引言

目前，我國尾礦庫數(shù)量多、分布廣。尾礦庫的安全關系到人民生命財產(chǎn)及環(huán)境的安全，故而搞好尾礦庫的安全監(jiān)測意義重大?，F(xiàn)在多數(shù)尾礦庫都開始采用現(xiàn)代通信、電子設備及計算機技術實現(xiàn)對尾礦庫監(jiān)測指標數(shù)據(jù)實時、自動監(jiān)測。高程測量是尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)中的一項重要檢測項目。高程測量的方法有很多種，比如激光測距、超聲波測距等。激光測距質量輕、體積小、操作簡單、速度快而準確，但尾礦庫一般都是因山勢筑壩而成，在放礦時，泥漿四濺，使得激光測距的發(fā)射、接收面容易沾染灰塵、泥漿，從而影響測距能力，而且激光在測距時的瞬間電流很大，對電源的品質要求較高；另外,激光測距儀的正常工作溫度范圍在0?40之間，無法完全滿足工作環(huán)境溫度的需求。超聲波測距存在的主要問題是聲波發(fā)散角大，測程短，易受溫度、風力、濕度影響，誤差大,所以超聲波測距在尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)中也不實用。本文所講述的光電碼盤測距法克服了以上兩種測距的缺點，相關產(chǎn)品已用于幾十家尾礦庫，長期穩(wěn)定工作已長達幾年。

1工作原理

系統(tǒng)接通電源后，控制器主程序開始工作，主控器控制驅動電機，同時，驅動電機帶動碼盤轉動。碼盤在轉動時，光電接收器接收到的光會發(fā)生明暗變化，從而產(chǎn)生對應的信號數(shù)據(jù)。此信號數(shù)據(jù)經(jīng)過光電信號處理系統(tǒng)的轉換，轉變成對應的脈沖數(shù)被送入主控器，主控器將脈沖數(shù)依據(jù)計算公式進行記錄計算后，得到對應的距離值。其工作原理圖如圖1所示。

2光電碼盤計數(shù)

光電測距的關鍵是光電計數(shù)。光電計數(shù)由紅外發(fā)射、紅外接收、計數(shù)碼盤和整形電路構成。圖2所示是用光電碼盤計數(shù)的示意圖。紅外發(fā)射器發(fā)射出紅外光，當碼盤沒有被遮擋時，紅外接收器接收到對應的光信號；當碼盤被遮擋時，接收器接收不到對應的光信號。前者設定為“0”，后者設定為“1”，經(jīng)整形單元的處理變成對應的連續(xù)脈沖。

圖2光電碼盤計數(shù)原理圖

該碼盤上分為透光區(qū)域和不透光區(qū)域，它們是等間隔排列的。碼盤被安裝在紅外發(fā)射器與紅外接收器之間。碼盤透光和不透光區(qū)域的間隔大小直接影響到測量精度。間隔大，易于加工，精度低；間隔小，加工難度大，精度高，成本增大。碼盤的間隔依據(jù)實際測量精度和轉動機構的尺寸來確定。當碼盤旋轉時，在接收器上會產(chǎn)生明暗變化，紅外接收器將這種變化進行處理后，輸出對應的波形。圖3所示是其波形圖。

圖3波形圖

該波形經(jīng)整形電路進行整形后，便可以生成主控器需要

的波形。其具體的整形電路如圖4所示。

在整形電路中設置50mV的直流基準，這個直流基準是為剔除小的噪聲干擾而設定的。C3電容的作用是為了隔斷直流信號，只讓交流通過。經(jīng)整形后，其波形將變換為方波,具體如圖5所示。

波形經(jīng)整形后，即可送入主控計數(shù)器進行計數(shù)，并計算出具體的距離值。

圖5整形前后比較

3數(shù)據(jù)處理

經(jīng)整形后的脈沖送入控制器中的計數(shù)器，再由主控器的運算器計算出距離值。計數(shù)單元用的是T0計數(shù)器，工作模式是1，TLn與THn組成16位加法計數(shù)器。圖6所示是T0計數(shù)器的工作模式1，計數(shù)范圍為0?65535。在本系統(tǒng)中，一個脈沖是2.656mm，65535個脈沖的距離是174.061m，而高程的實際距離是6m，因此，完全可以滿足距離范圍的需要,且可以為今后增加距離值而進行擴展。

圖6T0工作模式1

4驅動單元

驅動單元中用的是直流電機。電機按驅動形式分步進電機與直流電機。直流電機由電壓控制其位置與速度，電機的驅動較簡單，體積可以很小，但是定位精度不高。步進電機可以實現(xiàn)精確定位，但是驅動復雜，體積比直流電機大。經(jīng)綜合考慮后，選用直流電機。直流電機在切斷電壓后，電機不能夠馬上停止，在慣性的作用仍處于發(fā)電狀態(tài)，這樣就會帶來很大的距離誤差。因此，只有當直流電機在斷開電源時能夠快速制動，才能夠精確定位。直流電機制動有很多種方法，如機械法、短接法、反接法等。在本單元中使用短接法，電路原理如圖7所示。

在驅動電路中，可用74HC138來確定電機的工作狀態(tài),其真值表如表1所列。

表1真值表

由圖7可見，當4=0,&=0時,Y0、匕、Y2均為1，Y3為0。當Y1、Y2為1時,0、Q處于截止狀態(tài)，此時加在電機兩端的電壓被斷開。Y3為0時，繼電器J的常閉點合上，將電機兩端短路，消耗掉多余能量，電機立刻處于停止狀態(tài)。

5結語

光電碼盤測距法雖然在測量精度上沒有激光測距的精度高，但是可以完全滿足尾礦庫的高程測量精度，而且工作可靠，抗干擾性高，使用壽命長，滿足工作環(huán)境的要求。光電碼盤測距的供電采用了太陽能板供電，保證了在野外工作環(huán)境條件下，測距系統(tǒng)能夠長期正常工作。光電碼盤計數(shù)測距是一種簡便、實用、可靠的測距方法，最突出的優(yōu)點就是可以勝任在惡劣環(huán)境下，長期穩(wěn)定工作，實現(xiàn)無人值守。目前，這種測距方法已廣泛應用于全國很多個尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)中。

20211024_6175239ba2436__光電碼盤技術在尾礦庫高程測量中的應用