CN220454523U - 矿井安全远程监管系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及矿井安全技术领域，提出了矿井安全远程监管系统，包括激光发射电路，包括运放U2、第二开关管Q2、电感L1、第一开关管Q1、激光发射器LED1和电阻R1，第一开关管Q1的控制端连接主控单元，第一开关管Q1的第一端连接电感L1的第一端，第一开关管Q1的第二端通过电阻R1接地，激光发射器LED1的阳极连接第一开关管Q1的第一端，激光发射器Q1的阴极连接第一开关管Q1的第二端，第一开关管Q1的第二端连接运放U2的反相输入端，运放U2的输出端连接第二开关管Q2的控制端，第二开关管Q2的第一端连接9V电源，第二开关管Q2的第二端连接电感L1的第二端。通过上述技术方案，解决了现有技术中微处理器在休眠状态下功耗高的问题。

Description

矿井安全远程监管系统

技术领域

本实用新型涉及矿井安全技术领域，具体的，涉及矿井安全远程监管系统。

背景技术

煤矿地下开采过程中，竖井变形是一个不容忽视的问题，其主要表现为与其牢固固定在一起的罐道的偏斜和变形，从而增加提升阻力，造成罐耳磨损增大，这种变形发展到一定程度时，有可能发生卡罐、掉罐等重大事故。显然，随时掌握罐道变形的情况是非常必要的。

传统的罐道变形测量方法主要有几何测距法、振动加速度法、专业仪器法和激光测距法等，其中激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与其它非接触类测距传感器相比，可以连续稳定工作，显著减少设备重量和系统功耗，因此在罐道变形测量激光测距法得到了广泛的应用，由于煤矿地下的环境复杂，导致激光器输出的功率不稳定，从而导致罐道变形测量的精度差。

实用新型内容

本实用新型提出矿井安全远程监管系统，解决了现有技术中激光器输出的功率不稳定的问题。

本实用新型的技术方案如下：

矿井安全远程监管系统，包括主控单元、激光发射电路、激光接收电路和无线通信单元，所述激光发射电路和所述激光接收电路均与所述主控单元连接，所述主控单元借助所述无线通信单元与监控终端通讯连接，所述激光发射电路包括运放U2、电阻R2、电阻R3、第二开关管Q2、电感L1、第一开关管Q1、激光发射器LED1和电阻R1，

所述第一开关管Q1的控制端连接所述主控单元的第一输出端，所述第一开关管Q1的第一端连接所述电感L1的第一端，所述第一开关管Q1的第二端通过所述电阻R1接地，所述激光发射器LED1的阳极连接所述第一开关管Q1的第一端，所述激光发射器LED1的阴极连接所述第一开关管Q1的第二端，

所述第一开关管Q1的第二端连接所述运放U2的反相输入端，所述运放U2的同相输入端连接Vref1参考电压，所述运放U2的输出端通过所述电阻R2连接所述运放U2的反相输入端，所述运放U2的输出端通过所述电阻R3连接所述第二开关管Q2的控制端，所述第二开关管Q2的第一端连接继电器K1的公共端，所述继电器K1的常闭端连接9V电源，所述第二开关管Q2的第二端连接所述电感L1的第二端。

进一步，本实用新型中所述激光发射电路还包括电阻R4、电容C1和电容C2，所述电阻R4的第一端连接所述继电器K1的公共端，所述电阻R4的第二端连接所述第二开关管Q2的第一端，所述电容C1的第一端连接所述电阻R4的第一端，所述电容C1的第二端接地，所述电容C2的第一端连接所述电阻R4的第二端，所述电容C2的第二端接地。

