本質安全超聲波測距系統(tǒng)設計.pdf

1、超聲波具有不受光線影響、抗電磁干擾等優(yōu)點，適用于高濕度、強腐蝕、多灰塵的各類特殊工業(yè)現(xiàn)場，如物位測量、機械手控制、倒車雷達和機器人避障等。在燃爆環(huán)境下，超聲波測距技術具有很多應用需求，如在煤礦、化工等燃爆性粉塵和燃爆性氣體環(huán)境下，電氣電子設備必須進行防爆設計，以滿足安全生產的需求，危害程度取決于引燃引爆源儲存釋放的能量大小。當設備電路中儲存釋放的能量高于環(huán)境中物質的最小點燃能量時，便會引燃引爆環(huán)境中的粉塵或氣體，導致火災甚至爆炸事故。防

2、爆設計是解決上述危險的有效手段，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題。本質安全設計則正好能夠解決防爆外殼存在的問題，省略了復雜結構而且本質安全，重量輕、尺寸小、成本低等諸多優(yōu)點也使其成為煤礦電氣電子設備設計的首選方案。
　　超聲波現(xiàn)有驅動理論和方法制約了其在燃爆環(huán)境中的應用，各類超聲系統(tǒng)在礦井下工作時，由于機械能-電能轉換效率受限，驅動超聲換能器時需要提供較大的供電電壓。傳統(tǒng)方法是利用中周變

3、壓器進行升壓驅動，由于中周變壓器初級和次級線圈互感電感很大，工作時流過線圈的電流很大并產生很高的儲能，遠高于環(huán)境中物質的最小點燃能量，從而引燃煤礦井下的易燃易爆氣體，造成安全事故。
　　為此我們開展了相應的升壓技術研究，以期替代傳統(tǒng)的中周升壓技術，在達到超聲波換能器所需電壓時符合本質安全要求。由于本安驅動在提升換能系統(tǒng)安全性能的同時需要以犧牲部分驅動能力為代價，為此提高本安驅動下的換能效率也是需要解決的問題。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、機械能傳輸效率和機電轉換效率。影響機械能與電能轉換效率的重要指標是壓電類晶體材料的機電耦合系數(shù)。由于超聲測距系統(tǒng)中壓電晶體多采用技術已趨成熟的PZT類壓電陶瓷，就壓電材料本身，尤其是機電耦合系數(shù)方面的效率提升空間已非常有限。因此，本安驅動下?lián)Q能效率的提升可從電能傳輸和機械能傳輸方面實現(xiàn)。為此，研究本安超聲驅動的阻抗匹配以求達到電能傳輸匹配和機械能傳輸匹配的實現(xiàn)和協(xié)調，可提高超聲換能系統(tǒng)的能量轉換效率。

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升壓電路在驅動超聲波換能器負載時的最大短路電流，以此作為電路本質安全判斷依據(jù)，得到本安Buck-Boost升壓電路參數(shù)。隨后以所設計的本安Buck-Boost升壓電路輸出，通過分析超聲系統(tǒng)的驅動電路方法和換能器在煤礦使用環(huán)境下的特點，總結出超聲驅動兩種本質安全型超聲驅動方法，最后針對兩種驅動方式進行相應的電路設

6、計，并對每種超聲驅動電路進行了相應的阻抗匹配參數(shù)設計，以求達到最佳的能量轉換效率。
　　最后通過計算得到總電路的最大儲能，設計符合儲能要求的超聲回波處理電路，顯示電路等其它軟硬件電路，實現(xiàn)一種本質安全超聲測距測距系統(tǒng)，最后針對本本安超聲測距系統(tǒng)在正常工況和故障情況下的各點測試波形，并與國標規(guī)定的最小點燃能量進行對比，得到本超聲測距系統(tǒng)符合本安要求。各類在危險環(huán)境下應用的超聲測距設備具有技術共性，因此本研究可為燃爆環(huán)境下各類超聲設備