用于煤矸識別的振動傳感器設計

曹貫強， 尉瑞， 孟祥濤， 趙文生， 劉清

(1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013；2.中煤華晉集團有限公司 王家?guī)X礦，山西 河津 043300)

0 引言

綜采放頂煤是厚煤層開采技術之一，底部煤層按傳統(tǒng)方法開采，頂部煤炭在礦壓作用下自動落下。該技術開采效率較高，在國內煤礦中得到了廣泛應用。但是在頂煤下落過程中，頂部的矸石也會隨之掉落，嚴重影響煤質。因此，如何自動、準確地進行煤矸識別，實現(xiàn)高效、可靠、自動化放頂煤開采，已成為世界各國重點研究的問題。國外主要采煤大國采用了伽馬射線、紅外技術、視頻攝像、雷達探測等技術進行煤矸識別，并取得了一定的實際應用效果，但同時這些方法又具有各自的局限性，導致無法大規(guī)模應用，如伽馬射線成本太高且對人體有害，紅外技術受環(huán)境溫度影響較大，雷達探測在煤層較厚時信號衰減嚴重，無法識別。國內煤矸識別技術整體上還處于研究試驗狀態(tài)，沒有成套的煤矸識別解決方案，僅在一些文獻研究中提到可以利用聲音、振動、圖像等技術進行煤矸識別[1-2]。其中，聲音技術成本低、難度小，但受外界聲音信號干擾嚴重；圖像技術在煤矸顏色差別大時有效，但受粉塵、光線因素影響較大；振動技術具有聲音技術的優(yōu)點，同時又可以避免環(huán)境噪聲干擾，具有較高的檢測精度。

在上述研究的基礎上，本文設計了一種用于煤矸識別的振動傳感器，通過選用合適的單片機及加速度計，采集頂煤及矸石下落過程中支架尾梁的振動數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)诫娨嚎刂葡到y(tǒng)控制器進行分析處理，達到煤矸識別的目的。

1 煤矸識別原理

頂煤和矸石的性能有所不同，其落到液壓支架尾梁上時產生的振動信號也表現(xiàn)出不同的特性[3-5]。頂煤落下時產生的振動信號頻率主要集中在100～600 Hz，煤矸同時落下時產生的振動信號頻率主要集中在1 kHz左右[6]；頂煤落下時產生的振動信號最大振幅為0.036 dB，而矸石落下時產生的振動信號最大振幅為0.068 dB[7]。因此，在液壓支架尾梁的腹板處安裝振動傳感器[8-9]，對頂煤或矸石砸到液壓支架上產生的振動信號進行感知，通過信號處理和分析可辨識出放煤過程中的煤塊和矸石，達到自動化放頂煤的要求。

由于振動頻率信號無法直接檢測，本文利用加速度計通過間接方式測量。頂煤與矸石下落時，會對支架的尾梁產生力學作用，造成尾梁振動。將加速度計安裝在尾梁上，加速度計會隨著尾梁的振動而不斷改變其輸出值，通過處理器實時采集該加速度數(shù)據(jù)，便可獲取尾梁的振動信號。

2 振動傳感器設計

2.1 硬件設計

振動傳感器由處理器模塊、通信模塊、加速度計模塊、電源模塊和看門狗模塊組成，如圖1所示。加速度計用于采集振動信號，并對采集數(shù)據(jù)進行前端濾波處理，剔除電信號噪聲；處理器對振動信號進行頻譜分析，確定信號數(shù)據(jù)特征[10-13]；最后將該數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娨嚎刂葡到y(tǒng)控制器，實現(xiàn)煤矸識別。

圖1 振動傳感器硬件結構

處理器模塊采用低功耗STM32芯片，其在運行模式下最低功耗僅為39 μA/MHz，同時具有1 MB Flash和128 kB SRAM的大容量存儲，能夠滿足大容量實時數(shù)據(jù)存儲及雙應用程序管理的要求；另外，其內部支持FPU(浮點運算單元)和DSP(數(shù)字信號處理)庫，能夠為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供便捷途徑。通信模塊采用LTC2854，將處理器的串口數(shù)據(jù)轉換為RS485數(shù)據(jù)，與外部控制器進行通信，實現(xiàn)傳感器參數(shù)配置與檢測數(shù)據(jù)上報功能。加速度計采用ADXL355芯片，其具有功耗低、精度高、噪聲小、零漂低等優(yōu)點，內置的可編程濾波器可對采集到的數(shù)據(jù)進行初步濾波，減少噪聲干擾。電源模塊采用LT3042將外部的12 V電源轉換成3.3 V，為內部的處理器和加速度計供電。外置看門狗模塊用于實時監(jiān)控內部程序的正常運行，在出現(xiàn)問題時，能夠及時對處理器進行復位。

2.2 軟件設計

振動傳感器應用在煤礦井下，因此電路板需要完全密封在產品內部，這就對以后的程序更新造成了麻煩；另外，在井下對產品進行拆卸十分困難，存在損壞設備或造成其他危險事故的可能性。因此，振動傳感器軟件程序分為下載管理程序(主程序)和應用程序2個部分。下載管理程序主要用于管理程序版本號、選擇對應的應用程序，并可通過控制器和RS485接口進行應用程序燒寫；應用程序又分為2個存儲空間，可同時存儲2個版本的應用程序，默認情況下執(zhí)行高版本程序，可通過下載管理程序還原到低版本程序中運行。