进一步，本实用新型中所述激光发射电路还包括非门U1，所述非门U1的第一端连接所述主控单元的第一输出端，所述非门U1的第二端连接所述第一开关管Q1的控制端。

进一步，本实用新型中还包括保护电路，所述保护电路包括运放U3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运放U4、电阻R8、第三开关管Q3和发光二极管LED2，所述运放U3的同相输入端连接所述激光发射器LED1的阴极，所述运放U3的反相输入端连接Vref2参考电压，所述运放U3的输出端通过所述电阻R5连接所述运放U4的同相输入端，所述运放U4的反相输入端通过所述电阻R7接地，所述运放U4的输出端通过所述电阻R6连接所述运放U4的反相输入端，所述运放U4的输出端通过所述电阻R8连接所述第三开关管Q3的控制端，所述第三开关管Q3的第一端连接所述继电器K1的第一输入端，所述继电器K1的第二输入端连接9V电源，所述第三开关管Q3的第二端连接所述发光二极管LED2的阳极，所述发光二极管LED2的阴极接地。

进一步，本实用新型中所述激光接收电路包括激光接收器U5、电容C4、运放U6、电阻R9、电阻R10、电阻R11和运放U7，所述激光接收器U5的阳极接地，所述激光接收器U5的阴极通过所述电容C4连接所述运放U6的同相输入端，所述运放U6的反相输入端通过所述电阻R9接地，所述运放U6的输出端通过所述电阻R10连接所述运放U6的反相输入端，所述运放U6的输出端通过所述电阻R11连接所述运放U7的同相输入端，所述运放U7的输出端连接所述运放U7的反相输入端，所述运放U7的输出端连接所述主控单元的第二输入端。

进一步，本实用新型中所述运放U7的输出端和所述主控单元的第二输入端之间还设有滤波电路，所述滤波电路包括电阻R12、电容C6、电容C7、电阻R13、运放U8、电阻R14和电阻R15，所述电阻R12的第一端连接所述运放U7的输出端，所述电阻R12的第二端通过所述电容C6接地，所述电阻R12的第二端通过所述电容C7连接所述运放U8的同相输入端，所述运放U8的同相输入端通过所述电阻R13接地，所述运放U8的反相输入端通过所述电阻R14接地，所述运放U8的输出端通过所述电阻R15连接所述运放U8的反相输入端，所述运放U8的输出端连接所述主控单元的第二输入端。

本实用新型的工作原理及有益效果为：

本实用新型中，通过激光测距法对罐道变形进行监测，从光源发射一束激光，经过镜片聚焦到被测罐道表面，然后在反射方向上通过镜片成像观察反射光点的位置，当罐道出现变形时，即罐道发生位移，从而激光源到被测罐道表面的距离发生变化。其中，激光发射电路用于发出激光信号，激光接收电路用于接收返回激光信号，并将接收到的返回激光信号转为电信号送至主控单元，主控单元根据激光发出到接收到返回激光信号的时间判断激光源到被测罐道表面的距离，当罐道发生变形时，可将该变形信号通过无线通信单元送至监控终端。

激光发射电路的工作原理为：测距时，主控单元输出PWM控制信号至第一开关管Q1的控制端，运放U2输出高电平经电阻R3后加至第二开关管Q2的控制端，第二开关管Q2导通，当PWM控制信号为高电平时，第一开关管Q1导通，这时激光发射器LED1被短路，激光发射器LED1不工作，9V电源依次经第二开关管Q2、电感L1、第一开关管Q1和电阻R1后到地，当PWM控制信号为低电平时，第一开关管Q1截止，这时，9V电源依次经第二开关管Q2、电感L1、激光发射器LED1和电阻R1后到地，激光发射器LED1发出激光信号，当PWM控制信号再次变为高电平时，激光发射器LED1停止工作。

