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摘要
在我國，無論是煤礦還是冶金礦所使用的提升設備都普遍存在著鋼絲繩磨損的問題，尤其是斜井提升設備上使用的鋼絲繩，最突出的問題就是鋼絲繩磨損，直徑變細。我國 《煤礦安全規(guī)程》 規(guī)定，礦用提升鋼絲繩斷面積減小 5% 時，不能用來提升工作人員；斷面積減小 10% 時，不能用來提升礦用物資。而提升鋼絲繩的提升能力及使用狀態(tài)對于提升設備的安全可靠運行至關重要，因此，每天必須對提升鋼絲繩進行檢測，以確保提升設備的安全可靠運行。目前，廠礦企業(yè)仍然沿用傳統(tǒng)的人工檢測方法，即人工使用游標卡尺進行抽點檢測。這種檢測方法存在著很大的弊端，它檢測精度低，不能進行連續(xù)的實時在線檢測，漏檢的情況也時有發(fā)生，這就給提升安全帶來嚴重隱患。同時，這種方法勞動強度大，檢測速度慢。另外，在進行人工檢測時，提升鋼絲繩必須停止提升，這樣會降低工作效率和設備利用率。而且人工檢測全憑實際工作經(jīng)驗，精度、效率也會隨之降低，既不能完成非接觸檢測，又不能實現(xiàn)在線檢測，同時還增加了檢測時給工作人員所帶來的危險性。針對這種現(xiàn)狀，國內外各高校及研究部門對提升鋼絲繩直徑的連續(xù)實時在線檢測進行了大量的研究工作。從檢測方法看，主要有兩類：磁通檢測法、激光掃描法，但這兩種檢測方法都存在著較大的缺點。磁通檢測法檢測精度低、設備笨重；激光掃描檢測法雖然檢測精度高，但是設備復雜、成本高。在這種情況下，利用CCD技術本文提出了一種新的提升鋼絲直徑測量方法 —— CCD 實時在線非接觸式線徑測量數(shù)碼管顯示 具有測量快速高效 自動化程度高 示直觀等特點 并能克服人工檢測所具有的缺點.
關鍵詞 鋼絲繩磨損；光電技術；非接觸式測量；CCD技術
Abstract
In our country, whether or metallurgical coal mine upgrade equipment used by the wire rope wear is prevalent problem, particularly the inclined shaft upgrade equipment used wire rope, the most prominent is the issue of wire rope wear, small diameter. China's "coal mine safety regulations", mine hoisting cable basal area decreased 5%, should not be used to enhance staff; basal area decreased 10 percent, can not be used to upgrade mine supplies. Wire Rope for upgrading and enhancing capacity and the use of state equipment to upgrade the safe and reliable operation of utmost importance, therefore, must be to upgrade the rope daily testing to ensure that lifting equipment safe and reliable operation. At present, mining enterprises are still using the traditional methods of detection, the use of a vernier caliper pumping detection. This test is the presence of large defects, it detects low accuracy but not continuous real-time detection, missed the situation occurred from time to time, which to enhance security serious hidden dangers. At the same time, this method labor intensity, slow detection. Meanwhile, in artificial testing, must stop hoisting cable upgrade, which will reduce efficiency and equipment utilization. Detection entirely artificial and practical work experience, accuracy and efficiency will also be reduced, neither complete non-contact detection, and detection can not be achieved online, at the same time also increased the detection of staff to the dangers posed by sexual. In view of this status quo, and colleges and universities at home and abroad and research departments to upgrade the diameter of the wire rope for real-time detection of a large amount of research work. From the detection method, there are mainly two categories: the magnetic flux detection, laser scanning method, but the two detection methods exist more weaknesses. Detection of magnetic flux detection of low accuracy, heavy equipment, laser scanning detection Although the detection of high precision, but the complex equipment, high costs. In such circumstances, the paper using CCD technology, a new upgrade wire diameter measurement method - CCD-line non-contact measurement of diameter measurement with digital display quickly and efficiently show a high degree of automation and intuitive features, such as artificial overcome Detection by the drawbacks.
