基于超声波测距的皮带运输机故障检测系统设计

发布时间：2021-12-07

　　摘　要：根据超声波的特质，笔者设计了基于超声波测距的皮带运输机故障检测系统。硬件部分设计了供电电路，设置了本安测距，安装了超声驱动，调节了光耦转换器;软件部分首先采用GM31010接收电路信息，其次放大筛选故障电路，最后比较了故障电路峰值，实现了故障检测。实验结果显示，所设计的超声测距皮带运输机故障检测系统运行良好，能够满足工业的基本测距要求，可以准确地检测出皮带运输机的故障。

　　关键词：超声波测距;故障检测;光耦转换器;系统设计

　　0　引言

　　随着电子技术的快速发展，非接触式距离测量方法的发展速度也逐步加快。在此背景下，激光、微波雷达、红外以及超声测量方法也相继出现。其中：激光测距的操作相对简单，受环境影响较大，成本较高，后期维护非常不便，但由于测量精度较高，得到了广泛应用[1-2]，主要应用于军事领域;红外测距仪拥有价格低廉、制造简单和使用安全等优点，但是精度低，所以检测时的方向性很差;超声波测距仪拥有非常明显的传播优势，在各种介质都可以传播，甚至在生物体内或者很恶劣的条件中也可以传播，这是其他测量技术无法实现的。

　　1　硬件设计

　　1.1　设计供电电路

　　对于简单的供电回路，首先需要计算正常运行电流和故障状态电流，然后设置最小点火电流值[3]。在简单电路中，E代表电源电压，Ri代表内阻，Re代表负载电阻。

　　1.2　设置本安测距

　　动态伏安特性模型的最大优点是电弧电压和电流具有准确的数学表达式，理论测量与实际测量值吻合良好，火花试验的非爆炸检测本安性能可用能量测定代替[4-5]。因此，复杂电路的放电模型如下：首先，输入参数，使用设定的定律求解设定模型的参数，以此构建微分方程;其次，建立另一模型方程，并根据时间函数的电压和电流利用电路的初始条件进行求解;最后，根据测得的分支电路参数校正伏安常数。

　　1.3　安装超声驱动

　　安装超声驱动需要选取常用的超声波测距系统[6]，以此进行驱动。超声波转换器是一种转换能量的设备，转换的能量主要包含机械能、电能等，按照转换的原理将转换器分成压电、磁伸缩以及电磁换能器[7]。换能器的工作状态是需要振动区别换能器的工作情况，根据状态可以划分成接收状态和发送状态，每种状态的指数划分不一致。

　　1.4　调节光耦转换器

　　高驱动电压是测距系统中换能器所需的条件，通过输出与输入电压变换器实现。驱动器通过电压转换实现电能转换，电压转换的形式主要是由低压升为高压状态或者原本是高压状态的信号会变成脉冲状态。与此同时，电源供应的电压也要格外注意其安全指数。

　　2　软件设计

　　2.1　采用GM31010接收测距信息

　　GM3101的优点如下：第一，实现了芯片的智能化，即利用超声波基本特征和环境实现智能化;第二，芯片使用4个巡回驱动输出，不仅可以放大不同幅度的回波，还可以减少同时驱动4个通道时的驱动能量消耗。除了上述优点之外，在使用GM3101的集成芯片时，该系统的主要部分和具体电路还需要依靠辅助设备和连接配置进行设计。

　　2.2　放大筛选故障电路

　　根据GM3101芯片内部所设的各功能模块，R41、R42的值需要额外设置且不能太小，能保证其在U4、U41、U42这几种放大器中均能产生偏置电压。C42代表钽电容，选取该电容是为了保证输出电压值处于稳定状态。在电路上设置C41和C42两个电容进行滤波，主要为了吸收超声波的回波，使其不受到放大电路的干扰。

　　2.3　比较回波故障电路峰值

　　对检测出的信号进行重新处理，采集各个检测峰值并转化成为可以记录的电压回波数字信息。对检测出的信息进行重新处理，由于回波信号的振幅是不同的，所以通常用来检测回波数字信息的时间。本文设计的测距系统能够满足集成电路的要求，因此对精确度无明确要求，本文设计的峰值检测电路如图1所示。

　　在峰值检测电路中，电阻R60、R61能够对供电电压VCC进行分压，C51为滤波电压，C52为峰值电容。二极管的作用就是在电流信号即将输出时进行送电，电阻充放电需要通过释放储存的电荷实现，准备过程完毕后再对输出峰值进行测试。GM3101端口是电荷释放的主要端口。通过比较器进行模数转换，将处理后的信息进行数字转化，转化后再进行传输，输送到GM3101芯片运算器里进行内部计算。

　　2.4　实现超声波测距故障检测

　　危险等级可以分成4种，这4种危险等级需要利用辅助工具进行重新编排。将代码传输到液晶显示器，根据测试的距离值、测试的方向将汽车附近的图像显示器作为设计的液晶显示器。首先需要显示测距危险级别，其次需要划分左前、右前的距离测量危险指数，最后需要根据显示的数据对危险级别进行重新划分[8-10]。

　　3　实验研究

　　3.1　实验准备

　　首先，将本质安全电路设计的要求与本文设计的电路进行融合，搭建了试验测试平台，该平台选取PCB电路板，并将光学平台与铁板障碍物进行整合。其次，建立基于Max14753的本安超声驱动装置，经该电路板连接外围电路和芯片GM3101，连接后进行回波处理。最后，将两种驱动装置的外围电路进行超声障碍驱动测试，检测其回波处理后的电路状态;将外围电路与供电驱动电路组合连接，连接后进行信号与波形测试，检测其本安电路的信号和回波波形。

　　3.2　实验结果

　　表1是各个组件正常和非正常工作时的最大储能值。

　　如图2所示，横坐标代表各个元件的序号，纵坐标则代表最大储能值，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表供电电路、回波处理电路以及驱动电路的区间。

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　　从图2可以看出，二者之间的差距并不大，相较于国际所规定的最小点燃能量来说都偏小，全部都符合相关的规定和要求，因此得出所设计的系统符合检测需求，可以准确测出皮带运输机的故障。

　　4　结　语

　　本文设计了基于超声波测距的皮带运输机故障检测系统，并将本质安全电路设计的要求与本文设计的电路进行融合，搭建了试验测试平台。该系统经过实验证明其符合目前的国家要求且性能良好。——论文作者：宋聪惠