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《太原理工大学》 2016年
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本质安全超声波测距系统设计

孔维正  
【摘要】:超声波具有不受光线影响、抗电磁干扰等优点,适用于高湿度、强腐蚀、多灰尘的各类特殊工业现场,如物位测量、机械手控制、倒车雷达和机器人避障等。在燃爆环境下,超声波测距技术具有很多应用需求,如在煤矿、化工等燃爆性粉尘和燃爆性气体环境下,电气电子设备必须进行防爆设计,以满足安全生产的需求,危害程度取决于引燃引爆源储存释放的能量大小。当设备电路中储存释放的能量高于环境中物质的最小点燃能量时,便会引燃引爆环境中的粉尘或气体,导致火灾甚至爆炸事故。防爆设计是解决上述危险的有效手段,其中使用最为广泛的是加装防爆外壳,但该方法存在成本高、笨重以及可靠性差等问题。本质安全设计则正好能够解决防爆外壳存在的问题,省略了复杂结构而且本质安全,重量轻、尺寸小、成本低等诸多优点也使其成为煤矿电气电子设备设计的首选方案。超声波现有驱动理论和方法制约了其在燃爆环境中的应用,各类超声系统在矿井下工作时,由于机械能-电能转换效率受限,驱动超声换能器时需要提供较大的供电电压。传统方法是利用中周变压器进行升压驱动,由于中周变压器初级和次级线圈互感电感很大,工作时流过线圈的电流很大并产生很高的储能,远高于环境中物质的最小点燃能量,从而引燃煤矿井下的易燃易爆气体,造成安全事故。为此我们开展了相应的升压技术研究,以期替代传统的中周升压技术,在达到超声波换能器所需电压时符合本质安全要求。由于本安驱动在提升换能系统安全性能的同时需要以牺牲部分驱动能力为代价,为此提高本安驱动下的换能效率也是需要解决的问题。超声换能系统的整体换能效率主要取决于电能传输效率、机械能传输效率和机电转换效率。影响机械能与电能转换效率的重要指标是压电类晶体材料的机电耦合系数。由于超声测距系统中压电晶体多采用技术已趋成熟的PZT类压电陶瓷,就压电材料本身,尤其是机电耦合系数方面的效率提升空间已非常有限。因此,本安驱动下换能效率的提升可从电能传输和机械能传输方面实现。为此,研究本安超声驱动的阻抗匹配以求达到电能传输匹配和机械能传输匹配的实现和协调,可提高超声换能系统的能量转换效率。分析了Buck-Boost升压电路在电流连续模式(CCM)和电流段续模式(DCM)下的短路释放能量,得出Buck-Boost升压电路在驱动超声波换能器负载时的最大短路电流,以此作为电路本质安全判断依据,得到本安Buck-Boost升压电路参数。随后以所设计的本安Buck-Boost升压电路输出,通过分析超声系统的驱动电路方法和换能器在煤矿使用环境下的特点,总结出超声驱动两种本质安全型超声驱动方法,最后针对两种驱动方式进行相应的电路设计,并对每种超声驱动电路进行了相应的阻抗匹配参数设计,以求达到最佳的能量转换效率。最后通过计算得到总电路的最大储能,设计符合储能要求的超声回波处理电路,显示电路等其它软硬件电路,实现一种本质安全超声测距测距系统,最后针对本本安超声测距系统在正常工况和故障情况下的各点测试波形,并与国标规定的最小点燃能量进行对比,得到本超声测距系统符合本安要求。各类在危险环境下应用的超声测距设备具有技术共性,因此本研究可为燃爆环境下各类超声设备的本安化设计提供借鉴。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB559

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