CN110988392A - 一种煤矿井下使用的超声波风速传感器 - Google Patents

一种煤矿井下使用的超声波风速传感器 Download PDF

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CN110988392A CN201911092292.5A CN201911092292A CN110988392A CN 110988392 A CN110988392 A CN 110988392A CN 201911092292 A CN201911092292 A CN 201911092292A CN 110988392 A CN110988392 A CN 110988392A
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Abstract

本发明公开了一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，包括底座，底座吊挂连接于巷道顶板，底座上部水平面中心安装有三维陀螺传感器，底座下部水平面安装有第一发射端子、第二发射端子、第一接收端子、第二接收端子，还包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器，温度传感器、湿度传感器、气压传感器嵌入至底座下部水平面并位于发射端子和接收端子构成的环向内。本发明能够针对由于环境因素、传感器自身因素造成的干扰，对测量数据进行修正，提高了测量数据的准确性。

Description

一种煤矿井下使用的超声波风速传感器
技术领域
本发明涉及超声波测速传感器领域，具体是一种煤矿井下使用的超声波风速传感器。
背景技术
目前所有煤矿均配备了安全监控***，运行状态基本正常。安全监控***在技术架构、设备种类、检测原理、维护管理等方面不断发展完善。安全监控***从监测参数单一、容量小，发展到集中监测，异地控制，再到实现简单逻辑控制，数据挖掘利用，经过不断技术改进提升，为安全生产提供了较为可靠的技术保障。近年来，基于安全监控数据实现的瓦斯突出报警或预警也得到大量应用。
随着物联网技术的发展，煤矿安全监控***正由单一的安全监测功能向综合智能监控发展，***功能倾向多样化，由监测环境安全参数气体浓度、温度、风速等和设备的开/停状态，向火灾监测与预报、水灾监测与预报、矿井压力监测与预报等综合监测方向发展；由报警或断电简单控制功能向各监控子***智能联动控制如智能通风等智能化发展。因而，对于煤矿井下通风参数监测精度的要求不断提高，目前的监测精度越来越无法满足要求。
超声波风速传感器的基本原理是：声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加，若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应，通过计算即可得到精确的风速和风向。
目前煤矿井下使用的风速传感器通常采用卡曼涡街式风速传感器，这种传感器虽然灵敏、方便，但是传感精度不高。同时，目前煤矿井下风速传感器的***稳定性和抗干扰能力有待于进一步提高。随着矿井信息化、自动化建设的不断推进，新型大功率电力电子器件的使用、大功率电气设备的频繁启动及无线射频设备的使用，造成井下电磁环境恶劣，监控***设备经常受到强电磁干扰，出现数据混乱，甚至全***瘫痪的故障。同时由于井下环境比较恶劣，传感器本身的稳定性差，容易受温度、潮湿、粉尘等条件的影响，造成监控***出现故障和误报警，因此提高***的稳定性和抗干扰能力势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，以解决现有技术煤矿井下用卡曼涡街式风速传感器测量风速时数据不准确的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：包括底座，底座吊挂连接于巷道顶板，底座的上部、下部均为水平面，底座上部水平面中心安装有三维陀螺传感器，底座下部水平面安装有第一发射端子、第二发射端子、第一接收端子、第二接收端子，第一发射端子、第二发射端子、第一接收端子、第二接收端子依次沿顺时针或逆时针环向均匀环绕底座下部水平面中心，第一发射端子的发射面正对第一接收端子的接收面，第二发射端子的发射面正对第二接收端子的接受面，第一发射端子、第二发射端子、第一接收端子、第二接收端子底面与底座下部水平面之间垂直高度均相同，第一发射端子发射面与第一接收端子接受面之间设定的间距和第二发射端子发射面与第二接收端子接受面之间设定的间距相同；