电阻R1为采样电阻，当激光发射器LED1工作时，电流流过电阻R1，在电阻R1上产生电压，由于矿井中的环境比较复杂，激光发射器LED1的输出功率可能会随着环境的变化而发生变化，在供电电源不变的情况下，当激光发射器LED1的输出功率变大，则流过激光发射器LED1的电流变大，电阻R1上的电压也就越大，电阻R1上的电压加至运放U2的反相输入端，运放U2构成减法电路，当运放U2的反相输入端电压升高后，运放U2输出电压减小，第二开关管Q2的控制端电压减小，从而导致流过第二开关管Q2的电流减小，流过激光发射器LED1的电流同样减小，从而抑制了激光发射器LED1的输出功率变大；当激光发射器LED1的输出功率变小，电阻R1上的电压减小，运放U2反相输入端的电压减小，运放U2输出的电压变大，第二开关管Q2的控制端电压变大，从而使流过第二开关管Q2的电流变大，抑制了激光发射器LED1的输出功率变小。

本实用新型中，通过采集流过激光发射器LED1的电流来控制激光发射器LED1的输出功率，使激光发射器LED1工作在恒流状态，保证激光发射器LED1的输出功率不随矿井环境的变化而变化，从而提高罐道变形测量的精度，进而提高煤矿地下开采的安全性。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型中激光发射电路的电路图；

图2为本实用新型中保护电路的电路图；

图3为本实用新型中激光接收电路的电路图；

图4为本实用新型中滤波电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提出了矿井安全远程监管系统，包括主控单元、激光发射电路、激光接收电路和无线通信单元，激光发射电路和激光接收电路均与主控单元连接，主控单元借助无线通信单元与监控终端通讯连接，激光发射电路包括运放U2、电阻R2、电阻R3、第二开关管Q2、电感L1、第一开关管Q1、激光发射器LED1和电阻R1，第一开关管Q1的控制端连接主控单元的第一输出端，第一开关管Q1的第一端连接电感L1的第一端，第一开关管Q1的第二端通过电阻R1接地，激光发射器LED1的阳极连接第一开关管Q1的第一端，激光发射器LED1的阴极连接第一开关管Q1的第二端，第一开关管Q1的第二端连接运放U2的反相输入端，运放U2的同相输入端连接Vref1参考电压，运放U2的输出端通过电阻R2连接运放U2的反相输入端，运放U2的输出端通过电阻R3连接第二开关管Q2的控制端，第二开关管Q2的第一端连接继电器K1的公共端，继电器K1的常闭端连接9V电源，第二开关管Q2的第二端连接电感L1的第二端。

本实施例中，通过激光测距法对罐道变形进行监测，从光源发射一束激光，经过镜片聚焦到被测罐道表面，然后在反射方向上通过镜片成像观察反射光点的位置，当罐道出现变形时，即罐道发生位移，从而激光源到被测罐道表面的距离发生变化。其中，激光发射电路用于发出激光信号，激光接收电路用于接收返回激光信号，并将接收到的返回激光信号转为电信号送至主控单元，主控单元根据激光发出到接收到返回激光信号的时间判断激光源到被测罐道表面的距离，当罐道发生变形时，可将该变形信号通过无线通信单元送至监控终端。

具体的，激光发射电路的工作原理为：测距时，主控单元输出PWM控制信号至第一开关管Q1的控制端，运放U2输出高电平经电阻R3后加至第二开关管Q2的控制端，第二开关管Q2导通，当PWM控制信号为高电平时，第一开关管Q1导通，这时激光发射器LED1被短路，激光发射器LED1不工作，9V电源依次经第二开关管Q2、电感L1、第一开关管Q1和电阻R1后到地，当PWM控制信号为低电平时，第一开关管Q1截止，这时，9V电源依次经第二开关管Q2、电感L1、激光发射器LED1和电阻R1后到地，激光发射器LED1发出激光信号，当PWM控制信号再次变为高电平时，激光发射器LED1停止工作。

