開(kāi)始工作，主控器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。碼盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電接收器接收到的光會(huì)發(fā)生明暗變化，從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)數(shù)據(jù)。此信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)光電信號(hào)處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)被送入主控器，主控器將脈沖數(shù)依據(jù)計(jì)算公式進(jìn)行記錄計(jì)算后，得到對(duì)應(yīng)的距離值。其工作原理圖如圖1所示。

2光電碼盤(pán)計(jì)數(shù)

光電測(cè)距的關(guān)鍵是光電計(jì)數(shù)。光電計(jì)數(shù)由紅外發(fā)射、紅外接收、計(jì)數(shù)碼盤(pán)和整形電路構(gòu)成。圖2所示是用光電碼盤(pán)計(jì)數(shù)的示意圖。紅外發(fā)射器發(fā)射出紅外光，當(dāng)碼盤(pán)沒(méi)有被遮擋時(shí)，紅外接收器接收到對(duì)應(yīng)的光信號(hào)；當(dāng)碼盤(pán)被遮擋時(shí)，接收器接收不到對(duì)應(yīng)的光信號(hào)。前者設(shè)定為“0”，后者設(shè)定為“1”，經(jīng)整形單元的處理變成對(duì)應(yīng)的連續(xù)脈沖。

圖2光電碼盤(pán)計(jì)數(shù)原理圖

該碼盤(pán)上分為透光區(qū)域和不透光區(qū)域，它們是等間隔排列的。碼盤(pán)被安裝在紅外發(fā)射器與紅外接收器之間。碼盤(pán)透光和不透光區(qū)域的間隔大小直接影響到測(cè)量精度。間隔大，易于加工，精度低；間隔小，加工難度大，精度高，成本增大。碼盤(pán)的間隔依據(jù)實(shí)際測(cè)量精度和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸來(lái)確定。當(dāng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，在接收器上會(huì)產(chǎn)生明暗變化，紅外接收器將這種變化進(jìn)行處理后，輸出對(duì)應(yīng)的波形。圖3所示是其波形圖。

圖3波形圖

該波形經(jīng)整形電路進(jìn)行整形后，便可以生成主控器需要

的波形。其具體的整形電路如圖4所示。

在整形電路中設(shè)置50mV的直流基準(zhǔn)，這個(gè)直流基準(zhǔn)是為剔除小的噪聲干擾而設(shè)定的。C3電容的作用是為了隔斷直流信號(hào)，只讓交流通過(guò)。經(jīng)整形后，其波形將變換為方波,具體如圖5所示。

波形經(jīng)整形后，即可送入主控計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并計(jì)算出具體的距離值。

圖5整形前后比較

3數(shù)據(jù)處理

經(jīng)整形后的脈沖送入控制器中的計(jì)數(shù)器，再由主控器的運(yùn)算器計(jì)算出距離值。計(jì)數(shù)單元用的是T0計(jì)數(shù)器，工作模式是1，TLn與THn組成16位加法計(jì)數(shù)器。圖6所示是T0計(jì)數(shù)器的工作模式1，計(jì)數(shù)范圍為0?65535。在本系統(tǒng)中，一個(gè)脈沖是2.656mm，65535個(gè)脈沖的距離是174.061m，而高程的實(shí)際距離是6m，因此，完全可以滿足距離范圍的需要,且可以為今后增加距離值而進(jìn)行擴(kuò)展。

圖6T0工作模式1

4驅(qū)動(dòng)單元

驅(qū)動(dòng)單元中用的是直流電機(jī)。電機(jī)按驅(qū)動(dòng)形式分步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)。直流電機(jī)由電壓控制其位置與速度，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)較簡(jiǎn)單，體積可以很小，但是定位精度不高。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確定位，但是驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，體積比直流電機(jī)大。經(jīng)綜合考慮后，選用直流電機(jī)。直流電機(jī)在切斷電壓后，電機(jī)不能夠馬上停止，在慣性的作用仍處于發(fā)電狀態(tài)，這樣就會(huì)帶來(lái)很大的距離誤差。因此，只有當(dāng)直流電機(jī)在斷開(kāi)電源時(shí)能夠快速制動(dòng)，才能夠精確定位。直流電機(jī)制動(dòng)有很多種方法，如機(jī)械法、短接法、反接法等。在本單元中使用短接法，電路原理如圖7所示。

在驅(qū)動(dòng)電路中，可用74HC138來(lái)確定電機(jī)的工作狀態(tài),其真值表如表1所列。

表1真值表

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)4=0,&=0時(shí),Y0、匕、Y2均為1，Y3為0。當(dāng)Y1、Y2為1時(shí),0、Q處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)加在電機(jī)兩端的電壓被斷開(kāi)。Y3為0時(shí)，繼電器J的常閉點(diǎn)合上，將電機(jī)兩端短路，消耗掉多余能量，電機(jī)立刻處于停止?fàn)顟B(tài)。

5結(jié)語(yǔ)

光電碼盤(pán)測(cè)距法雖然在測(cè)量精度上沒(méi)有激光測(cè)距的精度高，但是可以完全滿足尾礦庫(kù)的高程測(cè)量精度，而且工作可靠，抗干擾性高，使用壽命長(zhǎng)，滿足工作環(huán)境的要求。光電碼盤(pán)測(cè)距的供電采用了太陽(yáng)能板供電，保證了在野外工作環(huán)境條件下，測(cè)距系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期正常工作。光電碼盤(pán)計(jì)數(shù)測(cè)距是一種簡(jiǎn)便、實(shí)用、可靠的測(cè)距方法，最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以勝任在惡劣環(huán)境下，長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。目前，這種測(cè)距方法已廣泛應(yīng)用于全國(guó)很多個(gè)尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

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