CN110132854A - 针对动态煤矸识别的角位移光谱装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，涉及综放开采自动化控制技术领域。所述装置安装于液压支架的尾梁内侧，包括光波探头、光谱仪、光纤光源、光开关以及光波探头控制装置；每一光波探头对应连接有一光纤光源，两个光波探头通过光开关进行光路切换，并于光路切换的同时经由光波探头控制装置改变相应的光波探头的摆动方向，沿煤/岩流方向，交替连续的采集光波信号，并传输至光谱仪。本发明公开的角位移光谱装置，采用单片机作为核心控制器，控制器输出的PWM波的频率以及占空比是可以调节的，对光波探头摆动的角度与速度控制精度更高，对于识别动态煤/岩流中煤矸混合度的实时性和准确性更好。
Description
技术领域
本发明涉及综放开采自动化控制技术领域，具体涉及一种适用于综放工作面的针对动态煤矸识别的角位移光谱装置。
背景技术
综合机械化放顶煤开采方法是实现厚煤层开采的高产、高效的有效方法之一，但该方法最为关键的就是放煤过程中对于煤矸混合度的自动识别的问题。研究综采放顶煤放煤过程的动态煤矸识别方法，会对定量分析煤矸混合度和实现放顶煤开采工艺自动化具有重要的意义。
早期放顶煤工艺中大多采用人工判断放煤口开闭，而为了尽可能的提高顶煤的放出率，现场放煤时操作工人往往采取见矸时再持续一段放煤时间，通过增加含矸率来提高顶煤的放出率。这种情况虽然提高了顶煤的放出率，但增加了矸石的含量，降低了煤炭的质量，而且人工控制的方式必然会存在顶煤过放或者欠放的情况。因此，人们提出了实现综放开采过程中煤矸混合度自动识别装置，有利于提高采出率、提高煤质、提高工作面自动化水平，进而对实现工作面“无人化”、“少人化”起着非常重要的作用。而目前放顶煤工作面煤矸混合度自动化识别装置的主要问题有：基于自然射线的煤矸混合度识别技术适用性差，技术复杂，抗干扰能力差，目前技术尚不成熟；基于声波的煤矸混合度识别技术受工作面噪声影响大，尤其在工作面的煤尘大、水雾较大的环境下无法使用；基于图像的煤矸混合度识别技术原理简单，成本低，但是目前的研究尚不完善，无法适用在实际的工况中。
因此，鉴于以上问题，有必要提出一种能够精确、快速的识别动态煤矸的混合度的角位移光谱装置，以满足放顶煤开采工艺自动化的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明公开了一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，所述装置包括两个光波探头，通过对两个光波探头的光路切换以及摆动方向、角度、速度的控制，实现两个光波探头交替与煤/岩流同速、同方向、连续的采集光波信号，精准识别动态煤/岩流中煤矸混合度。
根据本发明的目的提出的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，所述装置安装于液压支架的尾梁内侧，包括至少两个交替工作的光波探头、用于生成对应的煤矸石光谱曲线的光谱仪、用于为光波探头接收光波信号提供探测光源的光纤光源、用于光路切换的光开关以及驱动光波探头摆动的光波探头控制装置；每一所述光波探头对应连接有一光纤光源，两个光波探头通过光开关进行光路切换，并于光路切换的同时经由光波探头控制装置改变相应的光波探头的摆动方向，沿煤/岩流方向，交替连续的采集光波信号，并传输至光谱仪；所述光波探头分别与光谱仪、光纤光源以及光开关光纤连接，所述光开关与光谱仪光纤连接。
优选的，所述光波探头控制装置包括与光波探头对应设置的两个舵机以及与舵机电连接的舵机控制器，所述光波探头对应连接于舵机输出轴上，两个所述光波探头在相应舵机的驱动下交替摆动，收集实时反射的光波信号，并将接收的光波信号传输至光谱仪。