Keywords rope wear photovoltaic technology on-contact measurement CCD technology
II
徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)
目 錄
1緒論 …………………………………………………………………………………………… 1
1.1課題的意義和目的………………………………………………………………………… 3
1.2 CCD檢測系統(tǒng)的特點和分析……………………………………………………………… 4
1.3 基于CCD技術的鋼絲繩檢測系統(tǒng)………………………………………………………. 4
2鋼絲繩的選用 ………………………………………………………………………………… 6
2.1鋼絲繩的計算及合理參數(shù) ……………………………………………………………. 6
2.2鋼絲繩的使用 ……………………………………………………………………………. 8
2.3鋼絲繩的養(yǎng)護和報廢 ……………………………………………………………………. 9
2.4鋼絲繩直徑的計算………………………………………………………………………. 11
3 CCD工作原理及選用……………………………………………………………………….. 13
3.1電荷的存儲………………………………………………………………………………. 13
3.1.1電荷的耦合…………………………………………………………………………… 16
3.2電荷的注入和檢測………………………………………………………………………. 17
3.2.1電荷的注入………………………………………………………………………….. 17
3.2.2電荷的檢測………………………………………………………………………….. 17
3.2.3 CCD 的特性參數(shù)……………………………………………………………………..18
3.3 CCD選型…………………………………………………………………………………..19
3.4 CCD工作原理……………………………………………………………………………..20
4光學系統(tǒng)的設計……………………………………………………………………………… 21
4.1光學成像基本計算公式…………………………………………………………………. 21
4.1.1 理想光學系統(tǒng)的基本參數(shù) ………………………………………………………… 21
4.1.2 理想光學系統(tǒng)成像的物像關系 …………………………………………………… 22
4.1.3 理想光學系統(tǒng)的放大率 …………………………………………………………… 23
4.2光學中光闌的作用………………………………………………………………………. 24
4.2.1 孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳…………………………………………………. 24
4.2.2 視場光闌 ………………………………………………………………………….. 25
4.3 照明系統(tǒng)設計 …………………………………………………………………………. 25
4.3.1 照明方法……………………………………………………………………………. 25
4.3.2 聚光鏡的作用………………………………………………………………………. 27
4.3.3 照明系統(tǒng)的設計原則………………………………………………………………. 28
4.4 遠心光路的應用………………………………………………………………………… 28
4.5 光學系統(tǒng)的設計 ………………………………………………………………………. 29
4.5.1成像系統(tǒng)的設計…………………………………………………………………….. 29
4.5.2照明系統(tǒng)的設計參數(shù) ………………………………………………………………. 30
5 機械結構的設計 …………………………………………………………………………. 35
5.1 機械設計的原理和要求 ………………………………………………………… …….35
5.2 支架的作用 ……………………………………………………………………………. 36
6 CCD在線的實驗 ………………………………………………………………………… .. 37
6.1 實驗準備 ……………………………………………………………………………… 37
6.2 實驗方案………………………………………………………………………………… 37
6.3實驗系統(tǒng)設計……………………………………………………………………………. 38
6.4數(shù)據(jù)采集 ………………………………………………………………………………. 39
6.4.1系統(tǒng)標定……………………………………………………………………………… 39
6.4.2影響測量的幾個因素及改進方法…………………………………………………… 40
結論和展望……………………………………………………………………………………. 41
致謝……………………………………………………………………………………………. 43
