CN117775761A - 一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置及其方法，属于矿槽卸料车堵料检测技术领域。一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置，包括皮带滚筒和上料皮带，其特征在于毫米波雷达，所述毫米波雷达包括毫米波芯片、雷达外壁和整流罩，所述皮带滚筒的下方设置有下料斗，下料斗的底端设置有料斗密封套。为解决矿槽卸料车在现有技术下堵料检测时存在故障率高，错误动作多的问题，且目前除人工巡检确认之外没有有效办法解决矿槽堵料检测问题，通过毫米波雷达对地面发射并接收高频毫米波信号，毫米波雷达外接算法服务器，算法服务器利用接收的高频毫米波信号，演算出物料的堆积速度并结合物料高度，从而判断是否堵料。
Description
技术领域
本发明涉及矿槽卸料车堵料检测技术领域，具体为一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置及其方法。
背景技术
炼铁高炉矿槽卸料车由机架、托辊组件、改向滚筒、行走装置、下料斗等结构组成，作用是在输料系统中将上料皮带机上的料卸在指定的料仓里，为达到卸料小车能给不同的料仓卸不同的料，卸料小车需要沿着上料皮带机方向进行正反方向的往复运行，在下料过程中会产生大量粉尘，出于环保要求对卸料车进行下料斗全包围，导致一旦出现堵料情况会造成原料与斗口卡死，从而引发卸料车料斗机构变形脱落甚至车体倾斜等严重事故。
矿槽卸料车采用结构紧凑的裤衩料斗，常规堵料检测无法安装，现有方法是基于机械冲击原理，在料斗内安装有一个或多个料流检测触发装置，当物料流动正常时，触发装置会在料流的压力下偏移，出现堵料时，物料流动停止，触发装置回到初始位置，这个变化被检测到，然后发送堵料警报。
上述方法，堵料检测时存在受到安装位置、物料冲刷和大块冲击影响故障率高，错误动作多的问题，且目前除人工巡检确认之外没有有效办法解决矿槽堵料检测问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置及其方法，通过毫米波雷达对地面发射并接收高频毫米波信号，毫米波雷达外接算法服务器，算法服务器利用接收的高频毫米波信号，演算出物料的堆积速度并结合物料高度，判断是否堵料，可以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置，包括皮带滚筒和上料皮带，其特征在于，包括毫米波雷达，所述毫米波雷达包括毫米波芯片、雷达外壁和整流罩，所述雷达外壁为扩口朝下的喇叭造型，雷达外壁安装在毫米波雷达的上盖板的下面，所述毫米波芯片位于雷达外壁的内部，所述整流罩安装在雷达外壁的下端，雷达外壁与整流罩有效保护毫米波芯片不受外部环境的影响，所述皮带滚筒的下方设置有下料斗，下料斗的底端设置有料斗密封套，所述毫米波雷达位于下料斗的侧面。
优选的，所述皮带滚筒在矿槽卸料车的进料口撑起上料皮带，物料延上料皮带的传动方向进入矿槽卸料车的内部。
优选的，所述下料斗的上端与矿槽卸料车的出料口通过螺钉连接，下料斗的下端被料斗密封套全包围。
优选的，所述雷达外壁的壁厚等于毫米波雷达发射的毫米波半波长的整数倍，从而减小雷达外壁的壁厚对毫米波的影响。
优选的，所述整流罩的构造为控制毫米波波束扫描范围的半圆形透镜。
优选的，所述毫米波芯片的表面设置有毫米波发射器和毫米波接收器。
一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置的方法，基于一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置实现，包括以下步骤：
步骤一、毫米波芯片使用毫米波发射器向待测物料区域发射高频毫米波信号；
步骤二、毫米波芯片使用毫米波接收器接收被测物料区域反射回来的毫米波信号；
步骤三、毫米波雷达外接算法服务器对接收到的毫米波信号进行预处理操作；
步骤四、通过算法服务器计算毫米波信号的时频特征参数，部分时频特征参数以数图形式展示；
步骤五、通过算法服务器将时频特征参数利用多普勒效应的原理演算，通过演算出的物料堆积速度并结合物料高度，判断是否堵料；
通过对预处理后的信号进行傅里叶变换FFT频谱分析方法，提取多普勒频率变化，再利用短时傅里叶变换STFT时频分析方法，分析提取的多普勒频率；
计算物体速度：根据提取的多普勒频率变化和雷达的工作频率，利用多普勒效应公式计算物体的相对速度；公式如下：
其中，v是物体的相对速度，fd是多普勒频率变化，c是光速，fr是雷达的工作频率；
对计算出的速度进行后处理操作。
