电场感应式料流传感器设计.pdf

第 4 2卷 第 4期 2 0 1 6年 4月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Au t o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 4 Ap r ． 2 0 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 4 0 0 2 7 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 ～ 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 0 7 谭长森 ， 倪春明． 电场感应式料流传感器设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 4 2 7 3 0 ． 电场感应式料流传感器设计 谭长 森 ， 倪春 明。 1 ． 中煤科工集团常州研究院有 限公司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化股份有限公 司， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 3 ． 中煤科工集团上海有限公 司 检测技术研究 中心，上海2 0 1 4 0 1 摘要 针对现有开关式和压力式料流传感器存在 易磨损、 可靠性差的问题 ， 设计 了一种电场感应式料流 传 感器 。该传 感 器采 用 内置 电场 感应 式智 能芯 片作 为感应 元 件监 测 电场 电参数 ， 利 用单 片机 采 集 和 处理 电 场电参数 ， 通过电参数变化经内部数据处理输出胶 带有料 、 无料信 号。现场 实验 结果表 明， 该传感器能够准 确检测运动或者静止的胶带上有无物料 ， 完全满足现场实际应用的需求， 具有非接 触检测、 无磨损、 使 用寿命 长 、 信号 稳 定可靠 的特 点 。 关键 词 带式 输送机 ；物料检 测 ； 料 流传 感 器 ；电场 感应 ；信 号处理 中图分类 号 TD 6 3 2 文 献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 - 0 4 0 5 1 l 2 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i 。 n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 4 0 5 ． 1 1 2 5 ． 0 0 7 ． h t ml De s i g n o f r n a t e r i a l f l o w s e n s o r ba s e d o n e l e c t r i c f i e l d i nd uc t i o n TAN Cha n gs e n 一， NI Chu nmi ng 。 1 ． CCTEG Ch a n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ， Ch i n a ； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co． ，L t d ． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ， Ch i n a ； 3． Te s t i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h Ce n t e r ，C CTEG S h a n g h a i Co ． ，Lt d ． ，S h a n g h a i 2 0 1 4 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t he p r ob l e m t h a t e xi s t i n g s wi t c h t y p e a nd p r e s s ur e t y pe m a t e r i a l f l o w s e ns o r s a r e e a s y t o we a r a n d ha v e po o r r e l i a bi l i t y， a ki n d of m a t e r i a l f l o w s e ns o r ba s e d o n e l e c t r i c f i e l d i n duc t i o n wa s 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 0 9 ； 修 回 日期 2 0 1 6 0 2 - 0 3 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 科技部科研 院所创新资金项 目 2 O 1 4 E G1 2 2 1 9 8 ； 天地 常州 自动化股份有限公 司研发项 目 1 2 S Y0 1 3 。 