CN103313474A - 基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器及自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器及自动控制方法，首先根据热释电传感器的热释电效应，检测目标的距离和位置，并在热释电传感器上装有由步进电机驱动的可以做微幅摆动的凸透镜，对静止的目标检测，然后将目标信号的热信号转化成电信号，将此信号经过高通滤波器滤掉环境中风及阳光等因素造成的温漂，经过低通滤波器进一步消除噪声信号的影响，再经仪器放大器隔离掉这种混合信号中的直流分量，并且给其附加一个恒定的偏置电压，只对我们所需要的交流信号进行放大处理，然后经过A/D转化将信号送入CPU，进而通过CPU处理控制防爆灯的开通关断。本发明结构简单，稳定性好，运行可靠，大大提高了防爆灯亮灭的控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿防爆灯的自动控制方法领域，具体为一种基于自主采样式热释电传感的矿用防爆灯自动控制器设计方法。
背景技术
随着我国经济的逐步发展，煤炭开采技术逐渐向高产高效的方向发展。然而，目前煤矿井下诸如巷道的照明设备即使在没有人的时候也一直工作在照明状态，这样不可避免的耗费了大量的能源，耗电量的增加导致了煤矿开采的成本，因此远远不能适应煤矿开采的需求，而且不能跟上国家大力推进和采取的各种节能减排措施的步伐，能设计一个智能控制矿井防爆灯的控制器（当人或者矿车到来时防爆灯亮，当其走远时防爆灯自动灭），就可以极大的减少电能的消耗，从而达到节能减排的要求。
目前国内外通常采用热释电传感器配以菲涅尔透镜的方式，这种方式虽然能增加探测距离和灵敏度，但是此探测距离一般为10m左右，而且距离远灵敏度会响应下降，还不能对静止的目标进行检测，限制了其应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自主采样式热释电传感的矿用防爆灯自动控制器设计方法，以解决现有技术探测距离短、灵敏度低以及不能对静止的目标进行检测的问题。
为了满足上述目的，本发明所采用的技术方案具体为：
基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器，其特征在于：包括有热释电传感器，热释电传感器上装有可做微幅摆动的凸透镜，热释电传感器产生的热释电信号接入滤波放大电路，滤波放大电路连接A/D转换电路，A/D转换电路接入CPU，以上各装置由防爆电源供电，CPU与防爆灯控制连接，通过CPU处理后控制防爆灯的开通与关断。
所述的基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器，其特征在于：所述的凸透镜由可编程步进电机驱动做微幅匀速摆动，可编程步进电机的电机驱动器由CPU控制连接。
所述的基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器，其特征在于：所述的滤波放大电路中的滤波器包括有高通滤波器和低通滤波器。高通滤波器主要用来滤掉环境中风及阳光等因素造成的温漂，人体散发的热信号频率主要在0.6-1.2Hz之间，而周围环境中的影响因素如阳光、风导致的热信号变化的相当缓慢、频率特别低，可以直接通过高通滤波器滤除掉，低通滤波器可以进一步消除噪声信号的影响；热释电探头输出的电信号是在一个较大的直流分量的基础上叠加一个很小的交流分量，并且由于每个传感器探头制造工艺的少许差别会导致产生不同的直流分量，使用滤波放大电路中的放大器的主要目的就是隔离掉这种混合信号中的直流分量，并且给其附加一个恒定的偏置电压，只对所需要的交流信号进行放大处理。
基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器及自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据矿井照明的具体情况，在每个现有的防爆灯上安装一组自动控制器；