參考文獻………………………………………………………………………………………. 43
附錄……………………………………………………………………………………………. 46
附錄1… ………………………………………………………………………………………. 46
46
1 緒論
1.1 課題的意義和目的
提升機是國內外豎井煤礦生產的咽喉[1]。井下煤炭的輸出、生產人員與設備的出入井等，它是唯一的運輸工具，因此，它的運行狀態(tài)直接關系到人身安全和煤炭生產。一個罐籠一次最多可提升 150 人，他們的生命都寄托于鋼絲繩懸掛的罐籠。井上的物料和井下的礦石也無一不是用不同的提升裝備每天運送的。但更換鋼絲繩的成本對運行費用影響極大。因而，保持鋼絲繩間的載荷一致，對延長鋼絲繩的壽命、減輕襯墊磨損、保證設備安全運行有著很重要的意義。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》第 399 條規(guī)定，摩擦提升裝置中任一根提升鋼絲繩的載荷與平均載荷之差不得超過±10%。一旦超過（即失衡）就潛伏下了危險，如不能及時調整就可能發(fā)生重大事故。在此之前，煤礦系統(tǒng)只能按照現(xiàn)行的安全規(guī)程，定期停產檢查調整或者更換價格昂貴的鋼纜。這樣不僅影響正常的煤炭生產，又造成很大的浪費，更重要的是不能從根本上保證提升機運行的安全。國內幾乎年年都發(fā)生提升機“墜井”的重大惡性事故，造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡，成為煤炭生產中的一項重大技術難題。因此，要從根本上預防事故的發(fā)生，必須隨時、自動地監(jiān)測各鋼絲繩的載荷變化狀況。但由于礦井特殊環(huán)境和煤礦生產條件的制約，國內外多年來的研究成果都難以實用化，除了理論估算和預算外，沒有一個實用有效地自動監(jiān)測手段。因此，對鋼絲繩的承載大小及各鋼絲繩之間平衡情況的掌握和監(jiān)測方法的研究，就成為實現(xiàn)煤礦安全提升很重要的一個環(huán)節(jié)。礦井提升過中，隨著礦井深度的增加和一次提升量的加大，由于多繩摩擦式提升設備體積小、重量輕、提升能力大、安全性能好、常用于深井等優(yōu)點，成為我國很多礦井生產中的主要提升設備。但由于多繩摩擦提升中存在各鋼絲繩張力分配不均的特殊問題，解決不好不但影響生產，同時也給設備的安全運行帶來隱患，因此對該問題進行研究并加以解決具有現(xiàn)實意義。
1.2 CCD檢測系統(tǒng)的特點和分析
CCD（Charge Coupled Devices）電荷耦合器件是20世紀70年代初發(fā)展起來的新型半導體集成光電器件，是由美國貝爾試驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年首次提出的。在經(jīng)歷了一段時間研究之后，建立了以一維勢肼模型為基礎的非穩(wěn)態(tài)CCD理論并逐漸完善，發(fā)展成為一種新型的固體成像器件。實際上，CCD是在大規(guī)模硅集成電路工藝基礎上研制而成的模擬集成電子芯片，它既具有光電轉換的功能，又具有信號電荷的存儲、轉移和讀出的功能。而且，它具有體積小、重量輕、高靈敏度、高精度、抗震好、壽命長和可靠性高等優(yōu)點。CCD從結構上講，可分為面陣CCD和線陣CCD兩種。面陣CCD主要用于圖像記錄、儲存等方面；線陣CCD主要用于產品外部尺寸的非接觸檢測、控制和分類、產品表面質量評定、自動化及機器人視覺中的精確定位等［1］。
CCD技術在光電掃描技術、圖像處理技術和非接觸檢測等領域應用廣泛。諸如冶金部門中各種管、線、帶材軋制過程中的尺寸測量，光纖及纖維制造中的線徑尺寸測量、控制，機械產品尺寸測量、分類，產品表面質量評定，文字與圖形識別，光譜測量以及空間測量等；它還可以應用于數(shù)碼攝相、復印、掃描等。而以CCD技術為核心的數(shù)碼相機的發(fā)展之迅猛令人難以想象。自1991年第一架數(shù)碼相機問世以來，數(shù)碼相機的發(fā)展可謂日新月異，其像素數(shù)由原來的幾十萬增加到幾百萬乃至上千萬。而應用CCD技術的掃描儀和復印機更是現(xiàn)代辦公必不可少的設備，極大提高了工作效率。
同時，CCD不但廣泛應用于民用范圍，也廣泛應用于軍事工業(yè)[19][20]。CCD圖像技術可用于特定的場合，如偵察、探測等，借助軍用PDA（Personal Digital Assistant）的存儲、處理和傳輸功能來達到相應的軍事目的。例如美國KH-11偵察衛(wèi)星，衛(wèi)星上裝有二套相機。其中一套是高分辨率CCD 可見光相機, 它能提供分辨率為0.1m的圖片。而應用于海灣戰(zhàn)爭中使用CCD相機的SPOT衛(wèi)星，它所提供的數(shù)字圖像對作戰(zhàn)效果的提高是十分明顯的, 它使精確制導炸彈的單發(fā)摧毀概率由30% 提高到70%，在海灣戰(zhàn)爭中發(fā)揮了極大作用。
近年CCD應用技術已成為集光學、電子學、精密機械和計算機技術為一體的綜合性技術，在現(xiàn)代光子學、光電檢測技術和現(xiàn)代測試技術領域中日趨廣泛，而該技術的應用和研究在國內外都發(fā)展的很快。