步骤六、当堵塞概率超过预设阈值时，发出预警信号，提示操作人员采取相应措施。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用毫米波雷达进行矿槽卸料车堵料检测，其结构简单、安装方便、运行平稳，可以适应多种矿槽卸料车，提高了该检测装置的普适性；同时毫米波具有低延迟、高分辨率和高穿透性等优点，能够适应矿槽卸料车所处的高粉尘环境，可以实时监测物料堵塞情况，提前发现堵料问题，解决了人工巡检带来的滞后性。
2、本发明通过将毫米波雷达安装在矿槽卸料车的下方，毫米波雷达与矿槽卸料车不直接接触，与现有技术相比，可以避免因设备磨损、安装误差等问题导致的测量不准确，同时无接触测量也降低了对设备的破坏性，延长了设备的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的整体主视图；
图2为本发明的毫米波雷达结构示意图；
图3为本发明的毫米波雷达结构剖视图；
图4为本发明的方法流程图；
图5为没有堆积物料时毫米波回传波形示意图；
图6为有物料堆积时毫米波回传波形示意图。
图中：1、皮带滚筒；2、下料斗；3、料斗密封套；4、上料皮带；5、毫米波雷达；501、毫米波芯片；502、雷达外壁；503、整流罩。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决，矿槽卸料车在现有技术下堵料检测时存在受到安装位置、物料冲刷和大块冲击影响故障率高，错误动作多的问题，且目前除人工巡检确认之外没有有效办法解决矿槽堵料检测问题，请参阅图1-6，本实施例提供以下技术方案：
一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置，包括皮带滚筒1和上料皮带4，其特征在于，包括毫米波雷达5，毫米波雷达5包括毫米波芯片501、雷达外壁502和整流罩503，雷达外壁502为扩口朝下的喇叭造型，雷达外壁502安装在毫米波雷达5的上盖板的下面，毫米波芯片501位于雷达外壁502的内部，整流罩503安装在雷达外壁502的下端，雷达外壁502与整流罩503有效保护毫米波芯片501不受外部环境的影响，皮带滚筒1的下方设置有下料斗2，下料斗2的底端设置有料斗密封套3，毫米波雷达5位于下料斗2的侧面。
皮带滚筒1在矿槽卸料车的进料口撑起上料皮带4，物料延上料皮带4的传动方向进入矿槽卸料车的内部，下料斗2的上端与矿槽卸料车的出料口通过螺钉连接，下料斗2的下端被料斗密封套3全包围。
具体的，皮带滚筒1将上料皮带4抬高，上料皮带4上的物料被传送到高处，后因重力掉落进矿槽卸料车的内部，料斗密封套3将下料斗2的下端全包围，减少了下料时粉尘的扩散。
毫米波雷达5安装在下料斗2的外侧，雷达外壁502的材质具有均匀性且内外表面光滑，雷达外壁502的壁厚等于毫米波雷达5发射的毫米波半波长的整数倍(现有技术)，从而减小雷达外壁502的壁厚对毫米波的影响。
具体的，雷达外壁502可以保护毫米波雷达5内部的元器件，同时正确的雷达外壁502壁厚与造型，可以减少毫米波在经过雷达外壁502时带来的强度损失。
整流罩503的构造可以控制毫米波波束扫描范围的半圆形透镜，毫米波芯片501发射毫米波，毫米波透过整流罩503直接对地面进行实时扫描，当毫米波雷达5检测到物料正在地面堆积则说明矿槽卸料车已出现堵料现象。
具体的，整流罩503利用自身的结构将毫米波雷达5的扫描范围控制在5°，以适应现场狭小的安装空间，同时减少了因扫描范围过大，扫描到其他物体造成误判的可能。
毫米波芯片501安装在毫米波雷达5的内部，毫米波芯片501的表面设置有毫米波发射器和毫米波接收器，毫米波具有低延迟、高分辨率和高穿透性等优点，能够适应矿槽卸料车所处的高粉尘环境，可以实时监测物料堵塞情况，提前发现堵料问题，解决了人工巡检带来的滞后性。
一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置的方法，基于一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置实现，包括以下步骤：
步骤一、毫米波雷达5中的毫米波芯片501使用毫米波发射器，向待测物料区域发射高频毫米波信号；
步骤二、毫米波雷达5中的毫米波芯片501使用毫米波接收器，接收被测物料区域反射回来的毫米波信号；
步骤三、毫米波雷达5外接算法服务器，对接收到的毫米波信号进行去噪、放大和滤波等预处理操作，以减小干扰噪声对有用信号的干扰，从而减少后续处理的难度、提高分析的精度；
步骤四、通过算法服务器计算毫米波信号的时频特征参数，如信号强度、频率、相位等，分析物料的密度、厚度和形状等信息，部分时频特征参数以数图形式展示，使得可以方便地记录和分析历史数据，有助于挖掘潜在问题、优化设备性能和间接提高生产效率；