电阻R1为采样电阻，当激光发射器LED1工作时，电流流过电阻R1，在电阻R1上产生电压，由于矿井中的环境比较复杂，激光发射器LED1的输出功率可能会随着环境的变化而发生变化，在供电电源不变的情况下，当激光发射器LED1的输出功率变大，则流过激光发射器LED1的电流变大，电阻R1上的电压也就越大，电阻R1上的电压加至运放U2的反相输入端，运放U2构成减法电路，当运放U2的反相输入端电压升高后，运放U2输出电压减小，第二开关管Q2的控制端电压减小，从而导致流过第二开关管Q2的电流减小，流过激光发射器LED1的电流同样减小，从而抑制了激光发射器LED1的输出功率变大；当激光发射器LED1的输出功率变小，电阻R1上的电压减小，运放U2反相输入端的电压减小，运放U2输出的电压变大，第二开关管Q2的控制端电压变大，从而使流过第二开关管Q2的电流变大，抑制了激光发射器LED1的输出功率变小，从而使激光发射器LED1工作在恒流状态，保证激光发射器LED1的输出功率不变。

其中，电感L1用于抑制浪涌电流，在第一开关管Q1导通和截止的过程中，在第一开关管Q1或激光发射器LED1上容易产生尖峰电流，当尖峰电流过大时，可能会对第一开关管Q1或激光发射器LED1造成损坏，起到保护第一开关管Q1或激光发射器LED1的作用。

本实施例中，采用NPN型三极管作为第二开关管Q2，NPN型三极管的基极作为第二开关管Q2的控制端，NPN型三极管的集电极作为第二开关管Q2的第一端，NPN型三极管的发射极作为第二开关管Q2的第二端；采用N沟道增强型场效应管作为第一开关管Q1，N沟道增强型场效应管的栅极作为第一开关管Q1的控制端，N沟道增强型场效应管的漏极作为第一开关管Q1的第一端，N沟道增强型场效应管的源极作为第一开关管Q1的第二端。

如图1所示，本实施例中激光发射电路还包括电阻R4、电容C1和电容C2，电阻R4的第一端连接继电器K1的公共端，电阻R4的第二端连接第二开关管Q2的第一端，电容C1的第一端连接电阻R4的第一端，电容C1的第二端接地，电容C2的第一端连接电阻R4的第二端，电容C2的第二端接地。

本实施例中，在激光发射电路刚上电时，同样会产生较大的浪涌脉冲，对第二开关管Q2造成较大冲击，长期下去将会影响第二开关管Q2的使用寿命，为此，在9V电源后级添加慢启动电路，慢启动电路由电阻R4、电容C1和电容C2构成，其中电阻和电容组成的滤波电路可以消除上电和断电瞬间的浪涌脉冲。电阻和电容的值越大，滤波带宽也就越低，上电启动时间和断电完成时间也就越长。

如图1所示，本实施例中激光发射电路还包括非门U1，非门U1的第一端连接主控单元的第一输出端，非门U1的第二端连接第一开关管Q1的控制端。

本实施例中，主控单元的第一输出端输出的PWM控制信号存在纹波，为了使波形更加稳定，在主控单元的第一输出端和第一开关管Q1的控制端之间加入非门U1，非门U1起到波形整形的作用，当非门U1的输入端为高电平时，非门U1输出低电平，当非门U1的输入端为低电平时，非门U1输出高电平。

如图2所示，本实施例中还包括保护电路，保护电路包括运放U3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运放U4、电阻R8、第三开关管Q3和发光二极管LED2，运放U3的同相输入端连接激光发射器LED1的阴极，运放U3的反相输入端连接Vref2参考电压，运放U3的输出端通过电阻R5连接运放U4的同相输入端，运放U4的反相输入端通过电阻R7接地，运放U4的输出端通过电阻R6连接运放U4的反相输入端，运放U4的输出端通过电阻R8连接第三开关管Q3的控制端，第三开关管Q3的第一端连接继电器K1的第一输入端，继电器K1的第二输入端连接9V电源，第三开关管Q3的第二端连接发光二极管LED2的阳极，发光二极管LED2的阴极接地。