1.3 基于CCD技術的鋼絲繩檢測系統(tǒng)
由以上CCD特性分析可知，其用于尺寸測量是非常有效的非接觸式檢測技術，被廣泛應用于在線檢測和高精度、高速度的檢測技術領域。由CCD光電傳感器、光學系統(tǒng)、單片機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構成的CCD光電尺寸檢測儀器的使用范圍和優(yōu)越性，不僅是人工檢測所無法比擬的，也是現(xiàn)有機械式、光學式、電磁式測量儀器都無法比擬的。近年來，利用CCD進行非接觸檢測在國外已經(jīng)得到廣泛應用，但國內在這方面的應用還處在研制和試用階段，而在礦用提升鋼絲繩直徑檢測方面還是個空白［1］。如果用CCD來對提升鋼絲繩直徑進行非接觸實時在線測量，不但可以克服人工測量的缺點，而且還可以克服磁通檢測法和激光掃描法的缺點。因此，本項目擬研制開發(fā)CCD實時在線非接觸式線徑測量系統(tǒng)來取代原有的人工測量，對于提升設備的安全可靠運行具有重大意義，并具有較大的社會效益和巨大的經(jīng)濟效益。
圖1-1 CCD實時在線非接觸式線徑測量系統(tǒng)結構圖
圖1-2 CCD實時在線非接觸式線徑測量系統(tǒng)原理圖
本項目研究的CCD實時在線非接觸式線徑測量系統(tǒng)由照明系統(tǒng)、提升鋼絲繩（被測物）、成像系統(tǒng)、CCD光電檢測系統(tǒng)和單片機處理系統(tǒng)構成，其系統(tǒng)結構圖見圖1-1，系統(tǒng)原理圖見圖1-2。穩(wěn)壓穩(wěn)流電源為照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定的平行照明光，被照明的提升鋼絲繩直徑經(jīng)成像系統(tǒng)成像在線陣CCD的光敏陣列面上。由于鋼絲繩為不透明物體，鋼絲繩直徑所成的像會在CCD光敏陣列面的中間部分形成暗帶，兩側形成亮帶，暗帶的寬度就是鋼絲繩直徑所成像的大小。線陣CCD在驅動脈沖的作用下完成光電轉換并產生視頻信號，將光敏面的空間寬度轉換成時間寬度信號。此視頻信號送到二值化電路中進行二值化（即0和1）處理，產生二值化信號，其二值化信號波形見圖1-3。此二值化信號送到單片機系統(tǒng)中進行處理，得到高電平寬度，此高電平寬度即對應著鋼絲繩直徑在CCD像敏面上所成的像寬，再查標定表和換算即可得到鋼絲繩直徑的真實寬度。
圖1-3 CCD二值化信號圖
2 鋼絲繩的選用
2.1 鋼絲繩的選用和合理參數(shù)
隨著技術發(fā)展 ,鋼絲繩的品種日益增多 ,應用范圍越來越廣 ,要安全經(jīng)濟地使用好鋼絲繩 ,除了需要鋼絲繩制造企業(yè)努力提高質量 、發(fā)展品種 、降低成本之外 ,設計部門和使用單位對鋼絲繩及其有關裝置合理地選擇 、正確使用以及妥善養(yǎng)護等關系甚大 ,而合理選擇則是正確使用的基礎 。實驗室試驗和現(xiàn)場實踐證明 :同樣工作條件下由于選擇不同品種的鋼絲繩 ,使用壽命有成倍差別 [21]。正確選擇鋼絲繩要首先在購買鋼絲繩前確定鋼絲繩的用途 。例如用于立井提升可選用三角股鋼絲繩、線接觸鋼絲繩或多層股鋼絲繩 ;用于開鑿立井提升 ( 建井用) 可選用多層股鋼絲繩或異型股鋼絲繩 ; 用于立井罐道及索道承重可選用密封鋼絲繩 、三角股鋼絲繩 、多層股鋼絲繩或普通鋼絲繩等 。其次要明確不同用途鋼絲繩的安全系數(shù)(2～5)。鋼絲繩最小破斷拉力應不小于鋼絲繩最大工作靜拉力與鋼絲繩最小安全系數(shù)的乘積 。最后進行結構與規(guī)格的選擇。
例如 ,某煤礦主井礦車提物單繩纏繞 ,鋼絲繩實際使用長度 250 m ,繩端最大靜載荷 49 kN ,礦車平均運行速度 3. 5 m/ s。選擇步驟如下 :
(1) 根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定 ,單繩纏繞式提升裝置專為升降物料的安全系數(shù)最低為 6. 5 ,則需選用的鋼絲繩破斷拉力應不小于 318.5 kN ;
(2) 最后選擇時還需綜合考慮鋼絲繩的柔軟性 、耐疲勞性 、耐磨性 、耐擠壓性以及價格等因素 。一般常用圓股鋼絲繩柔軟性 、耐疲勞性 、耐磨性三者之間的關系見表 1 。耐擠壓性一般來說股內鋼絲數(shù)少相對穩(wěn)定 [21] ;
(3) 由上分析 ,本例選用 26NAT6 × + FC 167019ZS 的鋼絲繩可滿足要求 。
表2-1 圓股鋼絲繩柔軟性 、耐疲勞性 、耐磨性之間的關系
柔軟性
耐磨性
耐疲勞性
結構
軟 (A) - 硬 ( E)
強 (A) - 弱 ( H)
高(A) - 低( H)
6×7
E
A
H
6×19
D
C
G
6×19S
E
B
F
6×19W
D
C
E
6×25Fi
D
C
C
6×31SW
D
C
C
6×29Fi
C
D
C
6×36SW
C
D
B
6×24
C
E
G
6 ×41SW
B
F
A
6×37
B
G
G
2.2 鋼絲繩的使用
(1) 解卷
將繩盤放在專用支架上 ,也可用鋼管穿入繩盤孔 ,兩端套上繩索吊起 ,將繩盤緩緩轉動抽出鋼絲繩 。抽取鋼絲繩的同時應采取措施防止鋼絲繩打環(huán)、扭結 、彎折或粘上雜物 。
(2) 剪切
鋼絲繩剪切前應在距切割處左右各 10～20 mm處分別用鐵絲扎緊 ,捆扎長度為繩徑的 1～4 倍 ,再用切割工具切斷。
