CN110161057A - 一种基于微波收发器的输煤皮带上异物的检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于微波收发器的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、高速多路数据采集器、N个微波信号收发器、N个微波信号调节电路以及具有N个电极的微波成像传感器；输煤皮带由位于下方的滚轮支撑，横截面呈梯形；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；高速多路数据采集器对多个微波信号收发器的接收信号强度指示的输出进行数据采集。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

一种基于微波收发器的输煤皮带上异物的检测装置及方法
技术领域
本发明涉及煤炭中异物检测技术领域，特别是涉及一种基于微波收发器的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，提供一种基于微波收发器的输煤皮带上异物的检测装置及方法。
基于微波收发器的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、高速多路数据采集器、N个微波信号收发器、N个微波信号调节电路以及具有N个电极的微波成像传感器；
输煤皮带由位于下方的滚轮支撑，横截面呈梯形；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，侧边与底边传感器部分结构相同；微波成像传感器的N个电极均匀分布在输煤皮带的下方，微波成像传感器形成与输煤皮带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；
高速多路数据采集器对多个微波信号收发器的接收信号强度指示的输出进行数据采集，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；
系统中的每个微波信号收发器独立工作，有发射和接收微波信号两种状态；微波信号收发器的接收信号强度指示，是测量微波信号在通过传感器中被测物质的衰减；
微波信号调节电路包括信号放大、衰减、过滤以及特性阻抗匹配；
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由绝缘层隔离，金属铜片的一端焊接连接到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。
作为优选：金属铜片作为微波成像传感器的电极，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；金属底座作为信号地，同时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。
基于微波收发器的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1号微波信号收发器发射信号，而2号到N号微波信号收发器接收信号；在微波信号的通路上微波信号调节电路进行频率过滤、特性阻抗匹配等；高速多路数据采集器测量2号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机；
2)然后上位机控制2号微波信号收发器发射信号，3号到N号微波信号收发器接收信号；高速多路数据采集器测量3号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机；
3)以此类推，最后一个数据为控制N-1号微波信号收发器发射信号，而N号微波信号收发器接收信号；
4)根据一个周期的所有测量数据，利用微波成像的图像重建算法，获得被测横截面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。
基于微波收发器的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微波成像传感器；
2)上位机控制1号微波信号收发器发射信号，而2号到N号微波信号收发器接收信号；在微波信号的通路上微波信号调节电路进行频率过滤、特性阻抗匹配等；高速多路数据采集器测量2号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机；
3)然后上位机控制2号微波信号收发器发射信号，3号到N号微波信号收发器接收信号；高速多路数据采集器测量3号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机；
4)以此类推，最后一个数据为控制N-1号微波信号收发器发射信号，而N号微波信号收发器接收信号；
5)根据一个周期的所有测量数据，利用微波成像的图像重建算法，获得被测横截面的相对介电常数的分布情况；根据两套微波成像传感器测试结果的差值，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，相应的降低了设备的维护费用，提高了经济效益。
附图说明
图1为本发明基于微波收发器的输煤皮带上异物的检测装置的结构示意图；
图2为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、高速多路数据采集器2、微波信号收发器3、微波信号调节电路4、微波成像传感器5、SMA接口6、金属铜片7、绝缘层8、金属底座9、第一测试横截面10、第二测试横截面11、滚轮12、输煤皮带侧面13。
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。
所述的基于微波收发器的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、高速多路数据采集器2、N个微波信号收发器3、微波信号调节电路4、具有N个电极的微波成像传感器5，如图1所示。
如图2所示，输煤皮带由位于下方的滚轮12支撑，横截面呈梯形。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，侧边与底边传感器部分结构相同；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7作为微波成像传感器5的电极，固定在绝缘层8的上表面，并在金属铜片7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8位于金属铜片7与金属底座9之间，材料可以选用塑料等材料；金属铜片7一端与SMA接口6中心的信号端焊接在一起，SMA接口6的金属外壳作为信号地，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9作为信号地，也作为传感器的机械支撑和保护；SMA接口6的外壳与金属底座9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、数据的处理及一些与系统外设备的数据通讯等。
高速多路数据采集器2主要功能是对多个微波信号收发器3的接收信号强度指示的输出进行数据采集，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。
系统中的每个微波信号收发器3都独立工作，有发射和接收微波信号两种状态，主要工作频率为工业、科学和医用频段，无需无线通讯许可证，如433MHz。微波信号收发器3的接收信号强度指示，在无线通讯中主要功能是用来判断无线链接的质量，而在本发明中的主要作用是测量微波信号在通过传感器中被测物质的衰减。
微波信号调节电路4主要功能包括：信号放大、衰减、过滤、特性阻抗匹配等。