（2）在所述热释电传感器，装有可以做微幅摆动的凸透镜，采用一个可编程的步进电机，根据CPU提供的控制信号匀速摆动，带动凸透镜以特定的速度匀速转动，因此一个热释电传感器就可以对360度检测范围内的目标进行周期性检测；
（3）热释电传感器将检测到的目标信号的热信号转化成电信号，将此信号经过滤波放大电路中的高通滤波器滤掉环境中风及阳光等因素造成的温漂，经过滤波放大电路中的低通滤波器进一步消除噪声信号的影响，再经滤波放大电路中的放大器隔离掉这种混合信号中的直流分量，并且给其附加一个恒定的偏置电压，只对所需要的交流信号进行放大处理，然后经过A/D转换电路进行模数转换将数字信号送入CPU，进而通过CPU处理控制防爆灯的开通及关断；
（4）凸透镜每转一周，电机控制器上的断点开关就给CPU一个归零信号，CPU每采一周信号就与前一周信号平均幅值进行相减，等同于每周采集的信号看作图像中的每帧图像；利用帧间分差法，如果两次信号幅值差不超过一定阈值的话就判断为没有发现目标，如果两次信号幅值差超过此阈值就判断为发现目标，并且根据发现的时间可以判断目标所在角度及目标运动的方向，进而精确控制防爆灯的开通与关断；
（5）在步骤（4）中所述的帧间分差法是将采集器所采集到的前后两帧图像对应的像素点灰度值进行相减，如果周围环境亮度变化不大，即对应像素点灰度相差不大，可以认为该处目标是静止的，如果图像的某区域相对于其他区域的灰度值变化很大，可以认为这是由于目标运动引起的，并标记这些区域，利用这些被标记的像素区域，就可以方便求出运动的目标在图像中的相对位置。
热释电效应就是自然界中的某些晶体受热变化而产生的固有自身电极化现象，即当晶体温度变化的时候其极化强度发生变化，进而表面出现热释电电荷，如果晶体自身温度的变化不够迅速，其外电场就不明显，只有温度的变化率达到临界值时才能显现出外电。
本发明通过CPU时时调节凸透镜的角度，既增加了热释电传感器的探测范围，又提高了热释电传感器的灵敏度，还可以检测静止不动的目标。
本发明从降低煤矿开采的成本及国家推进的节能减排的方向出发，充分利用热释电传感器的热释电效应对目标的检测，实现对目标的时时发现和跟踪，并在目标进入时让防爆灯亮，目标离开时防爆灯灭，实现节约电能和降低开采成本的要求。
本发明的优点是：
本发明结构简单，稳定性好，运行可靠，利用由步进电机控制的装在热释电传感器上的凸透镜做时时转动，从而大大提高了探测距离和探测灵敏度，还可以对静止目标进行检测，大大提高了防爆灯亮灭的控制效果。
附图说明
图1为本发明结构框图。
图2为本发明自主采样式热释电传感器探头原理图。
图3为本发明凸透镜摆动机构控制图。
具体实施方式
如图1所示。基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器，包括有热释电传感器3，热释电传感器3上装有可做微幅摆动的凸透镜2，热释电传感器3产生的热释电信号接入滤波放大电路4，滤波放大电路4连接A/D转换电路5，A/D转换电路5接入CPU 6，以上各装置由防爆电源1供电，CPU 6与防爆灯7控制连接，通过CPU 6处理后控制防爆灯7的开通与关断。
凸透镜2由可编程步进电机驱动做微幅匀速摆动，可编程步进电机的电机驱动器由CPU 6控制连接。
滤波放大电路4中的滤波器包括有高通滤波器和低通滤波器。高通滤波器主要用来滤掉环境中风及阳光等因素造成的温漂，人体散发的热信号频率主要在0.6-1.2Hz之间，而周围环境中的影响因素如阳光、风导致的热信号变化的相当缓慢、频率特别低，可以直接通过高通滤波器滤除掉，低通滤波器可以进一步消除噪声信号的影响；热释电探头输出的电信号是在一个较大的直流分量的基础上叠加一个很小的交流分量，并且由于每个传感器探头制造工艺的少许差别会导致产生不同的直流分量，使用滤波放大电路中的放大器的主要目的就是隔离掉这种混合信号中的直流分量，并且给其附加一个恒定的偏置电压，只对所需要的交流信号进行放大处理。
基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器的自动控制方法，包括以下步骤：
（1）根据矿井照明的具体情况，在每个现有的防爆灯上安装一组自动控制器；