优选的，所述舵机包括电机、根据接收到的控制信号驱动电机转动的控制电路、用于控制电机转速的减速齿轮组以及用于检测舵机转动角度的电位器，所述舵机接收控制器的PWM控制信号，驱动电机转动，从而带动相应的光波探头摆动。
优选的，所述光开关与舵机控制器电连接，接收控制器输出的控制信号，对两个光波探头进行光路疏通或关闭的切换，所述控制器于发送控制信号的同时，驱动相应舵机，控制相应光波探头摆动，实现两个光波探头的光路切换与摆动方向切换的同步进行。
优选的，所述光开关输入端通过两根光纤分别与两个光波探头相连，输出端通过光纤与光谱仪相连。
优选的，两个光波探头分别通过Y型石英光纤与光谱仪和光纤光源连接，所述Y型石英光纤的输出波长涵盖近红外区域780-2450nm，其合并端连接光波探头，第一光纤分支端连接光谱仪，第二光纤分支端连接光纤光源，所述光纤光源为波长涵盖近红外区域780-2450nm的卤素光纤光源。
优选的，所述光波探头包括安装在Y型光纤合并端的准直镜，所述准直镜设置于一探头固定件内，并通过探头固定件与对应的舵机输出轴固定连接。
优选的，所述探头固定件为中空的四分之三球体，其中空的孔径与准直镜外径一致，且准直镜与中空半球体通过过渡配合连接；球体底部成型有柱形沉孔，所述柱形沉孔内安装有外直径与柱形沉孔内径相一致的防尘片，所述防尘片的厚度与柱形沉孔深度相一致，所述防尘片与柱形沉孔过渡配合连接；所述防尘片为光学透明片，其透明度涵盖近红外波段。
优选的，所述装置还包括一工控机，所述工控机与光谱仪电连接。
优选的，所述装置还包括一外壳，所述光谱仪、光纤光源、光开关以及光波探头控制装置均设置于外壳内，所述光波探头控制装置通过穿过外壳的舵机输出轴与光波探头固定连接。
与现有技术相比，本发明公开的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置的优点是：
所述装置包括两个光波探头，通过对两个光波探头的光路切换以及摆动方向、角度、速度的控制，实现两个光波探头交替与煤/岩流同速、同方向、连续的采集光波信号，识别动态煤/岩流中煤矸混合度的实时性和准确性更高，而且该装置体积小、造价低、技术成熟、便于安装与维护。
另外，所述装置的光波探头控制装置采用单片机作为核心控制器，控制器输出的PWM波的频率以及占空比是可以调节的，这使得该装置可以根据不同工况中特定型号的后部刮板机的运行速度精确的控制光波探头摆动的角度与速度大小，控制精度更高。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明公开的针对动态煤矸识别的角位移光谱装置的整体结构图。
图2为探头固定件结构图。
图中的数字或字母所代表的零部件名称为：
1-光波探头；2-光谱仪；3-光纤光源；4-光开关；5-光纤；6-舵机；61-舵机输出轴；7-电源模块；8-控制器；9-探头固定件；10-工控机；11-外壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
图1-图2示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其结构进行了详细的剖析。
如图1所示的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，安装于液压支架的尾梁内侧，包括至少两个交替工作的光波探头1、用于生成对应的煤矸石光谱曲线的光谱仪2、用于为光波探头1接收光波信号提供探测光源的光纤光源3、用于光路切换的光开关4以及驱动光波探头1摆动的光波探头控制装置。其中光谱仪2为光波范围涵盖近红外区域780-2450nm的探测光谱仪。它以在线实时检测为研究目标，用来生成对应的煤矸石的光谱曲线。