(3) 安裝
鋼絲繩投入使用前 ,用戶應確保與鋼絲繩工作有關的各種裝置已安裝就緒并運轉正常 。如果當鋼絲繩空載時與機械的某個部位發(fā)生摩擦則應將能接觸到的部位加以防護 。新鋼絲繩不要立即在高速 、重載下直接使用 ,而要在低速 、中載條件下運行一段時間 ,使新繩適應使用狀后 ,再逐步提高鋼絲繩運行速度和加大提升載荷 ,即新鋼絲繩在進行高速 重負荷作業(yè)前必須經(jīng)過初期磨合階段 。
(4) 使用
1.鋼絲繩和滑輪配合使用時 ,必須注意防止鋼絲繩從輪槽中跳出 。如果鋼絲繩脫落了輪槽后還在繼續(xù)使用 ,鋼絲繩將會產生擠壓變形 、扭結、 斷絲、 斷股 ,嚴重縮短鋼絲繩使用壽命 ,如果發(fā)生斷繩現(xiàn)象 , 往往會帶來災難性的后果 。
2.鋼絲繩在使用時不能受到強烈擠壓 ,以免鋼絲繩變形 ,導致結構破壞而出現(xiàn)早期斷絲 、斷股甚至斷繩 ,顯著降低鋼絲繩使用壽命并危及作業(yè)安全 。
3.鋼絲繩在高速運行時應避免與非匹配輪槽外的其它物體發(fā)生摩擦 。因為在高速情況下 ,鋼絲繩與這些物體相互運行時所產生的瞬間摩擦熱 ,可導致鋼絲表層出現(xiàn)馬氏體組織 ,而這種組織上的變化雖然無法通過肉眼辨別 ,然而卻是引起鋼絲早期斷裂的主要原因 。
4.鋼絲繩不能過載使用 ,否則將急速加劇其被擠壓變形程度 、內部鋼絲之間及外部鋼絲與匹配輪槽之間的磨損程度 ,對作業(yè)安全性帶來嚴重危害 ,同時縮短滑輪使用壽命 。
5.鋼絲繩使用過程中 ,如果運行速度頻繁發(fā)生急劇變化 ,將造成沖擊載荷 。每次沖擊雖然只是瞬間加載 ,但隱含著極大的危害性 。沖擊負荷超過鋼絲繩允許使用工作應力時就會產生斷繩現(xiàn)象 。即使沖擊載荷不一定導致鋼絲繩斷裂 ,但多次沖擊 ,將會嚴重縮短鋼絲繩的使用壽命 。對于已經(jīng)使用了一段時間的鋼絲繩 ,與新繩相比 ,由于伸縮性較小 ,耐沖擊性會更低
6.運轉速度越低 ,鋼絲繩的損傷越少 。隨著運轉速度的加快 ,鋼絲繩的損傷相應增加 。為此 ,應避免在運行中速度急劇變化 ,避免突然 、劇烈加載以及猛烈地剎車 ,這樣可以減少鋼絲繩的損傷 。鋼絲繩在中等運轉速度最大負荷下工作與在高速運轉中等負荷下工作相比 ,前者的使用壽命要長得多 。
7.鋼絲繩在使用中應做到不沾水 ,不在積水和潮濕的沙土中穿過 ,應盡可能地在干燥的環(huán)境下使用 。在容易生銹的條件下推薦使用鍍鋅鋼絲繩 。
2.3鋼絲繩養(yǎng)護與報廢
(1)油垢的清除 。鋼絲繩表面的油脂 ,經(jīng)過一定時間使用 ,由于落入各種粉塵和其它雜質而逐硬化失效形成油垢 。油垢不僅阻礙新油脂和鋼絲繩表面接觸 ,而且在鋼絲繩磨損時起到磨料作用 ,加速了鋼絲之間的磨損 ［21］［22］。油垢如果龜裂還會起到吸水作用 ,容易造成鋼絲銹蝕 。如果沒有將油垢及時清除就在上面涂油 ,則不能很好地和鋼絲結合 ,所以涂油前應先設法將油垢清除。
(2)鋼絲繩的潤滑 。鋼絲繩在制造時雖已涂了足夠的油脂 ,但國內常用的鋼絲繩表面脂滴點低 ,附著力差 ,經(jīng)運行后 ,油脂會逐漸減少 ,且鋼絲繩表面會沾有塵埃 、碎屑等污物 ,易引起鋼絲繩及繩輪的磨損和鋼絲繩生銹 ,影響鋼絲繩的使用壽命 ,應定期對鋼絲繩進行清洗和加油 ,特別是那些繞過滑輪時經(jīng)受彎曲的部位 。缺乏維護是鋼絲繩壽命短的主要原因之一 ,特別是在腐蝕性環(huán)境中工作以及在不能潤滑的情況下運轉時更是如此 。
(3)檢查記錄 。使用鋼絲繩必須定期檢查并做好記錄 ,定期檢查的內容除了上述的清洗加油外 ,還應檢查鋼絲繩磨損程度 、斷絲情況 、腐蝕程度等。
鋼絲繩的報廢在鋼絲繩使用過程中 ,為確保使用安全 ,一旦發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象必須及時調整或更換 ( 詳細規(guī)定可見相關標準) 。異?，F(xiàn)象包括 : (a) 鋼絲繩有超過規(guī)定的斷絲根數(shù) ; (b) 鋼絲繩繩股斷裂 ; (c) 由于繩芯損壞而引起的繩徑減小 ; (d) 鋼絲繩彈性減小 ; (e) 鋼絲繩的鋼絲磨損嚴重 ; (f) 鋼絲繩的鋼絲腐蝕嚴重 ; (g) 鋼絲繩變形 ; (h) 由于熱或電弧作用引起的損壞。使用單位應嚴格按照要求做好維護保養(yǎng)工作并做好檢查記錄 ,遇有異常情況要及時處理 ,必要時需報廢更換 ,如不及時處理就可能造成嚴重后果 。
2.4 鋼絲繩的直徑計算
礦井提升鋼絲繩是礦井提升系統(tǒng)的重要組成部份 ,對安全生產起著非常重要的作用 。根據(jù)礦井條件選定了鋼絲繩的結構之后 ,就需要通過計算來確定鋼絲繩的公稱直徑 。
1 鋼絲繩直徑計算的理論依據(jù)
關于鋼絲繩的強度計算理論 ,國內外都作了大量的研究工作 ,取得了一些成績 ,但由于鋼絲繩的結構復雜 ,受力復雜 ,再加上磨損 、銹蝕、 環(huán)境等影響因素較多 ,尚未完善地用于工程計算 。因此 , 鋼絲繩的強度計算 ,至今仍按《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定 :根據(jù)其工作中所承受的最大靜拉力和鋼絲繩中鋼絲最小破斷拉力總和來計算 ,使它具有一定的安全系數(shù) 。其強度條件可寫為 :
Q 式（2.1）
