CN110161056A - 一种输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置，包括输煤皮带和微波断层扫描成像系统，其中微波断层扫描成像系统包括上位机、微波信号发射模块、微波信号调节电路、2×N微波开关矩阵、微波成像传感器、微波信号接收和检测模块和数据采集器；上位机用于提供用户界面的接口、系统各个部分的控制、系统内的数据传输、数据的处理以及与系统外设备的数据通讯等；微波信号发射模块提供所需频率的微波信号，通过控制接口调节信号频率和输出功率等指标。本发明的有益效果是：本发明能够及时发现运行中输煤皮带上煤炭原料中的金属或非金属异件，利用检测到的信息使得下一步的异件排除成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭中异物检测技术领域，特别涉及一种输煤皮带上异物的检测装置及方法。
背景技术
煤炭资源在发电和钢铁冶炼行业中使用普遍，但是由于整个运输过程比较长，缺少有效的煤炭中异物的检测技术手段，所以缺乏有效的管控手段。目前主要依靠磁铁分离器等设备来分离磁性金属类高硬度异物，但对于其他异物如陶瓷类、合金类、非金属类等异物缺乏有效的检测手段。由于某些异物硬度较高，在运输过程中很容易对输煤皮带造成磨损或破坏，同时在皮带运输过程后很可能对磨煤机等设备造成磨损或破坏。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，根据输煤皮带上异物材质的介电常数与煤炭的介电常数的不同，利用微波断层扫描成像的方法，提供了一种输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置及方法。
输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置，包括输煤皮带和微波断层扫描成像系统，其中微波断层扫描成像系统包括上位机、微波信号发射模块、微波信号调节电路、2×N微波开关矩阵、微波成像传感器、微波信号接收和检测模块和数据采集器；
输煤皮带由两侧边皮带和底边皮带组成，横截面呈梯形，并且输煤皮带下方设有滚轮支撑；微波成像传感器由一个底边结构和左右两个侧边结构组成，侧边结构与底边结构相同；微波成像传感器的N个电极均匀分布在输煤皮带的下方，微波成像传感器采用与输煤皮带横截面形状相匹配的梯形结构，靠近输煤皮带下表面但非接触；微波成像传感器包括SMA接口、金属铜片、绝缘层和金属底座；
上位机用于提供用户界面的接口、系统各个部分的控制、系统内的数据传输、数据的处理以及与系统外设备的数据通讯等；
微波信号发射模块提供所需频率的微波信号，通过控制接口调节信号频率和输出功率等指标；
微波信号调节电路包括信号放大、衰减、过滤和特性阻抗匹配；
2×N微波开关矩阵实现微波断层扫描成像系统中微波信号发射端和接收端到微波成像传感器的任意两个电极的连接；通过控制2×N微波开关矩阵变换微波成像传感器中的信号路径采集所有微波成像图像重建所需的测量数据；2×N微波开关矩阵使微波成像传感器的任何一个电极都能够连接到发射端或者接收端；
微波成像传感器主要由SMA接口、金属铜片、绝缘层和金属底座构成，若干个金属铜片与金属底座之间设有绝缘层隔离，金属铜片焊接连接到SMA接口的信号端，SMA接口用于金属铜片与传感器外部的连接接口；
微波信号接收和检测模块用于检测接收端接收到的微波信号的量纲或者相位，并将测试结果发送给数据采集器；
数据采集器对微波信号接收和检测模块进行高速的数字和模拟量的数据采集，并将采集的数据发送给上位机，同时也接收上位机的控制信号。
作为优选：金属铜片作为微波成像异物检测传感器的电极，金属铜片固定在绝缘层的上表面，并在金属铜片上涂有一层绝缘涂层；绝缘层位于金属铜片与金属底座之间，绝缘层采用塑料材料；金属铜片一端与SMA接口中心的信号端焊接在一起，SMA接口的金属外壳作为信号地，SMA接口中间的金属细棒作为高频信号的传播介质，细棒与外壳之间设有PTFE塑料作为绝缘隔离；金属底座作为信号地，金属底座支撑整个微波成像传感器；SMA接口的金属外壳与金属底座通过螺丝固定在一起，作为信号地。