每一光波探头1对应连接有一光纤光源3，两个光波探头1通过光开关4进行光路疏通或关闭的切换，并于光路切换的同时经由光波探头控制装置改变相应的光波探头1的摆动方向，沿煤/岩流方向，交替连续的采集光波信号，并传输至光谱仪2。光波探头1分别与光谱仪2、光纤光源3以及光开关4光纤5连接，光开关4与光谱仪2光纤5连接。
进一步的，光波探头控制装置包括与光波探头1对应设置的两个舵机6以及与舵机6电连接的舵机控制器8，光波探头1对应连接于舵机输出轴61上，两个光波探头1在相应舵机6的驱动下交替摆动，收集实时反射的光波信号，并将接收的光波信号传输至光谱仪2。具体的，舵机6包括电机、根据接收到的控制信号驱动电机转动的控制电路、用于控制电机转速的减速齿轮组以及用于检测舵机6转动角度的电位器，舵机6接收控制器8的PWM控制信号，驱动电机转动，达到控制舵机6转角的目的，从而带动相应的光波探头1摆动。每一舵机6对应设置有一舵机电源模块7。舵机6的设置主要用来使光波探头1摆动，以便在工作时采集具有实时性、准确性的反射光波信号。控制器8包括单片机最小系统开发板、单片机、5V开关电源，在实际的工况中，根据实时的煤/岩流速度关系通过控制器8给舵机6发送一定占空比和一定频率的PWM波，驱动舵机6电机，精确的控制光波探头1摆动的角度与速度大小，控制精度更高。
进一步的，光开关4与舵机控制器8通过数据线连接，光开关4接收控制器8输出的控制信号，对两个光波探头1进行光路疏通或关闭的切换，而控制器8于发送控制信号的同时，驱动相应舵机6，控制相应光波探头1摆动，从而实现两个光波探头1的光路切换与摆动方向切换的同步进行。具体的，光路切换的频率控制由光波探头1的摆动角度确定，设定两个光波探头1的初始状态摆动角度为0度，开始工作时，控制器8发送控制信号至光开关4使第一光波探头为连通光谱仪2状态，同时控制器8驱动相应舵机6，使第一光波探头沿煤/岩流方向摆动，当摆动角度达到180度时，控制器8发送控制信号至光开关4切断第一光波探头的光路，对应舵机6控制第一光波探头反转，开始进入回程；同时光开关4接收控制信号控制第二光波探头为连通光谱仪5状态，且通过控制器8驱动相应舵机6，使第二光波探头沿煤/岩流方向摆动，当其摆动角度达到180度时，切断光路，第二光波探头反转，开始进入回程，同时第一光波探头疏通光路，沿煤/岩流方向摆动，依次循环，从而实现两个光波探头1交替连续的采集光波信号。
本发明所公开的装置中所采用的舵机6、光谱仪2以及控制器8均为公开的现有技术，其具体构造及原理不再赘述。
进一步的，光开关4采用一种2×1型光开关4，其输入端通过两根光纤5分别与两个光波探头1相连而形成的两条光路，输出端通过光纤5与光谱仪2相连，主要利用光开关4的逻辑切换功能来实现光路的切换，最终实现在两个光波探头1在连续交替摆动的情况下采集连续的反射光波信号。
进一步的，两个光波探头1分别通过Y型石英光纤与光谱仪2和光纤光源3连接，Y型石英光纤的输出波长涵盖近红外区域780-2450nm，实现提供探测光源与接收反射光波的同时工作。该Y型石英光纤其合并端连接光波探头1，用来接收光波信号，第一光纤分支端连接光谱仪2，将采集到的光波信号生成对应的光谱曲线，第二光纤分支端连接光纤光源3，用来为光波探头1提供探测光源。光纤光源3为波长涵盖近红外区域780-2450nm的卤素光纤光源。
进一步的，光波探头1包括安装在Y型光纤合并端的准直镜，该准直镜设置于一探头固定件9内，并通过探头固定件9与对应的舵机输出轴61固定连接，主要用来进行远距离光束准直。具体的，如图2所示，探头固定件9为中空的四分之三球体，其中空的孔径与准直镜外径一致，且准直镜与中空半球体通过过渡配合连接。在工作的时候，舵机6得到脉冲信号驱动舵机输出轴61转动，舵机输出轴61在转动的过程中带动探头固定件9转动，间接实现固定在探头固定件9内部的光波探头1摆动，最终达到采集光波信号的目的。