式中 Q j —— 鋼絲繩工作中所承受的 ) 最大靜拉力 ,N ;
Fh ——鋼絲繩中鋼絲最小破斷拉力總和N;
b —— 鋼絲繩的安全系數(shù) 。式 (2.1 )中的 Fh / b 就是鋼絲繩的許用力 。安全系數(shù) b 的值應滿足《煤礦安全規(guī)程》的要求 。關于安全系數(shù)需要指出的是 ,由于提升鋼絲繩的工作應力非常復雜 ,影響鋼絲繩使用壽命的因素又很多 ,所以《煤礦安全規(guī)程》中的安全系數(shù)并不代表鋼絲繩的真正強度安全儲備值 ;而僅僅表示經(jīng)過長期實踐證明 ,在規(guī)定的安全系數(shù)條件下 ,鋼絲繩才能安全可靠地運行 。式 (2.1) 并不能直接進行繩徑的計算 ,因為最大靜拉力不僅與繩端的荷重 ( 提升容器 、人、物及連接裝置等的質量) 有關 ,而且與鋼絲繩自身的質量有關 。計算之前鋼絲繩的質量還是個未知數(shù) ,所以必須從另外的角度來考慮 。
圖2-1 立井提升鋼絲繩計算示意圖
這時在鋼絲繩上部截面 A 處承受著的最大靜拉力為 :
Q j = ( mL + Q 0 ) ?g 式(2.2)
式中 Q i —— 鋼絲繩在 A 處受的最大靜拉力 , N;
Q 0 ——鋼絲繩終端載荷質量 , kg ;
m —— 每百米長鋼絲繩質量 , kg/ m ;
L —— 鋼絲繩的懸垂長度 , hm ;
g —— 重力加速度 ,9. 8 m/ s2 。
由 GB/ T8918 第 4. 3. 1 條知
m = Kd 式(2.3)
式中 d —— 鋼絲繩的公稱直徑 , mm ;
K —— 鋼絲繩的質量系數(shù) , kg/ hm? 2mm( K 值見 GB/ T8919 表 5) 。
將 (2.3) 式代入 (2.2) 式得
Q j = ( Kd + Q 0 ) ?Lg 式(2.4)
根據(jù) GB8706 - 88 鋼絲繩術語》15.2.1條《第和 GB/ T8918 第 5.3.1條 ,鋼絲繩最小破斷拉力 ( 理論計算的鋼絲繩破斷拉力最小值) 的計算公式為:
F0 = K′d ?R?2 R 式(2.5)
式中 F0 ———鋼絲繩最小破斷拉力 , N ;
d ———鋼絲繩公稱直徑 , mm ;
R ———鋼絲繩公稱抗拉強度 , M Pa ;
K′———某一指定結構鋼絲繩的最小破斷拉力系統(tǒng)( K′見 GB/ T8918 表值5) 。
根據(jù) GB/ T8918 第 5.3.2條 ,鋼絲繩中鋼絲最小破斷拉力總和( GB8706 - 88 第15. 2.3 條稱為鋼絲計算破斷拉力總和)可用下式表達 ,即
F = K? RF 式(2.6)
式中K —( 破斷拉力)換算系數(shù)(該符號—是自己設定的,其值見GB/T8918 表 14 ～ 表31下注)。將(2.5)式代入(2.6)式得
Fh = Kh?K′d ?R?2 R 式(2.7)
將(2.4)式和(2.7)式代入(2.1)式得
Kh ?Kd ?R?2R( Kd ? + Q 0 ) ? ≤Lg, b
Kh ?Kd ?R?2 R2Kd+ Q 0 ? ≤Lgg b
Kh ?K d 2 ?R?R得：
d 式（2.8）
礦井鋼絲繩的計算及選擇
已知條件 ： 主井井深 450m 箕斗容量 8噸
計算鋼絲繩每米的重量P
p= 式（2.9）
Q ——— 一次提升量，Q=8噸；
Q———8噸箕斗的自重，由表1-3查得Q=5500kg《礦井提升設備》
——— 鋼絲繩鋼絲的極限抗拉強度，取=
m——— 安全系數(shù)，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，主井箕斗提升m取m=6.5s
Hc ———鋼絲繩最大懸垂長度 Hc=Hs+H+H=450+32+18=500m式中
H———井架高度 , 暫取32m
P= 式（2.10）
選擇標準鋼絲繩 （查表1-2）
由于提升的量不是的太大且井的深度不是太深，可考慮選用普通的鋼絲繩圓股繩6型鋼絲繩 普通圓形股6（19）型新鋼絲繩的主要規(guī)格是：
鋼絲繩直徑d=40mm 鋼絲直徑
鋼絲繩每米重量p=5.717 鋼絲繩鋼絲的極限抗拉強度 全部鋼絲繩斷裂力之和Q=102500
以上數(shù)據(jù)由鋼絲繩規(guī)格表中選取
現(xiàn)驗算 m= =
由于實際的安全系數(shù)大于6.5上述的鋼絲繩不可以，可取
p ==
m 故可以
鋼絲繩直徑d=40mm; 鋼絲直徑；鋼絲每米重：5.717
鋼絲繩公稱抗拉強度:
故按照《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定 由于實際安全系數(shù)大于6.5上述鋼絲繩可用故選用6（19）型鋼絲繩
。
3 CCD工作原理及選用
CCD 的突出特點是以電荷作為信號,而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉移 ,它的工作過程中的主要問題是信號電荷產生存儲、傳輸和檢測。CCD 有兩種基本類型: 一是電荷包存儲在半導體與絕緣層之間的界面, 并沿界面?zhèn)鬏斶@類器件稱為表面溝道 CCD, 簡稱 SCCD；二是電荷包存儲在離半導體表面一定深度的體內，并在半導體體內沿一定方向傳輸， 這類器件稱為體溝道或埋溝道器件，簡稱 BCCD 。我以 SCCD 為例來說明 CCD 工作原理 ?！?