激光发射电路正常工作时，继电器K1的常闭触点闭合，9V电源正常接通，如果流过激光发射器LED1的电流过大，或者9V电源突然变大，则会导致激光发射器LED1被击穿，从而使激光发射电路无法正常工作，这时需要更换激光发射器，这将会增加投入的成本，因此，本实施例加入保护电路，保护电路用于保护激光发射器LED1。

运放U3同相输入端用于采集电阻R1两端的电压，当流过激光发射器LED1的电流过大，或者9V电源突然变大时，电阻R1上的电压变大，运放U3构成比较电路，当电阻R1上的电压低于设定值时，运放U3输出低电平，运放U4构成放大电路，运放U4输出低电平，第三开关管Q3截止，继电器K1不工作，继电器K1的常闭触点不动作；当电阻R1上的电压大于设定值时，运放U3输出高电平，该高电平信号经运放U4放大后加至第三开关管Q3的控制端，第三开关管Q3导通，继电器K1得电吸合，继电器K1的常闭触点断开，断开9V电源，从而对激光发射器LED1起到保护作用。

如图3所示，本实施例中激光接收电路包括激光接收器U5、电容C4、运放U6、电阻R9、电阻R10、电阻R11和运放U7，激光接收器U5的阳极接地，激光接收器U5的阴极通过电容C4连接运放U6的同相输入端，运放U6的反相输入端通过电阻R9接地，运放U6的输出端通过电阻R10连接运放U6的反相输入端，运放U6的输出端通过电阻R11连接运放U7的同相输入端，运放U7的输出端连接运放U7的反相输入端，运放U7的输出端连接主控单元的第二输入端。

激光接收电路中，激光接收器U5用于接收激光返回信号，并将接收到的激光信号转为电信号输出，激光接收器U5输出的电信号经电容C4耦合后送至运放U6的同相输入端，运放U6构成放大电路，激光接收器U5输出的电信号比较微弱，无法被主控单元有效识别，因此需要经运放U6进行放大，放大后的电信号送至运放U7的同相输入端，运放U7构成跟随器，起到信号隔离的作用，同时可以提高信号传输的有效性，最后将运放U7输出的电信号送至主控单元。

如图4所示，本实施例中运放U7的输出端和主控单元的第二输入端之间还设有滤波电路，滤波电路包括电阻R12、电容C6、电容C7、电阻R13、运放U8、电阻R14和电阻R15，电阻R12的第一端连接运放U7的输出端，电阻R12的第二端通过电容C6接地，电阻R12的第二端通过电容C7连接运放U8的同相输入端，运放U8的同相输入端通过电阻R13接地，运放U8的反相输入端通过电阻R14接地，运放U8的输出端通过电阻R15连接运放U8的反相输入端，运放U8的输出端连接主控单元的第二输入端。

激光接收器U5在接收激光返回信号的过程中，同时可能会收到其它干扰光信号，干扰信号将会严重影响激光测距的精度，为此，需要经这些干扰信号进行滤除。

电阻R12和电容C6构成低通滤波电路，用于滤除信号中的高频杂波信号；电容C7和电阻R13构成高通滤波电路，用于滤除电路中的噪声信号。高通滤波电路和低通滤波电路构成了带通滤波器，可将运放U7输出信号中的干扰信号进行滤除，在对干扰信号进行滤除的过程中，有用信号会有一定的损耗，为此运放U8构成放大电路，将滤波后的信号进行放大后送至主控单元的第二输入端。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.矿井安全远程监管系统，其特征在于，包括主控单元、激光发射电路、激光接收电路和无线通信单元，所述激光发射电路和所述激光接收电路均与所述主控单元连接，所述主控单元借助所述无线通信单元与监控终端通讯连接，所述激光发射电路包括运放U2、电阻R2、电阻R3、第一开关管Q1、第二开关管Q2、电感L1、激光发射器LED1和电阻R1，