作者简介 谭长森 1 9 8 3 一 ， 男 ， 江苏邳州人 ， 工程师 ， 现主要 从事矿 山机电设备控制方面 的研发和推广工作， E - ma i l t c s 1 9 8 3 1 2 6 ． c o rn。 应变传感器测量与不同链条啮合的链轮轮齿受力面 的应变 ， 及时检测出刮板输送机是否存在链条断裂 隐患， 且能准确判断哪根链条发生断裂。该 系统可 以在链条全部断裂前发 出报警信号 ， 避免 了刮板输 送机链条全部 断裂 引起 的设备严 重损坏 和经济损 失 ， 具有灵敏度高、 准确性高的特点 。 参考文献 [ 1 3 [ 2 ] [ 3 ] 朱建 江． 刮板输送 机断链故 障分析 及处 理措施 [ J ] ． 能 源与节能 ， 2 0 1 5 7 1 0 4 1 0 5 ． 刘灵伟． 刮板输送机断链的原因及对策[ J ] ． 黑龙江科 学 ， 2 0 1 4 ， 5 1 1 1 1 ． 刘广鹏 ， 王学 文， 杨兆建 ， 等． 刮板输送机链传动系统 动 力学特性分析[ J ] ． 机械传动 ， 2 0 1 4 7 1 1 5 1 1 8 ． 郭忠． 刮板输送机链轮链 条啮合 特性仿真研 究[ D ] ． 西 安 西安科技大学 ， 2 0 1 1 ． 顾铭 ， 洪 明， 宋 鸣． 虚拟样机技 术及其在 A DAMS中的 应用l- J ] ． 成都电子机械高等专科学校学报， 2 0 0 5 4 1 4． 郭忠， 龚晓燕 ， 陈贺． 刮板输送机链轮传动系统动力学 仿真分析[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 0 ， 3 1 9 6 8 7 1 ． 安雪斌 ， 潘尚峰． 多体系统动力学仿真中的接触碰撞模 型分析[ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 8 ， 2 5 1 0 9 8 1 0 1 ． 杨俊燕 ， 任家骏 ， 张 明， 等． 基于 MS C ． AD AMS软件仿 真 的关键 问题 [ J ] ． 机 械 管 理开 发 ， 2 0 0 8 ， 2 3 3 1 8 5 一 】 86 ． ] ] ] ] ] 2 8 工 矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 d e s i g n e d．Th e s e n s o r a d o p t s s ma r t c h i p wi t h b u i l t i n e l e c t r i c f i e l d i n d u c t i o n a s s e n s i n g e l e me n t t o mo n i t o r e l e c t r i c pa r a m e t e r s o f e l e c t r i c f i e l d， a nd u s e s s i ng l e c hi p m i c r oc o m p ut e r t o c o l l e c t a nd pr o c e s s e l e c t r i c p a r a m e t e r s o f e l e c t r i c f i e l d，a nd ou t pu t s i gn al s i nd i c a t i n g wh e t he r t he r e a r e m a t e r i a l o n t he b e l t t hr o u gh c ha ng e o f e l e c t r i c a l pa r a m e t e r s a n d i nt e r n a l da t a pr o c e s s i ng．