每个发射端子分别集成有超声波传感器发射端、激光测距传感器发射端，每个接收端子分别集成有超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端，其中超声波传感器发射端、激光测距传感器发射端嵌入所在发射端子的发射面并与发射面齐平，超声波传感器接收端、激光测距传感器嵌入所在接收端子的接收面并与接受面齐平；第一发射端子中超声波传感器发射端、激光测距传感器发射端对应正对第一接收端子中超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端，第二发射端子中超声波传感器发射端、激光测距传感器发射端对应正对第二接收端子中超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端，第一发射端子中超声波传感器发射端的超声波出射路径、激光测距传感器发射端的激光出射路径、第二发射端子中超声波传感器发射端的超声波出射路径、激光测距传感器发射端的激光出射路径分别与风向呈相同夹角，且第一发射端子中超声波传感器发射端出射的超声波在风向上的分量呈顺风方向，第二发射端子中超声波传感器发射端出射的超声波在风向上的分量呈逆风方向；
还包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器，温度传感器、湿度传感器、气压传感器嵌入至底座下部水平面并位于发射端子和接收端子构成的环向内，温度传感器、湿度传感器、气压传感器的感应面与底座下部水平面齐平，且温度传感器、湿度传感器、气压传感器呈环向均匀环绕底座下部水平面中心；
通过超声波速度、第一接收端子和第二接收端子接收超声波的时间差、对应发射端子和接收端子之间设定的间距、夹角可计算得到风流速度，利用三维陀螺传感器测得的仰角和方位角对夹角进行修正，利用激光测距传感器接收端的数据对相互对应发射端子和接收端子之间的间距进行修正，利用温度传感器、湿度传感器、气压传感器测得的数据对超声波速度进行修正，进而可对风流速度进行修正并得到精确的风流速度。
所述的一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：所述底座下部水平面位于相邻发射端子之间、相邻接收端子之间、相邻发射端子和接收端子之间分别设有扰流杆，每个扰流杆与底座下部水平面之间垂直距离均相等，四个扰流杆的长度均相等，且其中两个扰流杆的长边分别垂直于发射端子和接收端子构成的环向的一个直径，另外两个扰流杆的长边垂直于发射端子和接收端子构成的环向的另一个直径，底座下部水平面中心与每个扰流杆的垂直距离均相等。
所述的一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：还包括CPU，CPU分别与接收端子的超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端电连接，CPU还分别与三维陀螺传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器电连接，由CPU接收超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端、三维陀螺传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器的信号，并进行风速计算和修正。
所述的一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：所述底座上部水平面连接有多个悬挂钢缆，底座通过悬挂钢缆吊挂连接于巷道顶板。
所述的一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：所述超声波传感器发射端发射频率大于2.5MHz的超声波。
与现有技术相比，本发明在用于煤矿井下测量风速时，能够针对由于环境因素、传感器自身因素造成的干扰，对测量数据进行修正，提高了测量数据的准确性，也提高了传感器工作的稳定性和抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的仰视图。
图3为本发明的俯视图。
图4为本发明发射端子布置图。
图5为本发明接收端子布置图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图5所示，本发明由圆形底座1、悬挂钢缆2、三维陀螺传感器3、第一发射端子4、第二发射端子5、第一接收端子6、第二接收端子7、扰流杆8、温度传感器9、湿度传感器10、气压传感器11，以及传感器悬挂点16组成。
本发明传感器悬挂在巷道断面顶部中点位置，圆形底座1的下部平面与巷道的长度方向相平行，并使风流方向与图2所示的A-A方向相一致，距巷道顶板的距离c不少于100mm，如图1所示。
第一发射端子4和第二发射端子5均集成有超声波传感器发射端12、激光测距传感器接收端13、激光测距传感器反射面14组成。