作为优选：2×N微波开关矩阵中，数字N为微波成像传感器的电极数量，数字2为信号发射和信号接收的两端。
输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置的检测方法，包括以下步骤：
1)上位机控制微波信号发射模块发射指定频率的微波信号，经过微波信号调节电路对信号放大、衰减和滤波等处理后，信号连接到2×N微波开关矩阵，通过微波成像传感器之后，最后通过微波信号调节电路连接到微波信号接收和检测模块；
2)通过对2×N微波开关矩阵的控制，发射端能连接到微波成像传感器的任意一个电极；同时通过控制2×N微波开关矩阵，接收端连接到微波成像传感器的另一个电极；在微波成像传感器中，微波信号穿过被测物质的路径开始于发射端连接的电极，终止于接收端连接的电极；
3)2×N微波开关矩阵的接收端接收到的微波信号被发送到接收部分的微波信号调节电路，经过信号的放大、衰减和滤波等处理，微波信号到达微波信号接收和检测模块；
4)微波信号接收和检测模块测量微波信号的量纲和相位等信息，并将测量结果传递给数据采集器；数据采集器提供高速的数据采集功能，并把数据发送给上位机；
5)上位机根据微波成像一个周期的所有数据，并利用微波成像图像重建算法，计算出被测区域的相对介电常数的分布情况；当输煤皮带上的异物介电常数和煤炭介电常数不同时，则探测出输煤皮带上有异物。
输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置的差值检测方法，包括以下步骤：
1)将位于输煤皮带前后不同位置的第一测试横截面和第二测试横截面分别设置一组输煤皮带上异物的检测装置；
2)上位机控制微波信号发射模块发射指定频率的微波信号，经过微波信号调节电路对信号放大、衰减和滤波等处理后，信号连接到2×N微波开关矩阵，通过微波成像传感器之后，最后通过微波信号调节电路连接到微波信号接收和检测模块；
3)通过对2×N微波开关矩阵的控制，发射端能连接到微波成像传感器的任意一个电极；同时通过控制2×N微波开关矩阵，接收端连接到微波成像传感器的另一个电极；在微波成像传感器中，微波信号穿过被测物质的路径开始于发射端连接的电极，终止于接收端连接的电极；
4)2×N微波开关矩阵的接收端接收到的微波信号到达接收部分的微波信号调节电路，经过信号的放大、衰减和滤波等处理，微波信号到达微波信号接收和检测模块；
5)微波信号接收和检测模块测量微波信号的量纲和相位等信息，并将测量结果传递给数据采集器；数据采集器提供高速的数据采集功能，并把数据发送给上位机；
6)上位机根据微波成像一个周期的所有数据，并利用微波成像图像重建算法，计算出被测区域的相对介电常数的分布情况；通过两组输煤皮带上异物的检测装置测试结果的差值，判断输煤皮带在测试横截面的位置是否有异物。
本发明的有益效果是：本发明能够及时发现运行中输煤皮带上煤炭原料中的金属或非金属异件，利用检测到的信息使得下一步的异件排除成为可能。输煤皮带上异物的检测和排除可以减少中速磨的卡堵，避免磨煤机的振动，减少磨辊磨盘的磨损，延长设备的使用寿命，避免对带式输送机皮带的划伤以及造成落煤筒的堵塞，相应减少了碎煤机和滚轴筛相关部件的磨损，避免由于异件的卡涩造成对设备的损害。本发明从深层次解决了输送系统中异物排除应用所面临的问题，弥补了除铁设备只能针对磁性金属材质异件的不足，使得输煤系统设备及磨煤机运行可靠安全，相应地降低了设备的维护费用，提高了经济效益。
附图说明
图1为本发明输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置结构示意图；
图2为输煤系统中输煤皮带横截面结构示意图；
图3为本发明输煤皮带上异物检测的微波成像传感器的结构示意图；
图4为本发明输煤皮带上异物检测的微波成像传感器的局部放大图；
图5为本发明的两套微波成像传感器在输煤皮带上异物检测的示意图。
附图标记说明：上位机1、微波信号发射模块2、微波信号调节电路3、2×N微波开关矩阵4、微波成像传感器5、微波信号接收和检测模块6、数据采集器7、SMA接口8、金属铜片9、绝缘层10、金属底座11、第一测试横截面12、第二测试横截面13、滚轮支撑14、输煤皮带侧面15。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