3.1 電荷存儲
對于 SCCD 構成 CCD 的基本單元是 MOS 金屬-氧化物-半導體結構如圖 3-1(a),所在柵極施加正偏壓 UG 之前 p 型半導體中空穴多數(shù)載流子的分布是勻的,當柵極施加正偏壓 UG ,此時 UG 小于p 型半導體的閾值電壓 Uth 后,空穴被排斥產生耗盡區(qū).如圖 3-1(b)所示,偏壓繼續(xù)增加,耗盡區(qū)將進一步向半導體內延伸,當 UG>Uth 時,半導體與絕緣體界面上的電勢常稱為表面勢,用ФS 表示.變得如此之高以致于將半導體內的電子少數(shù)載流子吸引到表面形成一層極薄的10-2μ m ,但電荷濃度很高的反型層 ,如圖 3-1(c)所示 ,反型層電荷的存在表明了, MOS 結構存儲電荷的功能 ,然而 ,當柵極電壓由零突變到高于閾值電壓時, 輕摻雜半導體中的少數(shù)載流子很少 .不能立即建立反型層在不存在反型層的情況下, 耗盡區(qū)將進一步向體內延伸, 而且柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上,如果隨后可以獲得少數(shù)載流子時,那么耗盡區(qū)將收縮表面勢下降 ,氧化層上的電壓增加.當提供足夠的少數(shù)載流子時,表面勢可降低到半導體材料費密能級ФF的兩倍例如: 對于摻雜為 1015cm-3 的 p型半導體費密能級為 0.3V 耗盡區(qū)收縮到最小時 ,表面勢ФS 下降到最低值 0.6V ,其余電壓降在氧化層上表面勢ФS 隨反型層電荷濃度 QINV 柵極電壓 UG 的變化而變化 ,當摻雜一定時 ,對于氧化層的不同厚度在不存在反型層電荷時,表面勢ФS與柵極電壓UG的關系曲線以及表面勢ФS與反型層電荷密度的關系曲線直線性好說明表面勢ФS與反型層電荷濃度QINV有著比例線性.
圖 3-1單個 CCD 柵極電壓變化對耗盡區(qū)的影響
關系，這種線性關系很容易用半導體物理中的勢阱概念描述，電子是因為那里的勢能最低 在沒有反型層電荷時，勢阱的深度與柵極電壓UG的關系恰如ФS與UG 的線性關系 。如圖 3-2(a)空勢阱的情況，圖3-2(b)為反型層電荷填充 1/3 勢阱時，表面勢收縮當反型層電荷足夠多使勢阱被填滿時ФS 降到 2ФF，此時表面勢不再束縛多余的電子電子將產生溢出現(xiàn)象，這樣表面勢可作為勢阱深度的度量， 而表面勢又與柵極電壓 UG 氧化層的厚度dOX有關。即與MOS電容容量，COX 與UG 的乘積有關。
圖 3-2 勢阱
3.1.1 電荷耦合
觀察圖3-3中的CCD中四個彼此靠得很近的電極將有助于理解CCD中勢阱及電荷如何從一個位置遷移到另一個位置假定開始時有一些電荷存儲在偏壓為 10V 的第一個電極下面的深勢阱里 其他電極上均加有大于閾值的較低電壓例如 2V ,設圖 3-3(a)為零時刻 初始時刻 經(jīng)過 t1 時刻后 各電極上的電壓變?yōu)閳D 3-3(b)所示 第一個電極仍保持為10V 第二個電極上的電壓由 2V 變?yōu)?10V 因為這兩個電極靠得很緊 間隔只有幾微米 他們各自的對應勢阱將合并在一起 原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有 如圖 3-3(b)和(c)所示 若此后電極上的電壓變?yōu)閳D 3-3(d)所示 第一個電極電壓由 10V 變?yōu)?2V 第二個電極電壓仍為 10V,則共有的電荷轉移到第二個電極下面的勢阱中如圖 3-3(e)所示，由此可見，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置，通過將一定規(guī)則變化的電壓加到 CCD各電極上 電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定方向移動。通常把 CCD 電分為幾組， 每一組稱為一相并施加同樣的時鐘脈沖，CCD的內部結構決定了使其正常工作所需要的相數(shù)，圖3-3所示的結構需要三相時鐘脈沖，其波形圖如圖3-3f 所示這樣的CCD稱為三相CCD，三相CCD的電荷耦合傳輸方式必須在三相交疊脈沖的作用下，才能以一定的方向逐單元地轉移。另外必須強調指出 CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個電極下轉移到相鄰電極下,這對圖 3-3 所示的電極結構是一個關鍵問題。如果電極間隙比較大 兩相鄰電極間的勢阱將被勢壘隔開不能合并,電荷也不能從一個電極向另一個電極完全轉移 CCD 便不能在外部脈沖作用下正常工作， 能夠產生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結構，表面態(tài)密度等因素決定理論計算和實驗證實,為了不使電極間隙下方界面
圖 3-3 三相 CCD 中電荷的轉移過程
處出現(xiàn)阻礙電荷轉移的勢壘 間隙的長度應小于3μm 這大致是同樣條件下半導體表面深耗盡區(qū)寬度的尺寸，當然如果氧化層厚度 表面態(tài)密度不同 結果也會不同 但對絕大多數(shù)CCD1μm 的間隙長度是足夠小的以電子為信號的CCD稱為 n 型溝道CCD簡稱為 n 型CCD而以空穴為信號電荷的CCD稱為 p 型溝道，CCD簡稱為 p 型CCD由于電子的遷移率 單位場強下的運動速度 遠大于空穴的遷移率， 因此 n 型 CCD 比 p型CCD的工作頻率高得多。
3.2電荷的注入和檢測
3.2.1電荷的注入
在 CCD 中， 電荷注入的方法有很多歸納起來， 可分為光注入和電注入兩類。 在 CCD 實時在線非接觸式線徑測量系統(tǒng)中，我使用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,CCD 器件的電荷注入方式是光注入 ?！?