第一接收端子6和第二接收端子7均由超声波传感器接收端15、激光测距传感器接收端13、激光测距传感器反射面14组成。
本发明的原理：
第一发射端子与第一接收端子构成一组，第二发射端子与第二接收端子构成另外一组，且第一发射端子与第一接收端子之间的距离与第二发射端子与第二接收端子之间的距离均为L；第一发射端子和第二发射端子同时发射两个不同频率的超声波，其中第一发射端子顺风发射，与风流方向的角度
Figure BDA0002267187880000041
为45°，第二发射端子逆风发射，与风流方向的角度同样为
Figure BDA0002267187880000042
然后分别由第一接收端子和第二接收端子接收这两个不同频率的超声波，获得第二接收端子和第一接收端子接收到超声波信号的时间差ΔT，若ΔT为0，则风流速度υ为0，若ΔT不为0，设超声波速度为c，则风流速度：
Figure BDA0002267187880000043
但是，由于巷道变形等因素导致
Figure BDA0002267187880000044
不再为45°，或由于热胀冷缩、制造等因素导致发射端子与接收端子之间的距离不再为相同的L，或由于温度变化、大气压变化、水蒸气含量变化等因素导致超声波的速度变化等，导致测得的风速值误差较大，因而通过利用激光测距传感器对L值进行校正、利用三维陀螺传感器对
Figure BDA0002267187880000051
值和L值进行校正、利用气压传感器、温度传感器和湿度传感器对大气压变化、温度变化和水蒸气含量变化对超声波速度c进行校正，同时通过对采样算法进行优化，避免CPU的指令周期和采样算法对ΔT的影响，从而获得高精度的风流速度υ。
三维陀螺传感器3安装于圆形底座1的上部的中心位置，如图1所示。
温度传感器9、湿度传感器10、气压传感器11均匀布置在圆形底座1的下部，以防止液珠、灰尘对传感器的影响；同时，温度传感器9、湿度传感器10、气压传感器11三个传感器的表面与圆形底座1的下部水平面相水平，不突起、也不凹下去，从而不会对风流产生扰流作用，如图1、图2所示。
第一发射端子4、第二发射端子5、第一接收端子6、第二接收端子7沿顺时针方向依次、均匀、垂直的安装在圆形底座1的下部平面上，且这四个端子距圆形底座1圆心的距离相等、其表面与圆形底座1的半径方向相垂直。第一发射端子4和第一接收端子6在同一个水平线上，且相互平行；第二发射端子5和第二接收端子7在同一个水平线上，且相互平行，如图2所示。
第一发射端子4、第二发射端子5距离圆形底座1的垂直长度尺寸d不小于20mm；超声波传感器发射端12、激光测距传感器接收端13、激光测距传感器反射面14的外表面与第一发射端子4、第二发射端子5的外表面相水平，不突起、也不凹下去。
超声波传感器发射端12位于第一发射端子或第二发射端子的水平中间位置，距圆形底座1的高度e的值为3/4d；激光测距传感器接收端13位于超声波传感器发射端12的左侧，其几何中心距离第一发射端子或第二发射端子左侧边界的距离i为第一发射端子或第二发射端子水平长度尺寸g的1/8、距离圆形底座1的距离f为第一发射端子或第二发射端子垂直长度尺寸d的1/2；激光测距传感器反射面14位于第一发射端子或第二发射端子的最右端，其水平长度尺寸h为第一发射端子或第二发射端子水平长度尺寸g的1/4，其垂直长度尺寸与第一发射端子或第二发射端子的垂直长度尺寸相等，均为d，且其表面粗糙度不大于0.8μm。如图4所示。
第一接收端子6、第二接收端子7距离圆形底座1的垂直长度尺寸d不小于20mm；超声波传感器接收端15、激光测距传感器接收端13、激光测距传感器反射面14的外表面与第一接收端子6、第二接收端子7的外表面相水平，不突起、也不凹下去。
超声波传感器接收端15位于第一接收端子或第二接收端子的水平中间位置，距圆形底座1的高度e的值为3/4d；激光测距传感器接收端13位于超声波传感器接收端15的左侧，其几何中心距离第一接收端子或第二接收端子左侧边界的距离i为第一接收端子或第二接收端子水平长度尺寸g的1/8、距离圆形底座1的距离f为第一接收端子或第二接收端子垂直长度尺寸d的1/2；激光测距传感器反射面14位于第一接收端子或第二接收端子的最右端，其水平长度尺寸h为第一接收端子或第二接收端子水平长度尺寸g的1/4，其垂直长度尺寸与第一接收端子或第二接收端子的垂直长度尺寸相等，均为d，且其表面粗糙度不大于0.8μm。如图5所示。
四个扰流杆的作用：
若不加扰流杆，流过的气体在雷诺数较小时，气流中没有涡旋；而当雷诺数较大时，气流中的涡旋的大小和产生的位置是随机的，对监测结果产生较大影响。因而，采用扰流杆，可以使传感器监测范围内的气流中产生与其雷诺数相匹配的、符合统计意义的涡旋。依据表1，根据风速的大小，采用不同的每秒采样次数和采样时间，然后计算出采样时间内所有采样值的算术平均值即为风速值，如表1所示。