所述的输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置，包括输煤皮带和微波断层扫描成像系统，其中微波断层扫描成像系统包括上位机1、微波信号发射模块2、微波信号调节电路3、2×N微波开关矩阵4、微波成像传感器5、微波信号接收和检测模块6和数据采集器7。图1箭头方向为主要的信号或信息的方向。
如图2所示，输煤皮带由两侧边皮带和底边皮带组成，横截面呈梯形，并且输煤皮带下方设有滚轮支撑14。如图3所示，梯形的微波成像传感器5由一个底边结构和左右两个侧边结构组成，侧边结构与底边结构相同；微波成像传感器5的N个电极均匀分布在输煤皮带的下方，形成与皮带形状相同的梯形，靠近皮带下表面但非接触，以免对运动中的皮带造成磨损。如图4所示，微波成像传感器5的详细结构为：金属铜片9作为微波成像传感器5的电极，固定在绝缘层10的上表面，并在金属铜片9上涂有一层绝缘涂层，用来防止液体或者灰尘等物质的侵蚀，同时有效防止不同电极之间的短路连接；绝缘层10位于金属铜片9与金属底座11之间，材料可以选用塑料等材料；金属铜片9一端与SMA接口8中心的信号端焊接在一起，SMA接口8的金属外壳作为信号地，中间的金属细棒作为高频微波信号的传播介质，细棒与外壳之间设有PTFE塑料作为绝缘隔离；金属底座11作为信号地，也作为传感器的机械支撑和保护；SMA接口8的外壳与金属底座11由机械螺丝固定在一起，作为信号地。
上位机1的主要功能是提供用户界面的接口、系统各个部分的控制、系统内的数据传输、数据的处理以及一些与系统外设备的数据通讯等。
微波信号发射模块2主要提供了设计所需要频率的微波信号，通过控制接口，可以调节信号频率和输出功率等指标。
微波信号调节电路3主要功能包括：信号放大、衰减、过滤、特性阻抗匹配等。
2×N微波开关矩阵4实现微波断层扫描成像系统中微波信号发射端和接收端到微波成像传感器5的任意两个电极的连接。通过控制2×N微波开关矩阵4变换微波成像传感器5中的信号路径采集所有微波成像图像重建所需的测量数据。2×N微波开关矩阵4中，数字N为微波成像传感器5的电极数量，数字2代表信号发射端和信号接收端。2×N微波开关矩阵5使微波成像传感器5的任何一个电极可以连接到发射端或者接收端。
微波成像传感器5主要由N个电极和金属底座11构成，外层的金属底座11作为传感器的机械保护，电极与金属底座11之间设有绝缘层10隔离，电极各自可以连接到金属底座11外的端口，每个电极设有SMA接口8用于电极与传感器外部的连接。
微波信号接收和检测模块6主要用来检测接收端接收到的微波信号的量纲或者相位，并将测试结果发送给数据采集器7。
数据采集器7对微波信号接收和检测模块6进行高速的数字和模拟量的数据采集，并将采集的数据发送给上位机1，同时也接收上位机1的控制信号。
根据断层扫描成像的一个周期的测量数据，并利用微波成像图像重建算法，获得被测输煤皮带上横截面的相对介电常数的分布情况。由于异物的介电常数与煤炭的差异，所以可以实现输煤系统中输煤皮带上异物检测的功能。
所述的输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置的检测方法，包括以下步骤：
1)如图1所示，上位机1控制微波信号发射模块2发射指定频率的微波信号，经过微波信号调节电路3对信号放大、衰减和滤波等处理后，信号连接到微波开关矩阵4，并通过一定的微波信号调节电路3连接到微波信号接收和检测模块6。
2)通过对2×N微波开关矩阵4的控制，发射端可以连接到微波成像传感器5的任意一个电极。同时通过控制2×N微波开关矩阵4，接收端连接到微波成像传感器5的另一个电极。在微波成像传感器5中，微波信号穿过被测物质的路径开始于发射端连接的电极，终止于接收端的电极。
3)2×N微波开关矩阵4的接收端接收到的微波信号被发送到接收部分的微波信号调节电路3，经过信号的放大、衰减和滤波等处理，微波信号到达微波信号接收和检测模块6。
4)微波信号接收和检测模块6主要用来测量微波信号的量纲和相位等信息，并将测量结果传递给数据采集器7。数据采集器7主要提供高速的数据采集功能，并把数据发送给上位机1。
