本質(zhì)安全超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、超聲波具有不受光線影響、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，適用于高濕度、強(qiáng)腐蝕、多灰塵的各類特殊工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如物位測(cè)量、機(jī)械手控制、倒車?yán)走_(dá)和機(jī)器人避障等。在燃爆環(huán)境下，超聲波測(cè)距技術(shù)具有很多應(yīng)用需求，如在煤礦、化工等燃爆性粉塵和燃爆性氣體環(huán)境下，電氣電子設(shè)備必須進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，以滿足安全生產(chǎn)的需求，危害程度取決于引燃引爆源儲(chǔ)存釋放的能量大小。當(dāng)設(shè)備電路中儲(chǔ)存釋放的能量高于環(huán)境中物質(zhì)的最小點(diǎn)燃能量時(shí)，便會(huì)引燃引爆環(huán)境中的粉塵或氣體，導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸事故。防

2、爆設(shè)計(jì)是解決上述危險(xiǎn)的有效手段，其中使用最為廣泛的是加裝防爆外殼，但該方法存在成本高、笨重以及可靠性差等問(wèn)題。本質(zhì)安全設(shè)計(jì)則正好能夠解決防爆外殼存在的問(wèn)題，省略了復(fù)雜結(jié)構(gòu)而且本質(zhì)安全，重量輕、尺寸小、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)也使其成為煤礦電氣電子設(shè)備設(shè)計(jì)的首選方案。
　　超聲波現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)理論和方法制約了其在燃爆環(huán)境中的應(yīng)用，各類超聲系統(tǒng)在礦井下工作時(shí)，由于機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換效率受限，驅(qū)動(dòng)超聲換能器時(shí)需要提供較大的供電電壓。傳統(tǒng)方法是利用中周變

3、壓器進(jìn)行升壓驅(qū)動(dòng)，由于中周變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈互感電感很大，工作時(shí)流過(guò)線圈的電流很大并產(chǎn)生很高的儲(chǔ)能，遠(yuǎn)高于環(huán)境中物質(zhì)的最小點(diǎn)燃能量，從而引燃煤礦井下的易燃易爆氣體，造成安全事故。
　　為此我們開(kāi)展了相應(yīng)的升壓技術(shù)研究，以期替代傳統(tǒng)的中周升壓技術(shù)，在達(dá)到超聲波換能器所需電壓時(shí)符合本質(zhì)安全要求。由于本安驅(qū)動(dòng)在提升換能系統(tǒng)安全性能的同時(shí)需要以犧牲部分驅(qū)動(dòng)能力為代價(jià)，為此提高本安驅(qū)動(dòng)下的換能效率也是需要解決的問(wèn)題。超聲換能系統(tǒng)的整體換能

4、效率主要取決于電能傳輸效率、機(jī)械能傳輸效率和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。影響機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換效率的重要指標(biāo)是壓電類晶體材料的機(jī)電耦合系數(shù)。由于超聲測(cè)距系統(tǒng)中壓電晶體多采用技術(shù)已趨成熟的PZT類壓電陶瓷，就壓電材料本身，尤其是機(jī)電耦合系數(shù)方面的效率提升空間已非常有限。因此，本安驅(qū)動(dòng)下?lián)Q能效率的提升可從電能傳輸和機(jī)械能傳輸方面實(shí)現(xiàn)。為此，研究本安超聲驅(qū)動(dòng)的阻抗匹配以求達(dá)到電能傳輸匹配和機(jī)械能傳輸匹配的實(shí)現(xiàn)和協(xié)調(diào)，可提高超聲換能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

5、　　分析了Buck-Boost升壓電路在電流連續(xù)模式(CCM)和電流段續(xù)模式(DCM)下的短路釋放能量，得出Buck-Boost升壓電路在驅(qū)動(dòng)超聲波換能器負(fù)載時(shí)的最大短路電流，以此作為電路本質(zhì)安全判斷依據(jù)，得到本安Buck-Boost升壓電路參數(shù)。隨后以所設(shè)計(jì)的本安Buck-Boost升壓電路輸出，通過(guò)分析超聲系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路方法和換能器在煤礦使用環(huán)境下的特點(diǎn)，總結(jié)出超聲驅(qū)動(dòng)兩種本質(zhì)安全型超聲驅(qū)動(dòng)方法，最后針對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行相應(yīng)的電路設(shè)

6、計(jì)，并對(duì)每種超聲驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了相應(yīng)的阻抗匹配參數(shù)設(shè)計(jì)，以求達(dá)到最佳的能量轉(zhuǎn)換效率。
　　最后通過(guò)計(jì)算得到總電路的最大儲(chǔ)能，設(shè)計(jì)符合儲(chǔ)能要求的超聲回波處理電路，顯示電路等其它軟硬件電路，實(shí)現(xiàn)一種本質(zhì)安全超聲測(cè)距測(cè)距系統(tǒng)，最后針對(duì)本本安超聲測(cè)距系統(tǒng)在正常工況和故障情況下的各點(diǎn)測(cè)試波形，并與國(guó)標(biāo)規(guī)定的最小點(diǎn)燃能量進(jìn)行對(duì)比，得到本超聲測(cè)距系統(tǒng)符合本安要求。各類在危險(xiǎn)環(huán)境下應(yīng)用的超聲測(cè)距設(shè)備具有技術(shù)共性，因此本研究可為燃爆環(huán)境下各類超聲設(shè)備