球体的底部成型有柱形沉孔，柱形沉孔内安装有外直径与柱形沉孔内径相一致的防尘片，防尘片的厚度与柱形沉孔深度相一致。该防尘片为光学透明片，其透明度涵盖近红外波段，用于防止实际工况中的灰尘堵塞镜头，造成对结果的误判，在实际的使用过程中通过过渡配合将其安装在探头固定件9底部的柱形沉孔内。
进一步的，该装置还包括一工控机10，工控机10与光谱仪2电连接用于对光谱仪2产生的数据进行处理以及显示，同时工控机10还可以实现通过对光谱仪产生的数据进行处理之后，发送控制信号，控制液压支架尾梁的关闭。
进一步的，该装置还包括一外壳11，光谱仪2、光纤光源3、光开关4以及光波探头控制装置均设置于外壳11内，光波探头控制装置通过穿过外壳11的舵机输出轴61与光波探头1固定连接。
具体工作流程：
在放顶煤工序开始之前，将此装置安装在液压支架的尾梁内侧，外壳11内的舵机6分别与控制器8相连，探头固定件9分别与其对应的舵机输出轴61相连，光波探头1连接于Y型石英光纤的合并端，将光波探头1安装于探头固定件9内，Y型光纤的第一光纤分支端均连接光谱仪2，第二光纤分支端均连接光纤光源3。光开关4输入端分别与两个光波探头1光纤5连接，输出端与光谱仪2光纤5连接，光谱仪2与工控机10相连。
在放顶煤作业时，液压支架后尾梁摆动，煤矸石从放煤口被下放，放煤口处的煤矸通过刮板输送机向外输送，此装置开始工作，光波探头1与在舵机6的驱动下跟随刮板机进行摆动，收集实时反射的光波信号，将接收到的光波信号实时的通过Y型光纤传输给光谱仪2，光谱仪2根据实时的光波信号生成对应的光谱曲线，最后根据光谱曲线实现动态煤矸的判别。具体的，控制器8给一个舵机6发送PWM波使其转动，转动的方向与煤/岩流方向一致，舵机6驱动探头固定件9转动，间接实现放置在探头固定件9中的光波探头1摆动，在摆动的过程中实现光波探头1与煤矸石的相对静止，光波探头1接收反射光波，通过光纤5传入光谱仪2，光谱仪2接收反射的光波信号之后，控制器8驱动此舵机输出轴61开始反转，即转动方向与煤/岩流方向相反，在反转时，光波探头1不采集光波信号；同时，控制器8立即给另一舵机6发送PWM波使其转动，转动的方向与煤/岩流方向一致，使舵机6对应的光波探头1采集反射光波信号，类此循环运行，实现两个光波探头1连续交替摆动，在两个舵机6交替运动时，光开关4也在进行光路的切换，达到采集连续光波信号的目的。
此外，光谱仪2在获取数据时会出现来自暗电流以及不均匀光强产生的噪声，所以要先输入黑白标定反射值，之后再进行获取光谱曲线。
综上所述，本发明公开的针对动态煤矸识别的角位移光谱装置包括两个光波探头，通过对两个光波探头的光路切换以及摆动方向、角度、速度的控制，实现两个光波探头交替与煤/岩流同速、同方向、连续的采集光波信号，识别动态煤/岩流中煤矸混合度的实时性和准确性更高，而且该装置体积小、造价低、技术成熟、便于安装与维护。
另外，该装置的光波探头控制装置采用单片机作为核心控制器，控制器输出的PWM波的频率以及占空比是可以调节的，这使得该装置可以根据不同工况中特定型号的后部刮板机的运行速度精确的控制光波探头摆动的角度与速度大小，控制精度更高。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征的在于，所述装置安装于液压支架的尾梁内侧，包括至少两个交替工作的光波探头(1)、用于生成对应的煤矸石光谱曲线的光谱仪(2)、用于为光波探头(1)接收光波信号提供探测光源的光纤光源(3)、用于光路切换的光开关(4)以及驱动光波探头(1)摆动的光波探头控制装置；每一所述光波探头(1)对应连接有一光纤光源(3)，两个光波探头(1)通过光开关(4)进行光路切换，并于光路切换的同时经由光波探头控制装置改变相应的光波探头(1)的摆动方向，沿煤/岩流方向，交替连续的采集光波信号，并传输至光谱仪(2)；所述光波探头(1)分别与光谱仪(2)、光纤光源(3)以及光开关(4)光纤(5)连接，所述光开关(4)与光谱仪(2)光纤(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征在于，所述光波探头控制装置包括与光波探头(1)对应设置的两个舵机(6)以及与舵机(6)电连接的舵机控制器(8)，所述光波探头(1)对应连接于舵机输出轴(61)上，两个所述光波探头(1)在相应舵机(6)的驱动下交替摆动，收集实时反射的光波信号，并将接收的光波信号传输至光谱仪(2)。