The f i e l d t e s t r e s ul t s s h ow t ha t t h e s e ns or c a n a c c u r a t e l y d e t e c t ma t e r i a l o n mov i n g or s t a t i o na r y b e l t ， me e t s ne e ds of p r ac t i c a l a pp l i c a t i o n，w h i c h h a s c ha r a c t e r i s t i c s of n on - c on t a c t d e t e c t i on，n o we a r ，l o ng 1 i f e，s t a b l e a nd r e l i a b l e s i g na 1 ． Ke y wo r ds be l t c on ve y or ； ma t e r i a l s de t e c t i o n； ma t e r i a l f l o w s e ns o r； e l e c t r i c f i e l d i nd uc t i o n； s i g na l p r o c e s s i n g 0 引言 1 电场感 应原 理及 电场 成像 器件 近几 年 ， 中 国 的煤 炭 、 水 泥 、 电力 等 工 业 得 到 了 迅猛发展 ， 煤炭需求量非常大 ， 煤矿普遍采用带式输 送机担当传送重任 。在带式输送机输送煤炭、 矿石 等大宗散状物料的场合 ， 经常需要及 时了解胶带上 物料 所在 的位 置 ， 从 而 根 据 物料 位 置 情 况 来 判 断 是 否需开启前端胶带， 以达到节能减排、 完善生产管理 和及 时控 制 的 目的 。 判断料流位置的方法之一是给带式输送机加装 料流检测装置 。目前 ， 常用的料流检测方法采用的 传感器有倾斜 开关式料流传感器 和压力式料 流传 感器 。 倾斜 开 关 式 料 流传 感 器 用 一 根 吊杆 吊在 胶 带 的上 方 ， 当胶 带上 无物 料 时 ， 吊杆 自由下 垂成 竖直 状 态 ， 输出无料信号 ； 当胶带上有物料时 ， 吊杆被物料 推成倾斜状态 ， 输 出有料信号 。这种传感器 的优点 是简单且易实现 ； 缺点是 吊杆易被磨损导致使用寿 命短 ， 遇到颗粒较大的物料时吊杆易跳动 ， 导致检测 可靠 性差 。 压力式料流传感器 是一只带轮子的压力检测 装置， 紧贴着胶带安装 。胶带 上无物料时 ， 压力较 小 ， 输出无料信号 ； 胶带上有物料 时， 压力较大， 输出 有料信号 。这种传感器 的优点是简单且易实现， 虽 然轮 子 和轴 承存 在磨损 现 象 ， 但 是 比吊杆 式 耐磨损 ； 缺点是随着气温的变化 ， 当胶带硬度和张力发生变 化时 ， 会影响料流检测效果 。 基于以上 2种传感器 的缺点 ， 本文设计 了一种 电场感应式料流传感器 。该传感器 内置电磁感应式 智能芯片， 安装在上胶带下面 ， 传感器的检测面不与 胶带接触 ， 根据检测面上方胶带上有 、 无物料， 电场 的电参 数会 发生 变 化 ， 通 过 电参 数 变化 经 内部 数 据 处理输 出有料 、 无料信号 。该传感器具有非接触检 测 、 无磨损 、 使用寿命长 、 无需设置调试 、 信号 自修正 功能 ， 输出信号稳定可靠 。 1 ． 1 电场感应 原 理 电场感应的基本思想是利用电容的电场感应效 应l 1 ] ， 即通过电阻给电容的一个电极施加交流激励 ， 在金属试片上建立均匀 电场 ， 不 同的物体 目标接入 均匀电场后 ， 由于 目标 的介电常数 、 物理状态等的不 同， 电场会体现 出不同的等效 电容特性 ， 周围的电场 也 会发 生改 变 。 电场 感应 原理 如 图 1 所 示 。 图 1电场 感 应 原 理 信号发生器产生一个低频正弦波， 通过电阻 R 加 载 到激励 电极 上 ， 不 同的介 质靠 近该 电极 时 ， 电极 周 围 的 电场 强度 会 发 生 变 化 ， 表 现 为 电极 上 的 电压 随电极 与虚 地构 成 的 电容 变 化 ， 电容 变 化 导致 A 点 对地电压 变化 ， 对 A 点变化 的电压分量进行整流、 滤波后送入信号采集 电路 ， 根据输出信号， 便知道是 否有介质进入电场 ， 并可将靠近该电极 的介质分辨 出来 。 1 ． 2 电场 成像 器件 电场成像器件 MC 3 3 7 9 4用于测量非接触物体 存在与否【 2 ] 。MC 3 3 7 9 4原理很简单 ， 器件 自身可 以 产生低 电平 电场， 所有功能都 由内部芯片实现 ， 物体 在电场 中移动时 ， 就会造成 电场负载 。