表1不同风速范围内的采样范围
风速(m/s) <0.1 0.1-0.5 0.5-1 1-2 2-5 5-10 >10
每秒采样次数 10 20 50 100 200 500 1000
采样时间(s) 3 2 1 1 1 1 1
四个扰流杆8均匀的固定在四个端子之间的间隔内，且这四个扰流杆的几何中心距圆形底座1圆心的距离相等、其长度方向与圆形底座1的半径方向相垂直。
四个扰流杆的直径均为5mm，表面粗糙度不大于0.8μm。
四个扰流杆的长度相等，其距圆形底座1圆心的距离为第二接收端子距圆形底座1圆心的距离a的1.1倍，其长度b与第二接收端子距圆形底座1圆心的距离a相等。
四个扰流杆距圆形底座1的垂直长度尺寸与超声波传感器发射端12距圆形底座1的高度e、超声波传感器接收端15距圆形底座1的高度e相等。
本发明传感器悬挂在巷道断面顶部中点位置，圆形底座1的下部平面与巷道的长度方向相平行，并使风流方向与图2所示的A-A方向相一致，距巷道顶板的距离c不少于100mm，如图1所示。
为消除矿井巷道内背景噪音对本传感器的影响，采用频率大于2.5MHz的超声波。
为消除巷道变形等因素使得
Figure BDA0002267187880000073
值和L值产生变化从而影响精度的问题，利用三维陀螺传感器进行校正，方法是：
三维陀螺传感器获得传感器仰角的变化量α和方位角的变化量β，则校正后风流速度为：
Figure BDA0002267187880000071
为消除热胀冷缩、制造等因素导致发射端子与接收端子之间的距离变化从而影响精度的问题，利用激光测距传感器进行校正，方法是：
每次采样时，第一发射端子在发射超声波的同时，激光测距传感器发射端发射激光信号测量第一发射端子和第一接收端子之间的实际距离L1，第一接收端子收到超声波信号的时间间隔为T1；第二发射端子在发射超声波的同时，激光测距传感器发射端发射激光信号测量第二发射端子和第二接收端子之间的实际距离L2，第二接收端子收到超声波信号的时间间隔为T2。则校正后的第二接收端子和第一接收端子接收到超声波信号的时间差
Figure BDA0002267187880000072
并将ΔT代入公式2计算获得校正后的风流速度。
激光测距传感器的精度不大于0.01mm。
为消除温度变化导致超声波的速度变化从而影响精度的问题，利用温度传感器进行校正，方法是：
c＝c0+0.607t (3)
其中，c0＝332m/s；t为温度传感器监测到的空气的温度，单位为℃。
将公式(3)代入公式(2)计算获得校正后的风流速度。
为消除大气压变化导致超声波的速度变化从而影响精度的问题，利用气压传感器进行校正，方法是：
Figure BDA0002267187880000081
其中，c为利用公式(3)校正后的声速值；p为气压传感器监测到的空气的气压，单位为Pa；p0为标准大气压，其值为101325Pa。
将公式(4)代入公式(2)计算获得校正后的风流速度。
为消除水蒸气含量变化导致超声波的速度变化从而影响精度的问题，利用温度传感器、湿度传感器和气压传感器进行校正，方法是：
首先利用公式计算出空气的密度：
Figure BDA0002267187880000082
其中，p为气压传感器监测到的空气的气压，单位为Pa；
Figure BDA0002267187880000083
为湿度传感器监测到的空气的相对湿度；T为温度传感器监测到的空气的温度，单位为K；pb为温度T下空气中的饱和水蒸气分压。
然后，对声速值进行校正，方法是：
Figure BDA0002267187880000084
其中，c为利用公式(3)和公式(4)校正后的声速值；ρ为利用公式(5)计算获得的空气密度，单位为Kg/m3；ρ0＝1.2928Kg/m3。
为消除CPU的指令周期、采样算法对ΔT的影响，从而影响精度的问题，选择数据处理能力强的CPU，同时，重新设计硬件采样算法，具体硬件采样算法如下：
1计算CPU的机器周期；
2开始采样；
3向第一发射端子和第二发射端子发送发射采样指令，同时计算执行这一指令所需要的时间mT0；
4向第一发射端子、第二发射端子、第一接收端子、第二接收端子发送监测距离的指令；
5读取第一接收端子和第二接收端子的时间数据T1和T2，计算△T＝T2-T1；
6读取激光测距传感器的数据，对上一步中的△T进行校正；
7读取温度传感器的数据，利用公式(3)对超声波速度进行校正；
8读取气压传感器的数据，利用公式(4)对超声波速度进行校正；
9读取温度传感器、湿度传感器和气压传感器的数据，利用公式(5)和公式(6)对超声波速度进行校正；
10读取三维陀螺传感器获得传感器仰角的变化量α和方位角的变化量β；
11综合第5步、第6步、第7步、第8步、第9步校正后的数据，并结合第10步的α值和β值，代入到公式(2)计算获得最终的风流速度；