3.根据权利要求2所述的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征在于，所述舵机(6)包括电机、根据接收到的控制信号驱动电机转动的控制电路、用于控制电机转速的减速齿轮组以及用于检测舵机(6)转动角度的电位器，所述舵机(6)接收控制器(8)的PWM控制信号，驱动电机转动，从而带动相应的光波探头(1)摆动。
4.根据权利要求2所述的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征在于，所述光开关(4)与舵机控制器(8)电连接，接收控制器(8)输出的控制信号，对两个光波探头(1)进行光路疏通或关闭的切换，所述控制器(8)于发送控制信号的同时，驱动相应舵机(6)，控制相应光波探头(1)摆动，实现两个光波探头(1)的光路切换与摆动方向切换的同步进行。
5.根据权利要求1所述的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征在于，所述光开关(4)输入端通过两根光纤(5)分别与两个光波探头(1)相连，输出端通过光纤(5)与光谱仪(2)相连。
6.根据权利要求1所述的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征在于，两个光波探头(1)分别通过Y型石英光纤与光谱仪(2)和光纤光源(3)连接，所述Y型石英光纤的输出波长涵盖近红外区域780-2450nm，其合并端连接光波探头(1)，第一光纤分支端连接光谱仪(2)，第二光纤分支端连接光纤光源(3)，所述光纤光源(3)为波长涵盖近红外区域780-2450nm的卤素光纤光源。
7.根据权利要求6所述的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征在于，所述光波探头(1)包括安装在Y型光纤合并端的准直镜，所述准直镜设置于一探头固定件(9)内，并通过探头固定件(9)与对应的舵机输出轴(61)固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征在于，所述探头固定件(9)为中空的四分之三球体，其中空的孔径与准直镜外径一致，且准直镜与中空半球体通过过渡配合连接；球体底部成型有柱形沉孔，所述柱形沉孔内安装有外直径与柱形沉孔内径相一致的防尘片，所述防尘片的厚度与柱形沉孔深度相一致，所述防尘片与柱形沉孔过渡配合连接；所述防尘片为光学透明片，其透明度涵盖近红外波段。
9.根据权利要求1所述的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征在于，所述装置还包括一工控机(10)，所述工控机(10)与光谱仪(2)电连接。
10.根据权利要求2所述的一种针对动态煤矸识别的角位移光谱装置，其特征在于，所述装置还包括一外壳(11)，所述光谱仪(2)、光纤光源(3)、光开关(4)以及光波探头控制装置均设置于外壳(11)内，所述光波探头控制装置通过穿过外壳(11)的舵机输出轴(61)与光波探头(1)固定连接。
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