5)上位机1根据微波成像一个周期的所有数据，并利用微波成像图像重建算法，计算出被测区域的相对介电常数的分布情况。由于输煤皮带上的异物的介电常数和煤炭介电常数不同，系统可以实现探测出输煤皮带上的异物的功能。
所述的输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置的差值检测方法，包括以下步骤：
1)如图5所示，由于湿度对煤炭介电常数的影响比较大，而且湿度分布的不均匀，所以在实际应用中，可以将位于输煤皮带前后不同位置的第一测试横截面12和第二测试横截面13分别设置一组输煤皮带上异物的检测装置，并且两组输煤皮带上异物的检测装置同时使用。通过两组输煤皮带上异物的检测装置测试结果的差值来判断输煤皮带上异物的情况，可以消除煤炭中含水量不同所引起的被测煤炭相对介电常数的变化。
2)如图1所示，上位机1控制微波信号发射模块2发射指定频率的微波信号，经过微波信号调节电路3对信号放大、衰减和滤波等处理后，信号连接到微波开关矩阵4，并通过一定的微波信号调节电路3连接到微波信号接收和检测模块6。
3)通过对2×N微波开关矩阵4的控制，发射端可以连接到微波成像传感器5的任意一个电极。同时通过控制2×N微波开关矩阵4，接收端连接到微波成像传感器5的另一个电极。在微波成像传感器5中，微波信号穿过被测物质的路径开始于发射端连接的电极，终止于接收端的电极。
4)2×N微波开关矩阵4的接收端接收到的微波信号被发送到接收部分的微波信号调节电路3，经过信号的放大、衰减和滤波等处理，微波信号到达微波信号接收和检测模块6。
5)微波信号接收和检测模块6主要用来测量微波信号的量纲和相位等信息，并将测量结果传递给数据采集器7。数据采集器7主要提供高速的数据采集功能，并把数据发送给上位机1。
6)上位机1根据微波成像一个周期的所有数据，并利用微波成像图像重建算法，计算出被测区域的相对介电常数的分布情况。根据两组输煤皮带上异物的检测装置测试结果的差值，可以判断输煤皮带在测试横截面的位置是否有异物。
Claims (5)
1.一种输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置，其特征在于，包括输煤皮带和微波断层扫描成像系统，其中微波断层扫描成像系统包括上位机(1)、微波信号发射模块(2)、微波信号调节电路(3)、2×N微波开关矩阵(4)、微波成像传感器(5)、微波信号接收和检测模块(6)和数据采集器(7)；
输煤皮带由两侧边皮带和底边皮带组成，横截面呈梯形，并且输煤皮带下方设有滚轮支撑(14)；微波成像传感器(5)由一个底边结构和左右两个侧边结构组成，侧边结构与底边结构相同；微波成像传感器(5)的N个电极均匀分布在输煤皮带的下方，微波成像传感器(5)采用与输煤皮带横截面形状相匹配的梯形结构，靠近输煤皮带下表面但非接触；微波成像传感器(5)包括SMA接口(8)、金属铜片(9)、绝缘层(10)和金属底座(11)；
上位机(1)用于提供用户界面的接口、系统各个部分的控制、系统内的数据传输、数据的处理以及与系统外设备的数据通讯等；
微波信号发射模块(2)提供所需频率的微波信号，通过控制接口调节信号频率和输出功率等指标；
微波信号调节电路(3)包括信号放大、衰减、过滤和特性阻抗匹配；
2×N微波开关矩阵(4)实现微波断层扫描成像系统中微波信号发射端和接收端到微波成像传感器(5)的任意两个电极的连接；通过控制2×N微波开关矩阵(4)变换微波成像传感器(5)中的信号路径采集所有微波成像图像重建所需的测量数据；2×N微波开关矩阵(5)使微波成像传感器(5)的任何一个电极都能够连接到发射端或者接收端；
微波成像传感器(5)主要由SMA接口(8)、金属铜片(9)、绝缘层(10)和金属底座(11)构成，若干个金属铜片(9)与金属底座(11)之间设有绝缘层(10)隔离，金属铜片(9)焊接连接到SMA接口(8)的信号端，SMA接口(8)用于金属铜片(9)与传感器外部的连接接口；
微波信号接收和检测模块(6)用于检测接收端接收到的微波信号的量纲或者相位，并将测试结果发送给数据采集器(7)；
数据采集器(7)对微波信号接收和检测模块(6)进行高速的数字和模拟量的数据采集，并将采集的数据发送给上位机(1)，同时也接收上位机(1)的控制信号。