振動傳感器上電后，首先運行下載管理程序，讀取2個應用程序的版本號，并跳轉到高版本應用程序起始地址處運行程序。當2個應用程序都不存在或在應用程序執(zhí)行過程中進入下載管理功能，則進入主程序。主程序中，首先，對外圍串口等資源進行初始化；然后，利用YModem協(xié)議等待控制器發(fā)送可執(zhí)行的應用程序文件，并將其保存到某一存儲空間中(默認寫在第1存儲空間或原有應用程序中版本號小者所對應的存儲空間)；最后，自動重啟，并運行最新的應用程序。下載管理程序流程如圖2所示。

圖2 下載管理程序流程

應用程序主要實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)采集與處理，包括硬件資源初始化、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等部分。硬件資源初始化包括串口、I2C、定時器及加速度芯片ADXL355等的初始化。數(shù)據(jù)采集利用中斷定時器和DMA(直接存儲器訪問)方式完成，依據(jù)所檢測信號的振動頻率范圍決定采樣間隔。數(shù)據(jù)處理和程序喂狗功能則是在主程序中實現(xiàn)。

煤矸信號頻率在1 kHz左右便可進行有效識別，因此，將檢測頻率范圍設定為2 kHz內，利用定時器每秒采集4 096組數(shù)據(jù)。在程序中采用DMA方式讀取加速度數(shù)據(jù)，可有效減小CPU的負荷。另外，定義了2個緩沖數(shù)組，當主程序對一組數(shù)據(jù)進行處理的同時，定時器將讀取的加速度數(shù)據(jù)放到另一個緩沖數(shù)組中，這樣使得系統(tǒng)采集與計算可以同時進行，保證了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性與可靠性。

主程序信號處理流程如圖3所示。首先，處理器調用出廠時計算的加速度校準誤差對采集的數(shù)據(jù)進行校準，去除信號中的增益誤差及偏移誤差等；然后，為提高分析檢測的準確性，去除信號中的直流分量，并調用處理器中的DSP庫進行數(shù)據(jù)濾波，這樣可以有效地衰減尾梁插板動作時產生的振動信號，僅保留煤矸落下時引起的振動信號；最后，利用傅里葉變換對數(shù)據(jù)進行功率譜分析，得到單位時間內的最大振動頻率、幅值及功率譜能量。

圖3 信號處理流程

2.3 結構設計

結合振動傳感器的安裝方式和使用環(huán)境進行結構設計。傳感器用于測量液壓支架尾梁的振動信號，要求能夠充分感知支架尾梁的振動狀態(tài)，因此，排除了傳統(tǒng)的螺紋安裝方式，采用磁座安裝方式。在傳感器的一端預留安裝電磁鐵的位置，通過電磁鐵將傳感器固定在尾梁上。振動傳感器結構如圖4所示。

圖4 振動傳感器結構

考慮到煤礦井下安裝位置狹窄，走線困難，設計時使傳感器尺寸盡可能小，信號傳輸與電源供電使用同一電纜線，并在內部用絕緣層包裹2路線芯，以提高信號穩(wěn)定性。為保證產品能夠安全可靠地應用在煤礦井下，還需對其采取防護措施，以滿足礦用本質安全設計要求[14-15]。在殼體內部預留一定空間，對電路板進行灌膠處理，同時外部配備密封圈，以提高產品的防水性能。

3 測試分析

在實驗室振動臺上對振動傳感器進行測試，取0，500，1 000，1 500，2 000 Hz共5個振動點，測試結果見表1，可見，振動傳感器測量誤差在1%以內。

表1 振動傳感器實驗室測試結果

在王家?guī)X煤礦對振動傳感器進行測試，現(xiàn)場安裝如圖5所示，采集的部分數(shù)據(jù)見表2，振動信號頻率曲線如圖6所示。從表2和圖6可看出，采集的信號大部分是煤塊落下時的振動信號，其頻率范圍為100～200 Hz；而圖6中用紅色標出的部分是矸石落下時的振動頻率，頻率在200 Hz以上，具體的數(shù)據(jù)與落下的煤矸比例、數(shù)量有一定關聯(lián)性，但頂煤和矸石落下時的振動信號具有一定的可分辨性。

圖5 振動傳感器現(xiàn)場安裝

表2 振動傳感器采集的部分數(shù)據(jù)

(a)58號支架

4 結論

(1)利用低功耗STM32單片機和高精度加速度計設計了一種用于煤矸識別的振動傳感器，該傳感器具有體積小、功耗低、安裝使用方便等優(yōu)點，適用于井下放頂煤工作面。

(2)硬件設計方面，利用加速度計采集煤矸落下時產生的液壓支架尾梁振動信號，通過處理器對振動信號進行頻譜分析。軟件設計方面，利用中斷定時器和DMA方式完成數(shù)據(jù)采集，有效減小了CPU負荷，另外，通過定義2個緩沖數(shù)組保證了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性與可靠性。結構設計方面，排除了傳統(tǒng)的螺紋安裝方式，采用磁座安裝方式，在傳感器的一端預留安裝電磁鐵的位置，通過電磁鐵將傳感器固定在尾梁上。

(3)實驗室測試結果表明，該傳感器測量誤差在1%以內。井下測試結果表明，傳感器采集的信號大部分是煤塊下落時的振動信號，其頻率范圍為100～200 Hz，而矸石下落時的振動信號頻率在200 Hz以上，二者具有一定的可分辨性。

(4)后續(xù)可融合振動信號幅值、能量分布等參數(shù)進行煤矸識別研究，進一步提高識別精度和可靠性。