煤矿超声波传感器测风研究

顾逸凡 GU Yi-fan

（黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨 150022）

近年来，煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。实现煤矿开拓、采掘、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行，保障煤炭稳定供应具有重要意义。矿井智能通风是煤矿安全的重要因素，煤矿井下巷道风速的精准测量是保证煤矿安全的重要手段之一。如何在井下复杂的环境下准确地测量风速，提高安全生产的效率越来越受到煤矿人员的关注。现有机械式风表、涡旋式传感器测量风速，存在测量精度不足、测量高度受限、传输距离短等问题[3]。

超声波时差法测量技术近年来在矿井下逐渐受到关注，本文研究的对象对射式超声波传感器具备测量精度±0.03m/s，分辨率0.01m/s，并且超声波穿透能力强，受传输距离影响小，也不受安装高度影响。但在超声波传感器测得数据误差分析上，近年来研究较少，笔者在运用超声波时差法测风技术的同时对硬件电路上进行改良以及测得数据进行误差补偿分析，以达到精准测量的目的。使得井下测风人员对风速、风量更精确地掌握，煤矿安全生产中具有应用价值。

1.1 时差法工作原理

超声波时差法利用超声波在介质中传播时，介质的移动速度加载到超声波的速度上，在相同的传播距离内，顺向传播的时间会小于逆向传播的时间。测量出超声波的传播时间差，并计算风速，测量收发换能器之间的平均风速。设有一组对射收发点1、2，顺风、逆风的传输的时间是不一样的t1、t2，平均风速为vs，即超声波风速传感器的测量公式如下方程组：

其主要由显示主机和两个超声波探头组成。监测的矿井通风数据采用连续的一段巷道的线式的平均风速，改变了传统的“以点代面”的局限性。监测数据精确、真实可靠地反应当下矿井的通风风量，原理图如图1所示。

图1 超声波传感器测风原理

1.2 基于时差法的改进

为了使风流与传感器之间尽可能不受安装角度的影响，更好地以点代面进而引入即对射角度的研究确定巷道风速，得到下面的公式：

在测量风速的过程中该超声波传感器安装在巷道2个测试位置，形成对角，其中一个发射信号，另外一个接收信号，每隔三分钟测试通过该巷道的风速、风量，通过信号采集与处理发送回地面接收装置，并且记录下该读数。超声波传感器安装位置如图2。

图2 超声波传感器安装位置

2.1 硬件设计

超声波传感器是选取32位微控制器stm32单片机为主控制器，其具有速度快、功耗低等优点。采用嵌入式微控制器技术，利用微压差变化原理来测量风速，内部线性化和温度补偿均采用数字化实现，在低风速下仍然能保证测量。具有结构简单、测量准确、性能稳定、可靠性高等特点。可与各种类型的煤矿安全监测系统配套使用，连续监测工作环境中的风速变化。其与外围电路相结合，完成流量数据的测量、处理、存储、显示及与上位机通信等功能[4]。超声波传感器主要是由发射电路、接收处理电路、通信电路、电源电路、OLED显示电路等电路组成，旨在实现对风速风向的实时测量。

系统整体框架较为明确，通过风速传感器收发切换电路再利用发射驱动电路用来产生能够激励超声波换能器振荡并发出超声波信号。进而超声波换能器的探头获取矿下风速、风量的信息。接收调理电路的功能就是对信号进行充分放大、滤波、自动增益控制、比较等一系列处理，最终获得使计时电路停止计时的脉冲信号。控制器内部集成有12位AD转换器，可以选择其内部AD通道对风速传感器的信号进行采集。然后再通过控制器与OLED液晶显示屏通信、上传进行数据存储，并控制其显示风速风量的实时数值，系统框架图如图3。

图3 硬件系统框架图

2.2 软件设计

系统的软件设计采用模块化的设计思想，主要包括主程序、初始化程序、时间测量子程序、流量数据处理子程序、4~20mA输出子程序、OLED显示子程序、通信串口子程序等，采用C语言开发设计，利用接口调试先分别编写各子程序模块并调试，然后联调，完成了要实现的功能[5]。软件设计流程图如图4。

图4 软件设计流程图

3.1 系统误差分析

在井下要通过测风员实际测量该巷道风速风量与该传感器进行数据对比，测风时根据测风员站立方式不同，可分为迎面法和侧身法。侧身法，测风人员背向巷道壁站立，手持风表，手臂向垂直风流方向伸直，进行测风，本次测风选择为侧身法。

超声波传感器测定数据与叶式风表测定数据对比分析首先本次在井下使用叶式风表采用侧身法测量，再与超声波传感器上的风速风量读数进行误差对比分析，详见表1。

由表1可以看出由超声波传感器所测得的风速精度可以达到0.01m/s，所测风速与实际测量相比较误差均小于15%，当被测测风量小于2000m3/min时，误差均小于5%，当被测风量大于2000m3/min时，误差均小于10%，由此可知该传感器检测精度较高，满足实际测风需求，可以实现精准测风。

表1 超声波传感器实时检测数据

当风量较大，风速较高时，风流场较为剧烈，所以其测量误差较大，该传感器在风量较大、风速较高的巷道中使用其测量精度会下降。

3.2 超声波传感器实时测定分析

安装在各个巷道的超声波传感器，每隔三分钟测一次通过该巷道的风速，并且通过控制器实时记录并发送给地面，本次选取了200个实时数据进行汇总成图5。

图5 超声波传感器实时测定

各个测风地点风速差异加大，但风速传感器测量极差在0.02～0.35m/s，测量精度和误差在合理范围之内，表明该传感器测量精度准确，测试性能较为稳定，能够实时准确检测井下通风数据。

为煤矿智能通风数据采集提供保障。同时保证了煤矿的通风安全，可以有效地减少煤矿事故的发生。