12返回风流速度数据。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：包括底座，底座吊挂连接于巷道顶板，底座的上部、下部均为水平面，底座上部水平面中心安装有三维陀螺传感器，底座下部水平面安装有第一发射端子、第二发射端子、第一接收端子、第二接收端子，第一发射端子、第二发射端子、第一接收端子、第二接收端子依次沿顺时针或逆时针环向均匀环绕底座下部水平面中心，第一发射端子的发射面正对第一接收端子的接收面，第二发射端子的发射面正对第二接收端子的接受面，第一发射端子、第二发射端子、第一接收端子、第二接收端子底面与底座下部水平面之间垂直高度均相同，第一发射端子发射面与第一接收端子接受面之间设定的间距和第二发射端子发射面与第二接收端子接受面之间设定的间距相同；
每个发射端子分别集成有超声波传感器发射端、激光测距传感器发射端，每个接收端子分别集成有超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端，其中超声波传感器发射端、激光测距传感器发射端嵌入所在发射端子的发射面并与发射面齐平，超声波传感器接收端、激光测距传感器嵌入所在接收端子的接收面并与接受面齐平；第一发射端子中超声波传感器发射端、激光测距传感器发射端对应正对第一接收端子中超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端，第二发射端子中超声波传感器发射端、激光测距传感器发射端对应正对第二接收端子中超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端，第一发射端子中超声波传感器发射端的超声波出射路径、激光测距传感器发射端的激光出射路径、第二发射端子中超声波传感器发射端的超声波出射路径、激光测距传感器发射端的激光出射路径分别与风向呈相同夹角，且第一发射端子中超声波传感器发射端出射的超声波在风向上的分量呈顺风方向，第二发射端子中超声波传感器发射端出射的超声波在风向上的分量呈逆风方向；
还包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器，温度传感器、湿度传感器、气压传感器嵌入至底座下部水平面并位于发射端子和接收端子构成的环向内，温度传感器、湿度传感器、气压传感器的感应面与底座下部水平面齐平，且温度传感器、湿度传感器、气压传感器呈环向均匀环绕底座下部水平面中心；
通过超声波速度、第一接收端子和第二接收端子接收超声波的时间差、对应发射端子和接收端子之间设定的间距、夹角可计算得到风流速度，利用三维陀螺传感器测得的仰角和方位角对夹角进行修正，利用激光测距传感器接收端的数据对相互对应发射端子和接收端子之间的间距进行修正，利用温度传感器、湿度传感器、气压传感器测得的数据对超声波速度进行修正，进而可对风流速度进行修正并得到精确的风流速度。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：所述底座下部水平面位于相邻发射端子之间、相邻接收端子之间、相邻发射端子和接收端子之间分别设有扰流杆，每个扰流杆与底座下部水平面之间垂直距离均相等，四个扰流杆的长度均相等，且其中两个扰流杆的长边分别垂直于发射端子和接收端子构成的环向的一个直径，另外两个扰流杆的长边垂直于发射端子和接收端子构成的环向的另一个直径，底座下部水平面中心与每个扰流杆的垂直距离均相等。
3.根据权利要求1所述的一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：还包括CPU，CPU分别与接收端子的超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端电连接，CPU还分别与三维陀螺传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器电连接，由CPU接收超声波传感器接收端、激光测距传感器接收端、三维陀螺传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器的信号，并进行风速计算和修正。
4.根据权利要求1所述的一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：所述底座上部水平面连接有多个悬挂钢缆，底座通过悬挂钢缆吊挂连接于巷道顶板。
5.根据权利要求1所述的一种煤矿井下使用的超声波风速传感器，其特征在于：所述超声波传感器发射端发射频率大于2.5MHz的超声波。
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