（2）在所述热释电传感器，装有可以做微幅摆动的凸透镜，采用一个可编程的步进电机，根据CPU提供的控制信号匀速摆动，带动凸透镜以特定的速度匀速转动，因此一个热释电传感器就可以对360度检测范围内的目标进行周期性检测；
（3）热释电传感器将检测到的目标信号的热信号转化成电信号，将此信号经过滤波放大电路中的高通滤波器滤掉环境中风及阳光等因素造成的温漂，经过滤波放大电路中的低通滤波器进一步消除噪声信号的影响，再经滤波放大电路中的放大器隔离掉这种混合信号中的直流分量，并且给其附加一个恒定的偏置电压，只对所需要的交流信号进行放大处理，然后经过A/D转换电路进行模数转换将数字信号送入CPU，进而通过CPU处理控制防爆灯的开通及关断；
（4）凸透镜每转一周，电机控制器上的断点开关就给CPU一个归零信号，CPU每采一周信号就与前一周信号平均幅值进行相减，等同于每周采集的信号看作图像中的每帧图像；利用帧间分差法，如果两次信号幅值差不超过一定阈值的话就判断为没有发现目标，如果两次信号幅值差超过此阈值就判断为发现目标，并且根据发现的时间可以判断目标所在角度及目标运动的方向，进而精确控制防爆灯的开通与关断；
（5）在步骤（4）中所述的帧间分差法是将采集器所采集到的前后两帧图像对应的像素点灰度值进行相减，如果周围环境亮度变化不大，即对应像素点灰度相差不大，则可以认为该处目标是静止的，如果图像的某区域相对于其他区域的灰度值变化很大，可以认为这是由于目标运动引起的，并标记这些区域，利用这些被标记的像素区域，就可以方便求出运动的目标在图像中的相对位置。
通过CPU 6时时调节凸透镜2的角度，既增加了热释电传感器3的探测范围，又提高了热释电传感器3的灵敏度，还可以检测静止不动的目标。
(3)凸透镜的摆动机构及正弦波控制原理
如图3凸透镜摆动机构控制图所示，凸透镜2通过杠杆机构同时受电磁线圈8力Fm和螺旋拉簧9力Fs的复合作用，即：
Fm=k1·x
Fs=k2·I1
式中: k1 和k2 分别为弹簧和电磁机构的2个常数；x是弹簧在电磁力作用下的线位移；I1是电磁线圈中的正弦电流。
根据力学平衡原理,有Fm=Fs, 即：
K1·x=k2·I1=k2·Im·sina
也即：
X=k2/k1·Im·sina=k12·Im·sina=k·sina
式中: Im表示线圈中正弦波电流的幅值。
由此可见, 弹簧的线位移变化是按标准正弦规律变化的, 其摆动幅度取决于线圈中正弦波电流的幅值Im的大小。
凸透镜旋转驱动电路10将CPU产生的正弦电流信号馈入电磁线圈8中，电磁线圈8产生一个按正弦变化的磁场力与螺旋拉簧9力保持相平衡，因此凸透镜2通过杠杆机构也相应产生摆动。摆动角度的大小取决于视场范围的远近、热释电敏感元件接受面积的大小和热释电传感器元件的安装位置等。图3中的凸透镜旋转驱动电路10的电流大小可通过电位器11进行调节， 从而可改变凸透镜2的摆动角度。这样，由于凸透镜2的这种摆动作用，即使对静止目标发出的红外信号也可以使热释电敏感元件产生温度交替变化, 从而可以输出相应的探测信号。
(4)自主采样式热释电传感器的基本原理
如图2自主采样式热释电传感器探头原理图所示，主要是用一个可以做微幅摆动的凸透镜2取代了常规的菲涅尔透镜。菲涅尔透镜要求被检测的目标必须在其视场范围内移动（非缓慢移动）才能达到检测的目的，而一个通过步进电机12驱动的做微幅摆动的凸透镜2可以自主对目标的热释电信号进行检测，即被检测目标是固定不动的或者缓慢移动的也能够检测出来。这对于距离远的或移动速度慢的被检测目标来说是非常有必要的。
对人体目标而言，经过红外滤光片14，人体发出的近乎平行的红外光线转化成10um左右的红外光信号进入凸透镜并经凸透镜进行聚焦。由于凸透镜2通过摆动机构在凸透镜旋转驱动电路10的驱动下做微幅摆动，凸透镜2的摆动轨迹就形成如图2中的红外光焦点的运动轨迹13，而热释电传感器3就安装在红外光焦点的运动轨迹13上。由于凸透镜2的面积较大, 透过凸透镜2的热释电信号可以全部聚集在热释电传感器3上, 从而可以大大增加了热释电传感器3的探测距离和灵敏度。
Claims (4)