所述第一开关管Q1的控制端连接所述主控单元的第一输出端，所述第一开关管Q1的第一端连接所述电感L1的第一端，所述第一开关管Q1的第二端通过所述电阻R1接地，所述激光发射器LED1的阳极连接所述第一开关管Q1的第一端，所述激光发射器LED1的阴极连接所述第一开关管Q1的第二端，

所述第一开关管Q1的第二端连接所述运放U2的反相输入端，所述运放U2的同相输入端连接Vref1参考电压，所述运放U2的输出端通过所述电阻R2连接所述运放U2的反相输入端，所述运放U2的输出端通过所述电阻R3连接所述第二开关管Q2的控制端，所述第二开关管Q2的第一端连接继电器K1的公共端，所述继电器K1的常闭端连接9V电源，所述第二开关管Q2的第二端连接所述电感L1的第二端。

2.根据权利要求1所述的矿井安全远程监管系统，其特征在于，所述激光发射电路还包括电阻R4、电容C1和电容C2，所述电阻R4的第一端连接所述继电器K1的公共端，所述电阻R4的第二端连接所述第二开关管Q2的第一端，所述电容C1的第一端连接所述电阻R4的第一端，所述电容C1的第二端接地，所述电容C2的第一端连接所述电阻R4的第二端，所述电容C2的第二端接地。

3.根据权利要求1所述的矿井安全远程监管系统，其特征在于，所述激光发射电路还包括非门U1，所述非门U1的第一端连接所述主控单元的第一输出端，所述非门U1的第二端连接所述第一开关管Q1的控制端。

4.根据权利要求1所述的矿井安全远程监管系统，其特征在于，还包括保护电路，所述保护电路包括运放U3、电阻R5、电阻R6、电阻R7、运放U4、电阻R8、第三开关管Q3和发光二极管LED2，所述运放U3的同相输入端连接所述激光发射器LED1的阴极，所述运放U3的反相输入端连接Vref2参考电压，所述运放U3的输出端通过所述电阻R5连接所述运放U4的同相输入端，所述运放U4的反相输入端通过所述电阻R7接地，所述运放U4的输出端通过所述电阻R6连接所述运放U4的反相输入端，所述运放U4的输出端通过所述电阻R8连接所述第三开关管Q3的控制端，所述第三开关管Q3的第一端连接所述继电器K1的第一输入端，所述继电器K1的第二输入端连接9V电源，所述第三开关管Q3的第二端连接所述发光二极管LED2的阳极，所述发光二极管LED2的阴极接地。

5.根据权利要求1所述的矿井安全远程监管系统，其特征在于，所述激光接收电路包括激光接收器U5、电容C4、运放U6、电阻R9、电阻R10、电阻R11和运放U7，所述激光接收器U5的阳极接地，所述激光接收器U5的阴极通过所述电容C4连接所述运放U6的同相输入端，所述运放U6的反相输入端通过所述电阻R9接地，所述运放U6的输出端通过所述电阻R10连接所述运放U6的反相输入端，所述运放U6的输出端通过所述电阻R11连接所述运放U7的同相输入端，所述运放U7的输出端连接所述运放U7的反相输入端，所述运放U7的输出端连接所述主控单元的第二输入端。

6.根据权利要求5所述的矿井安全远程监管系统，其特征在于，所述运放U7的输出端和所述主控单元的第二输入端之间还设有滤波电路，所述滤波电路包括电阻R12、电容C6、电容C7、电阻R13、运放U8、电阻R14和电阻R15，所述电阻R12的第一端连接所述运放U7的输出端，所述电阻R12的第二端通过所述电容C6接地，所述电阻R12的第二端通过所述电容C7连接所述运放U8的同相输入端，所述运放U8的同相输入端通过所述电阻R13接地，所述运放U8的反相输入端通过所述电阻R14接地，所述运放U8的输出端通过所述电阻R15连接所述运放U8的反相输入端，所述运放U8的输出端连接所述主控单元的第二输入端。