根据负载 的 不同可 以判断是否有物体和物体 的种类 ； 而且产生 的波的频率也可以通过电阻等进行设定 ， 最理想 的 频 率 应该 为 1 2 0 k Hz 。 由于 该 波 含 有 谐 波 成 分 ， 所 以基 本不会 受谐 波 的干 扰 。 MC 3 3 7 9 4工作 原 理 如 图 2所 示 。MC 3 3 7 9 4发 射一个低频正弦波 ， 用来驱动电极， 当介质进入电场 中导致电场的电极发生变化时 ， 所对应的 电容也会 2 O 1 6年 第 4期 谭 长森等 电场感应 式料 流传 感 器设 计 2 9 发生变 化 ， 且 经测 定 ， 电压和 电容成 反 比 ， 电压增 加 ， 则 电 容 下 降。检 波 器 和 低 通 滤 波 器 都 安 装 在 MC 3 3 7 9 4里 面， 只 需 要 外 加 与 之 相 匹 配 的 电容 即可 。 5 v 此处电压与 电容成反比 图 2 MC3 3 7 9 4工 作 原 理 MC 3 3 7 9 4 有 如 下 特 点 ① 有 基 本 的上 电 复 位 和看 门狗监 控 ， 有 自带 节点 可 以进 行 范 围很 广 的 测 量， 能够调节外部电阻以产生正弦波。② 可以输 出 5 V 电源到 外部 电源稳 压 电路 ， 最 多有 9个 电极 ， 可以用屏蔽的 同轴电缆构成 电极驱动器 。③ 对外 部处理器的要求很低 ， 最低只需有 8位 AD转换接 口即可 。 2料 流传 感器硬 件设 计 电场感 应式 料 流 传 感器 由基 于 MC 3 3 7 9 4的测 量探 头、 信 号处理 电路_ 3 和数据传 输 电路 等部 分 组 成 。 2 ． 1信号 处理 电路 MC 3 3 7 9 4与微处 理器 连接 电路 如 图 3所 示 ， 设 计 中使用 的微处理器是 P I C 1 8 F 2 4 8 0单片机[ 4 ] ， 该 单片机 A D转换接口为 1 O 位 ， 电容分辨率为 0 ． 1 p F， 可以分辨出有无物体从胶带上方通过 。 图 3 MC 3 3 7 9 4与微处理器连接 电路 从图 3可 以看 出， MC 3 3 7 9 4使用很方便 ， 只需 外接少量电容 即可工作 ， 本设计用 9根屏蔽同轴电 缆作为电极 ， 铺设于胶带下方。 典 型应 用 中 R E F A 和 RE F B两 个 管 脚 外 接 固定的电容 。电容值为被测物体电极的最小电容和 最大电容 R E F A外接 1 0 F电容 ， R E F B外接 1 0 0“ F电容 。该 电容对应 的电压值作为电路 的基 准 电压 。在 电场感应式料流传感器设计 中， 选取煤 炭作为 被测物 体， 根 据煤 炭 的导 电性 ， R E F A 和 REF B的电容值分别选择为 1 0 F和 8 0 F 煤 的 导 电性 根据 煤块 的 大 小 、 煤 块 的含 水 量 及 煤 块 的 杂 质 不 同而不 同 。 2 ． 2数 据 传 输 电路 经过单片机处理后的数据可以就地用指示灯进 行 指示 有 煤 指 示 灯 亮 ， 无 煤 指 示 灯 灭 ， 也 可 经 过 RS 4 8 5 、 无源开关量等形式远程传递 到第 三方进行 处理。R S 4 8 5 数据传输电路 如图 4所示。 图 4 R S 4 8 5 数 据传 输电路 经单片机处理后 的数据转换 为 RS 2 3 2传 输格 式 后 ， 通 过 隔 离 芯 片 ADUM1 2 0 1隔 离 后 ， 再 经 过 RS 4 8 5接 口芯 片 MAX 3 0 8 2将 R S 2 3 2信号转 换为 RS 4 8 5信号 后进 行传 输 。 很多现场只需要 了解胶带上方有无料流经过 即 可 ， 不需 要 知道 比如料 流厚 度 、 胶 带 速 度 这些 参 数 。 针对这一需求 ， 传感器增加 了无源开关量 的输 出接 口， 原 理如 图 5 所 示 。 f 、 图 5 数据 开关量传 输原 理 利用单 片机的一个 开关 量 I ／ O 口来实现 光继 电器 E 的断开和闭合 。需要说 明的是 ， 由于料流传 感器实验地点为煤矿 ， 按照国家规定 ， 该传感器防爆 形式设计为矿用本质安全型 ， 光继电器 E 的节点输 出也为矿用本质安全型 ， 这就要求接人该节点设备 3 0 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 的接 口也必须是矿用本质安全型， 否则不能接入该 节点信号 。 3料流 传感 器软 件设 计 电场感应式料流传感 器 P I C单 片机数据处理 软件分为数据采集 、 数据转换 、 就地显示 、 远程传输 等部分 ， 主程序流程如图 6 所示。 