1.基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器，其特征在于：包括有热释电传感器，热释电传感器上装有可做微幅摆动的凸透镜，热释电传感器产生的热释电信号接入滤波放大电路，滤波放大电路连接A/D转换电路，A/D转换电路接入CPU，以上各装置由防爆电源供电，CPU与防爆灯控制连接，通过CPU处理后控制防爆灯的开通与关断。
2.根据权利要求1所述的基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器，其特征在于：所述的凸透镜由可编程步进电机驱动做微幅匀速摆动，可编程步进电机的电机驱动器由CPU控制连接。
3.根据权利要求1所述的基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器，其特征在于：所述的滤波放大电路中的滤波器包括有高通滤波器和低通滤波器。
4.基于权利要求1所述的基于热释电传感的矿用防爆灯自动控制器的自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据矿井照明的具体情况，在每个现有的防爆灯上安装一组自动控制器；
（2）在所述热释电传感器，装有可以做微幅摆动的凸透镜，采用一个可编程的步进电机，根据CPU提供的控制信号匀速摆动，带动凸透镜以特定的速度匀速转动，因此一个热释电传感器就可以对360度检测范围内的目标进行周期性检测；
（3）热释电传感器将检测到的目标信号的热信号转化成电信号，将此信号经过滤波放大电路中的高通滤波器滤掉环境中风及阳光等因素造成的温漂，经过滤波放大电路中的低通滤波器进一步消除噪声信号的影响，再经滤波放大电路中的放大器隔离掉这种混合信号中的直流分量，并且给其附加一个恒定的偏置电压，只对所需要的交流信号进行放大处理，然后经过A/D转换电路进行模数转换将数字信号送入CPU，进而通过CPU处理控制防爆灯的开通及关断；
（4）凸透镜每转一周，电机控制器上的断点开关就给CPU一个归零信号，CPU每采一周信号就与前一周信号平均幅值进行相减，等同于每周采集的信号看作图像中的每帧图像；利用帧间分差法，如果两次信号幅值差不超过一定阈值的话就判断为没有发现目标，如果两次信号幅值差超过此阈值就判断为发现目标，并且根据发现的时间可以判断目标所在角度及目标运动的方向，进而精确控制防爆灯的开通与关断；
（5）在步骤（4）中所述的帧间分差法是将采集器所采集到的前后两帧图像对应的像素点灰度值进行相减，如果周围环境亮度变化不大，即对应像素点灰度相差不大，则该处目标是静止的，如果图像的某区域相对于其他区域的灰度值变化很大，则认为这是由于目标运动引起的，并标记这些区域，利用这些被标记的像素区域，就可以方便求出运动的目标在图像中的相对位置。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR100258415B1 (ko) * | 1998-02-28 | 2000-06-01 | 이해욱 | 센서를 이용한 기기 제어 장치(apparatus for machinery and tools control using sensor) |
| CN202043342U (zh) * | 2011-04-25 | 2011-11-16 | 王龙 | 节能热释电灯控开关 |
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2013
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR100258415B1 (ko) * | 1998-02-28 | 2000-06-01 | 이해욱 | 센서를 이용한 기기 제어 장치(apparatus for machinery and tools control using sensor) |
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| 徐克宝: "《一种高灵敏度自主采样式热释电传感器的研究》", 《仪器仪表学报》, 30 December 2006 (2006-12-30) * |
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