2.根据权利要求1所述的输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置，其特征在于，金属铜片(9)作为微波成像异物检测传感器的电极，金属铜片(9)固定在绝缘层(10)的上表面，并在金属铜片(9)上涂有一层绝缘涂层；绝缘层(10)位于金属铜片(9)与金属底座(11)之间，绝缘层(10)采用塑料材料；金属铜片(9)一端与SMA接口(8)中心的信号端焊接在一起，SMA接口(8)的金属外壳作为信号地，SMA接口(8)中间的金属细棒作为高频信号的传播介质，细棒与外壳之间设有PTFE塑料作为绝缘隔离；金属底座(11)作为信号地，金属底座(11)支撑整个微波成像传感器(5)；SMA接口(8)的金属外壳与金属底座(11)通过螺丝固定在一起，作为信号地。
3.根据权利要求1所述的输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置，其特征在于，2×N微波开关矩阵(4)中，数字N为微波成像传感器(5)的电极数量，数字2为信号发射和信号接收的两端。
4.一种如权利要求1所述输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)上位机(1)控制微波信号发射模块(2)发射指定频率的微波信号，经过微波信号调节电路(3)对信号放大、衰减和滤波等处理后，信号连接到2×N微波开关矩阵(4)，通过微波成像传感器(5)之后，最后通过微波信号调节电路(3)连接到微波信号接收和检测模块(6)；
2)通过对2×N微波开关矩阵(4)的控制，发射端能连接到微波成像传感器(5)的任意一个电极；同时通过控制2×N微波开关矩阵(4)，接收端连接到微波成像传感器(5)的另一个电极；在微波成像传感器(5)中，微波信号穿过被测物质的路径开始于发射端连接的电极，终止于接收端连接的电极；
3)2×N微波开关矩阵(4)的接收端接收到的微波信号被发送到接收部分的微波信号调节电路(3)，经过信号的放大、衰减和滤波等处理，微波信号到达微波信号接收和检测模块(6)；
4)微波信号接收和检测模块(6)测量微波信号的量纲和相位等信息，并将测量结果传递给数据采集器(7)；数据采集器(7)提供高速的数据采集功能，并把数据发送给上位机(1)；
5)上位机(1)根据微波成像一个周期的所有数据，并利用微波成像图像重建算法，计算出被测区域的相对介电常数的分布情况；当输煤皮带上的异物介电常数和煤炭介电常数不同时，则探测出输煤皮带上有异物。
5.一种如权利要求1所述输煤系统中输煤皮带上异物的检测装置的差值检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将位于输煤皮带前后不同位置的第一测试横截面(12)和第二测试横截面(13)分别设置一组输煤皮带上异物的检测装置；
2)上位机(1)控制微波信号发射模块(2)发射指定频率的微波信号，经过微波信号调节电路(3)对信号放大、衰减和滤波等处理后，信号连接到2×N微波开关矩阵(4)，通过微波成像传感器(5)之后，最后通过微波信号调节电路(3)连接到微波信号接收和检测模块(6)；
3)通过对2×N微波开关矩阵(4)的控制，发射端能连接到微波成像传感器(5)的任意一个电极；同时通过控制2×N微波开关矩阵(4)，接收端连接到微波成像传感器(5)的另一个电极；在微波成像传感器(5)中，微波信号穿过被测物质的路径开始于发射端连接的电极，终止于接收端连接的电极；
4)2×N微波开关矩阵(4)的接收端接收到的微波信号到达接收部分的微波信号调节电路(3)，经过信号的放大、衰减和滤波等处理，微波信号到达微波信号接收和检测模块(6)；
5)微波信号接收和检测模块(6)测量微波信号的量纲和相位等信息，并将测量结果传递给数据采集器(7)；数据采集器(7)提供高速的数据采集功能，并把数据发送给上位机(1)；
6)上位机(1)根据微波成像一个周期的所有数据，并利用微波成像图像重建算法，计算出被测区域的相对介电常数的分布情况；通过两组输煤皮带上异物的检测装置测试结果的差值，判断输煤皮带在测试横截面的位置是否有异物。
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