步骤五、通过算法服务器将时频特征参数利用多普勒效应的原理演算，通过演算出的物料堆积速度并结合物料高度，判断是否堵料；
通过对预处理后的信号进行傅里叶变换(FFT)或其他频谱分析方法，提取多普勒频率变化。可以使用短时傅里叶变换(STFT)、小波变换等时频分析方法来提高多普勒频率估计的精度和实时性。
计算物体速度：根据提取的多普勒频率变化和雷达的工作频率，利用多普勒效应公式计算物体的相对速度。公式如下：
其中，v是物体的相对速度，fd是多普勒频率变化，c是光速，fr是雷达的工作频率。
对计算出的速度进行滤波、平滑等后处理操作，以提高速度估计的稳定性和准确性。当速度过慢，或速度为零时则有堵料风险。当速度过快时，则为有人经过或有小车在移动。
步骤六、当堵塞概率超过预设阈值时，发出预警信号，提示操作人员采取相应措施。
工作原理：当物料延上料皮带4的传动方向进入矿槽卸料车的内部时，在下料斗2的外侧设置有毫米波雷达5，毫米波雷达5内部的毫米波芯片501对地面待测区域发射并接收高频毫米波信号，毫米波雷达5外接算法服务器，算法服务器利用接收的高频毫米波信号，演算出地面待测区域物料的堆积速度并结合物料高度，判断是否堵料。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置，包括皮带滚筒(1)和上料皮带(4)，其特征在于，还包括毫米波雷达(5)，所述毫米波雷达(5)包括毫米波芯片(501)、雷达外壁(502)和整流罩(503)，所述雷达外壁(502)为扩口朝下的喇叭造型，雷达外壁(502)安装在毫米波雷达(5)的上盖板的下面，所述毫米波芯片(501)位于雷达外壁(502)的内部，所述整流罩(503)安装在雷达外壁(502)的下端，雷达外壁(502)与整流罩(503)用于保护毫米波芯片(501)，所述皮带滚筒(1)的下方设置有下料斗(2)，下料斗(2)的底端设置有料斗密封套(3)，所述毫米波雷达(5)位于下料斗(2)的侧面。
2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置，其特征在于：所述皮带滚筒(1)在矿槽卸料车的进料口撑起上料皮带(4)，物料沿上料皮带(4)的传动方向进入矿槽卸料车的内部。
3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置，其特征在于：所述下料斗(2)的上端与矿槽卸料车的出料口通过螺钉连接，下料斗(2)的下端被料斗密封套(3)全包围。
4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置，其特征在于：所述雷达外壁(502)的壁厚等于毫米波雷达(5)发射的毫米波半波长的整数倍。
5.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置，其特征在于：所述整流罩(503)的构造为控制毫米波波束扫描范围的半圆形透镜。
6.根据权利要求1所述的一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置，其特征在于：所述毫米波芯片(501)的表面设置有毫米波发射器和毫米波接收器。
7.一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测方法，基于权利要求1-6任一项所述的一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、毫米波芯片(501)通过毫米波发射器向待测物料区域发射高频毫米波信号；
步骤二、毫米波芯片(501)通过毫米波接收器接收被测物料区域反射回来的毫米波信号；
步骤三、毫米波雷达(5)外接算法服务器对接收到的毫米波信号进行预处理操作；
步骤四、通过算法服务器计算毫米波信号的时频特征参数，时频特征参数以数图形式展示；
步骤五、通过算法服务器将时频特征参数利用多普勒效应的原理演算，通过演算出的物料堆积速度并结合物料高度，判断是否堵料；
步骤六、当堵塞概率超过预设阈值时，发出预警信号，提示操作人员采取相应措施。
8.根据权利要求7所述的一种基于毫米波的矿槽卸料车堵料检测方法，其特征在于：步骤五中物料堆积速度的演算方法如下：
通过对预处理后的信号进行傅里叶变换频谱分析方法，提取多普勒频率变化，再利用短时傅里叶变换时频分析方法，分析提取的多普勒频率；
计算物体速度：根据提取的多普勒频率变化和雷达的工作频率，利用多普勒效应公式计算物体的相对速度；公式如下：
其中，v是物体的相对速度，fd是多普勒频率变化，c是光速，fr是雷达的工作频率；
对计算出的速度进行后处理操作。
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