光电码盘技术在尾矿库高程测量中的应用

       中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）09-0017-03
　　引 言
　　目前，我国尾矿库数量多、分布广。尾矿库的安全关系到人民生命财产及环境的安全，故而搞好尾矿库的安全监测意义重大。现在多数尾矿库都开始采用现代通信、电子设备及计算机技术实现对尾矿库监测指标数据实时、自动监测。高程测量是尾矿库监测系统中的一项重要检测项目。高程测量的方法有很多种，比如激光测距、超声波测距等。激光测距质量轻、体积小、操作简单、速度快而准确，但尾矿库一般都是因山势筑坝而成，在放矿时，泥浆四溅，使得激光测距的发射、接收面容易沾染灰尘、泥浆，从而影响测距能力，而且激光在测距时的瞬间电流很大，对电源的品质要求较高；另外，激光测距仪的正常工作温度范围在0～40 ℃之间，无法完全满足工作环境温度的需求。超声波测距存在的主要问题是声波发散角大，测程短，易受温度、风力、湿度影响，误差大，所以超声波测距在尾矿库监测系统中也不实用。本文所讲述的光电码盘测距法克服了以上两种测距的缺点，相关产品已用于几十家尾矿库，长期稳定工作已长达几年。
　　1 工作原理
　　系统接通电源后，控制器主程序开始工作，主控器控制驱动电机，同时，驱动电机带动码盘转动。码盘在转动时，光电接收器接收到的光会发生明暗变化，从而产生对应的信号数据。此信号数据经过光电信号处理系统的转换，转变成对应的脉冲数被送入主控器，主控器将脉冲数依据计算公式进行记录计算后，得到对应的距离值。其工作原理图如图1所示。
　　图1 工作原理图
　　2 光电码盘计数
　　光电测距的关键是光电计数。光电计数由红外发射、红外接收、计数码盘和整形电路构成。图2所示是用光电码盘计数的示意图。红外发射器发射出红外光，当码盘没有被遮挡时，红外接收器接收到对应的光信号；当码盘被遮挡时，接收器接收不到对应的光信号。前者设定为“0”，后者设定为“1”，经整形单元的处理变成对应的连续脉冲。
　　图2 光电码盘计数原理图
　　该码盘上分为透光区域和不透光区域，它们是等间隔排列的。码盘被安装在红外发射器与红外接收器之间。码盘透光和不透光区域的间隔大小直接影响到测量精度。间隔大，易于加工，精度低；间隔小，加工难度大，精度高，成本增大。码盘的间隔依据实际测量精度和转动机构的尺寸来确定。当码盘旋转时，在接收器上会产生明暗变化，红外接收器将这种变化进行处理后，输出对应的波形。图3所示是其波形图。
　　图3 波形图
　　该波形经整形电路进行整形后，便可以生成主控器需要的波形。其具体的整形电路如图4所示。
　　图4 整形电路
　　在整形电路中设置50mV 的直流基准，这个直流基准是为剔除小的噪声干扰而设定的。C3电容的作用是为了隔断直流信号，只让交流通过。经整形后，其波形将变换为方波，具体如图5所示。
　　波形经整形后，即可送入主控计数器进行计数，并计算出具体的距离值。
　　图 5 整形前后比较
　　3 数据处理
　　经整形后的脉冲送入控制器中的计数器，再由主控器的运算器计算出距离值。计数单元用的是T0计数器，工作模式是1，TLn与THn组成16位加法计数器。图6所示是T0计数器的工作模式1，计数范围为0～65 535。在本系统中，一个脉冲是2.656 mm，65 535个脉冲的距离是174.061 m，而高程的实际距离是6 m，因此，完全可以满足距离范围的需要，且可以为今后增加距离值而进行扩展。
　　图6 T0工作模式1
　　4 驱动单元
　　驱动单元中用的是直流电机。电机按驱动形式分步进电机与直流电机。直流电机由电压控制其位置与速度，电机的驱动较简单，体积可以很小，但是定位精度不高。步进电机可以实现精确定位，但是驱动复杂，体积比直流电机大。经综合考虑后，选用直流电机。直流电机在切断电压后，电机不能够马上停止，在惯性的作用仍处于发电状态，这样就会带来很大的距离误差。因此，只有当直流电机在断开电源时能够快速制动，才能够精确定位。直流电机制动有很多种方法，如机械法、短接法、反接法等。在本单元中使用短接法，电路原理如图7所示。
　　在驱动电路中，可用74HC138来确定电机的工作状态，其真值表如表1所列。
　　由图7可见，当A1=0，A2=0时，Y0、Y1、Y2均为1，Y3为0。当Y1、Y2为1时，Q1、Q2处于截止状态，此时加在电机两端的电压被断开。Y3为0时，继电器J的常闭点合上，将电机两端短路，消耗掉多余能量，电机立刻处于停止状态。
　　5 结 语
　　光电码盘测距法虽然在测量精度上没有激光测距的精度高，但是可以完全满足尾矿库的高程测量精度，而且工作可靠，抗干扰性高，使用寿命长，满足工作环境的要求。光电码盘测距的供电采用了太阳能板供电，保证了在野外工作环境条件下，测距系统能够长期正常工作。光电码盘计数测距是一种简便、实用、可靠的测距方法，最突出的优点就是可以胜任在恶劣环境下，长期稳定工作，实现无人值守。目前，这种测距方法已广泛应用于全国很多个尾矿库监测系统中。
　　参 考 文 献
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