图 6 电场感 应式料流传感器主程序流程 MC 3 3 7 9 4自动扫描 9个 电极 的电容值并传输 给单片机 ， 单片机比较基准 电容值和探 头传输 的电 容值的差别 ， 以区分是否有物体经过胶 带上方- 6 。 ] 。 单片机处理后 ， 判断有无物体 ， 以驱动指示灯是否点 亮 ， 开关量节点是否闭合 ， 并通 过 RS 4 8 5接 口进行 远 程 传输 。 4现 场验 证 分别在实验室和现场对电场感应式料流传感器 进 行 了综 合 实 验 。 电场 感 应 式 传 感 器 安 装 示 意 如 图 7所 示 。 图 7 电场感应式传感器安装示意 上胶带的下面安装一 台电场感应式料 流传感 器 ， 传感器的检测面不接触胶带 。当胶带上没有物 料经过时， 传感器 的 电场保持不 变； 当有 物料经过 时 ， 传感器 电场 的电参数会发生相应 的变化 。根据 电参 数变 化 的强度 就 可 以 分 辨 出是 否 有 物 料 ， 经 过 程序处理输出相应的信号。实验室实验和现场应用 证 明， 电场感应式料流传感器能够准确地检测运动 或者静止的胶带上有无物料 ， 完全满足现场实 际应 用的需求 。 5 结语 电场感应式料 流传感器采用 MC 3 3 7 9 4电场成 像器件作为感应元 器件 ， 利用 P I C1 8 F 2 4 8 0单片机 采集和处理数据 ， 经过特定 的算法把电容值 的变化 转换为胶带上有无物料的信号 。处理后的数据既可 以就地显示 ， 也可 以远程传 递到第三方显示。该传 感器 已在 不 同工业 场 合 、 不 同环 境 下进 行 了实 验 验 证 。实验结 果 表 明 ， 该传 感器 可 以准确 、 快 速地测 量 出胶 带上 方有 无物料 ， 为 企业 的节 能减 排 、 安全 生产 提供了可靠保障。 参 考 文 献 [ 1 ] 台闯 ， 郑 丽群 ， 杨永宽 ， 等． 基于 电场感应技术 的储罐腐 蚀泄漏 检测 方 法 的 研究 [ J ] ． 腐 蚀 科 学 与 防护 技 术 ， 2 O l O， 2 2 3 2 1 1 - 2 1 5 ． r 2 ] F r e e s c a l e S e mi c o n d u c t o r I n c ． MC 3 3 7 9 4 a d v a n c e i n f o r ma t i o n r e e s a | e s e mi c o n d u c t o r r E B ／ O L ] ． 2 0 1 4 0 4 1 0 [ 2 0 1 5 1 2 1 0 ] ． h t t p ／ ／ w ww ． d a t a s h e e t l i b ． c o rn／ d a t a s h e e t ／ 5 0 8 7 7 ／ mc 3 3 7 9 4 一 f r e e s c a l e -一 s e mi c o ndu c t o r ． h t m1 ． [ 3 ] 康华光． 电子技 术基础模 拟部分 [ M] ． 4版． 北 京 高等教育出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] Mi c r o c h i p Te c h n o l o g y I n c ．2 8 ／ 4 0 ／ 4 4 -一 P i n e n h a n c e d fl a s h mi c r o c o n t r o l l e r s wi t h E CAN t e c h n o l o g y ， 1 0 一 Bi t A ／ D a n d n a n o Wa t t t e c h n o l o g y - P I C1 8 F 2 4 8 0[ E B ／ O L ] ．[ 2 0 1 5 1 2 一 l O ] ． h t t p ／ ／ w ww． a l l d a t a s h e e t ． c o rn／ v i e w． j s p S e a r c h wo M PI C1 8 F2 4 8 0 ． [ 5 ] 王静． 基 于单 片机 的数据 串 口通信 I- D] ． 重 庆 长 江大 学 ， 2 01 3 ． 1- 6 ] 张皆喜 ， 王 茂凌 ， 张瑜． P I C系列 单片 机 C语 言编 程与 应 用实例[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 7 ] 李红 ， 赵玉新 ． 软件开发流程实训 I M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 5 ．