微波成像传感器5主要由SMA接口6、金属铜片7、绝缘层8和金属底座9构成，若干个金属铜片7与金属底座9之间由绝缘层8隔离，金属铜片7的一端焊接连接到SMA接口6的信号端，SMA接口6用于金属铜片7与传感器外部的连接接口。
通过微波成像图像重建的算法，根据断层扫描成像的一个周期测量的数据，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，所以可以实现输煤皮带上异物检测的功能。
所述的基于微波收发器的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1号微波信号收发器发射信号，而2号到N号微波信号收发器接收信号。在微波信号的通路上微波信号调节电路4提供了频率过滤、特性阻抗匹配等功能。高速多路数据采集器2测量2号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机1。
2)然后上位机1控制2号微波信号收发器发射信号，其他的3号到N号微波信号收发器接收信号。高速多路数据采集器2测量3号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机1。
3)以此类推，最后一个数据为控制N-1号微波信号收发器发射信号，而N号微波信号收发器接收信号。
4)根据一个周期的所有测量数据，利用微波成像的图像重建算法，获得被测横截面的相对介电常数的分布情况。根据异物的介电常数与煤炭的介电常数的差异，可以实现输煤系统中输煤皮带上异物的检测功能。
所述的基于微波收发器的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10和第二测试横截面11分别设置微波成像传感器5，并且两套微波成像传感器5同时使用。通过两套微波成像传感器5测试结果的差值来判断输煤皮带上异物的情况，可以消除不同含水量的煤炭引起的相对介电常数的变化。
2)如图1所示，上位机1控制1号微波信号收发器发射信号，而2号到N号微波信号收发器接收信号。在微波信号的通路上微波信号调节电路4提供了频率过滤、特性阻抗匹配等功能。高速多路数据采集器2测量2号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机1。
3)然后上位机1控制2号微波信号收发器发射信号，其他的3号到N号微波信号收发器接收信号。高速多路数据采集器2测量3号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机1。
4)以此类推，最后一个数据为控制N-1号微波信号收发器发射信号，而N号微波信号收发器接收信号。
5)根据一个周期的所有测量数据，利用微波成像的图像重建算法，获得被测横截面的相对介电常数的分布情况。根据两套微波成像传感器5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 (4)

1.一种基于微波收发器的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)、高速多路数据采集器(2)、N个微波信号收发器(3)、N个微波信号调节电路(4)以及具有N个电极的微波成像传感器(5)；
输煤皮带由位于下方的滚轮(12)支撑，横截面呈梯形；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，侧边与底边传感器部分结构相同；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)形成与输煤皮带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(6)、金属铜片(7)、绝缘层(8)和金属底座(9)；
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；
高速多路数据采集器(2)对多个微波信号收发器(3)的接收信号强度指示的输出进行数据采集，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；
系统中的每个微波信号收发器(3)独立工作，有发射和接收微波信号两种状态；微波信号收发器(3)的接收信号强度指示，是测量微波信号在通过传感器中被测物质的衰减；
微波信号调节电路(4)包括信号放大、衰减、过滤以及特性阻抗匹配；
微波成像传感器(5)主要由SMA接口(6)、金属铜片(7)、绝缘层(8)和金属底座(9)构成，若干个金属铜片(7)与金属底座(9)之间由绝缘层(8)隔离，金属铜片(7)的一端焊接连接到SMA接口(6)的信号端，SMA接口(6)用于金属铜片(7)与传感器外部的连接接口。
2.根据权利要求1所述的基于微波收发器的输煤皮带上异物的检测装置，其特征在于，金属铜片(7)作为微波成像传感器(5)的电极，金属铜片(7)固定在绝缘层(8)的上表面，并在金属铜片(7)上涂有一层绝缘涂层；绝缘层(8)位于金属铜片(7)与金属底座(9)之间，绝缘层(8)采用塑料材料；金属铜片(7)一端与SMA接口(6)中心的信号端焊接在一起，SMA接口(6)的金属外壳作为信号地，SMA接口(6)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(9)作为信号地，同时支撑整个微波成像传感器(5)；SMA接口(6)的金属外壳与金属底座(9)通过螺丝固定在一起，作为信号地。
3.一种如权利要求1所述的基于微波收发器的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1号微波信号收发器发射信号，而2号到N号微波信号收发器接收信号；在微波信号的通路上微波信号调节电路(4)进行频率过滤、特性阻抗匹配等；高速多路数据采集器(2)测量2号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机(1)；
2)然后上位机(1)控制2号微波信号收发器发射信号，3号到N号微波信号收发器接收信号；高速多路数据采集器(2)测量3号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机(1)；
3)以此类推，最后一个数据为控制N-1号微波信号收发器发射信号，而N号微波信号收发器接收信号；
4)根据一个周期的所有测量数据，利用微波成像的图像重建算法，获得被测横截面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。
4.一种如权利要求1所述的基于微波收发器的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(10)和第二测试横截面(11)分别设置微波成像传感器(5)；
2)上位机(1)控制1号微波信号收发器发射信号，而2号到N号微波信号收发器接收信号；在微波信号的通路上微波信号调节电路(4)进行频率过滤、特性阻抗匹配等；高速多路数据采集器(2)测量2号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机(1)；
3)然后上位机(1)控制2号微波信号收发器发射信号，3号到N号微波信号收发器接收信号；高速多路数据采集器(2)测量3号到N号微波信号收发器的接收信号强度指示的数据，并把数据发送给上位机(1)；
4)以此类推，最后一个数据为控制N-1号微波信号收发器发射信号，而N号微波信号收发器接收信号；
5)根据一个周期的所有测量数据，利用微波成像的图像重建算法，获得被测横截面的相对介电常数的分布情况；根据两套微波成像传感器(5)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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