超声波传感器在堆料机料位检测中的应用

    我公司石灰石堆料机动力电缆短路导致物料检测装置损坏，由于原配件为进口的，短时间内无法找到，且原设计抗粉尘能力较差。因此，我们在不改变原控制要求的前提下，利用非接触式检测方式的超声波传感器替换料锤接触式，改造后的检测装置实际运行效果良好。

1 料锤接触式检测原理

    堆料机的物料料位检测原采用的是长短料锤接触式检测装置，其工作原理是：当堆料机自动布料时，如果长料锤接触到物料，会产生一个开关量信号并送入现场PLC，PLC给堆料机发出物料高度已经达到要求并执行下一动作即旋转3°继续堆料的信号。如果物料碰到短料锤则跳停上游来料皮带机和堆料机，并发出报警提示。

2 超声波传感器原理和选型

2．1  工作原理

    超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的。其探头主要由外壳、压电晶片、阻尼块、保护膜、前置电路以及输出电路等组成，在探头中还加设温度补偿元件和放大电路，用以补偿因环境温度改变而导致的信号偏差，提高测量精度。超声波由压电晶片在电压的激励下发生振动产生的，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性(束射性)好的特点。

    超声波探头中的压电晶片，既可以发射超声波，也可以接收超声波。当电压作用于压电晶片时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。反之，当机械形变作用于压电晶片时，则会产生一个电信号。利用这一原理，当给由两片压电晶片或一片压电晶片和一个金属片构成的振动器，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当给双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上原理，便可以将压电晶片用作超声波传感器。通过传感器和物体间声波的传送时问就可计算出距离或位置。

2．2应用选型

    在超声波选型上，经多方对比和咨询，最终选用德国倍加福(P+F)公司的型号为UC6000-30GM-E6R2-Vl5双开关点输出超声波传感器。该传感器的特点和工作参数如下：

    1)自带一个四针的温度／设定插头，分别对应四个不同的位置插入，现场设定方便、迅速。其中A1和A2是设定开关点，E2／E3是设定工作模式，T为温度补偿。

    2)设定过程由传感器本体LED灯状态显示。

    3)自带环境温度补偿功能。

    4)双开关点输出，RS232接口。

    5)检测范围：350～6000mm；换能器频率：65kH；工作电压：10～30V DC，空载电流≤50mA。

3 方案设计和调试应用

3．1方案设计

    基于原设计控制原理，即当接触到长料锤时输出一个开关信号到PLC，控制堆料机旋转30继续堆料，当接触到短料锤时输出一个开关信号到PLC，跳停上游来料皮带和堆料机。因此需找出2个不同距离的检测点替代原长短料锤的接触位置，而所选的超声波传感器能够在350～6000mm之间检测，因此在该范围内分别选择A l、A2两个检测点，距探头0之间的距离OAl、OA2代替原检测装置的长短料锤，设定OA l=1．2m，OA2=0．8m，当传感器检测到A l点时，对应于A l点的动合触点动作，控制堆料机旋转3°继续堆料，当检测到A2点时，对应于A2点的动合触点动作，跳停上游来料皮带和堆料机。

3．2调试应用

3．2．1设定过程

    1)设定开关点

切断电源；拔下温度／设定插头；再次通电；将堆料机大臂固定在石灰石料堆上方约lm的地方，用手将超声波传感器提起到距探测物(石灰石)约1．2m处的位置，此时指示灯对应状态为双LED绿灯闪烁，且对应LEDl黄灯也闪烁，此时若将温度／设定插头插入至A1位置，则Al点设定完成；同理将超声波传感器下落到距石灰石约0．8m处的位置进行A2点设定。最后将温度／设定插头插在T位置，传感器进入正常设定工作模式。

2)设定输出功能

切断电源；拔下温度／设定插头；再次通电；将温度／设定插头插在E2／E3位置，查看对应LED灯指示状态即输出工作模式，若需改变当前输出模式，可通过多次插拔温度／设定插头在三种工作模式之间循环切换，这里设置为开关点模式即双LED绿灯亮，LEDl黄灯闪烁。

    最后将温度／设定插头插在T位置，该设定过程结束。传感器进入正常工作模式。

    至此，超声波传感器设定过程完成，并将传感器探头固定在堆料机大臂前端。

3．2．2  电气接线

    电气控制原理见图l。

图1  电气控制原理图

    从现场控制柜布线到超声波传感器，并进行柜内配线。为了防止堆料机动力电缆出现短路时再次损坏检测装置，决定从隔离变压器直接取220V给开关电源供电。由于传感器调试时需要多次断电，故增加一个空气开关方便复位。其中KAl、KA2两个动合辅助触点是送往现场PLC控制柜的触料信号，仍然按原长短料锤信号对应接线。

4  效果及体会

    2009年11月初，超声波传感器安装投入运行，首先进行现场就地自动运行，该设计达到原工艺控制要求，运行正常；后转换为中控自动运行，工作也一直正常。在调试过程当中，需要注意以下几个问题：

    1)在设定开关点A l、A2时，每个开关点设定结束后须将温度／设定插头插入T位置以确定该开关点进入正常工作模式。

    2)若不保存当前设定和切换设定功能时须断电、拔掉插头后重启。

3)在设定好所需输出模式后，在5min内要将温度／设定插头插入T位置，否则将失去温度补偿功能。

4)如果不需要同步功能，要将同步输入端接地(OV)。

    5)探头安装位置应尽量避免有较大石块散落，以防止误动作。