當光照射到CCD 硅片上時， 在柵極附近的半導體體內產生電子-空穴對其多數(shù)載流子被柵極電壓排開， 少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷光注入電荷。
QIP=η q Δneo ATC 式（3.1）
式中 : ——— 為材料的量子效率；
q ———為電子點荷量；
neo ———為入射光的光子流速率 ；
A ———為光敏單元的受光面積；
TC ———為光注入時間 ?！?
由式(3.1)可以看出 ,當 CCD 確定以后 q 及 A 均為常數(shù), 注入到勢阱中的信號電荷 QIP與入射光子流速率Δneo 及注入時間 TC成正比 .注入時間 TC 由 CCD 驅動器的轉移脈沖的周期 TSH 決定 ,當所設計的驅動器能夠保證其注入時間穩(wěn)定不變時 ,注入到 CCD 勢阱中的信號電荷只與入射輻射光子流速率Δneo 成正比 .
3.2.2 電荷的檢測 (輸出方式)
在 CCD 中 ,有效地收集和檢測電荷是一個重要問題. CCD 的重要特性之一是信號電荷在轉移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合 ,而在輸出端則不可避免.因此 ,選擇適當?shù)妮敵鲭娐房梢员M可能的減小時鐘脈沖容性地饋入輸出電路的程度. 目前 CCD 的輸出方式有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。我所選用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,它的電荷檢測方式是電流輸出 ，電流輸出如圖 3-4 所示 ，當信號電荷在轉移脈沖的驅動下向右轉移到末極電極 ，圖3-4 中Ф2電極下的勢阱中后，Ф2 電極上的電壓由高變低時，由于勢阱提高，信號電荷將通過輸出柵， 加有恒定的電壓下的勢阱進入反向偏置的二極管。圖中（ n+區(qū)）。由UD 、電阻 R、襯底 p 和 n+區(qū)構成的反向偏置二極管相當于無限深的勢阱進入。，到反向偏置的二極管中的電荷， 將產生輸出電流 ID，且 ID 的大小與注入到二極管中的信號電荷量成正比，而與電阻 R 成反比 。電阻 R 是制作在 CCD 內的電阻 ，阻值是常數(shù)。所以輸出電流 ID 與注入到二極管中的電荷量成線性關系 。由于 ID 的存在， 使得 A 點的電位發(fā)生變化。ID 增大，A 點電位降低。所以可以用 A 點的電位來檢測二極管的輸出電流 ID，用隔直電容將A 點的電位變化取出， 再通過放大器輸出 。圖 3-4 中的場效應管 。TR為復位管它的主要作用是將一個讀出周期內輸出。二極管沒有來得及輸出的信號電荷通過復位場效應輸出 。因為在復位場效應管復位柵為正脈沖時復位場效應管導通，它的動態(tài)電阻遠遠小于偏置電阻R使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使 A 點的電位恢復到起始的高電平。
圖3-4電荷的輸出
3.2.3 CCD 的特性參數(shù)
轉移效率和轉移損失率 ：
電荷轉移效率是表征 CCD 性能好壞的重要參數(shù)。一次轉移后到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱為轉移效率。如在 t=0 時,注入到某電極下的電荷為 Q(0)； 在時間 t 時 ,大多數(shù)電荷在電場作用下向下一個電極轉移，但總有一小部分電荷由于某種原因留在該電極下。若被留下來的電荷為 Q(t)，則轉移效率為
η=[Q(0)-Q(t)]/Q(0)=1-Q(t)/Q(0) 式（3.2）
如果轉移損失率定義為
ε=Q(t)/Q(0) 式（3.3）
則轉移效率和轉移損失率的關系為
η=1-ε 式（3.4）
理想情況下η應等于1 ，但實際上電荷在轉移過程中有損失， 所以 η總小于 1 的(常為 0.9999 以上) 。一個電荷為 Q(0)的電荷包， 經(jīng)過 n 次轉移后， 所剩下的電荷為
Q(n)=Q(0)ηn 式（3.5）
這樣 ，n 次轉移前后電荷量之間的關系為
Q(n)/Q(0)=e-nε 式（3.6）
如果 =0.99 ，經(jīng) 24次轉移后等于78%而經(jīng)過192次轉移后，等于14%。由此可見，提高轉移效率η是電荷耦合器件能否實用的關鍵 。我所選用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,它的轉移效率η 是 92% ?！?
工作頻率 f
CCD 器件有工作頻率下限和工作頻率上限。
為了避免由于熱產生的少數(shù)載流子對注入信號的干擾 ，注入電荷從一個電極轉移到另一個電極所用的時間 t 必須小于少數(shù)載流子的平均壽命τ。 即：
t<τ 式（3.7）
在正常工作條件下 對于三相 CCD
t=T/3=1/3(f<τ) 式（3.8）
故
f>1/3τ 式（3.9）
可見 ，工作頻率下限與少數(shù)載流子的壽命有關 。
而當工作頻率升高時， 若電荷本身從一個電極轉移到另一個電極所需要的時間t 大于驅動脈沖使其轉移的時間 T/3 ，那么， 信號電荷跟不上驅動脈沖的變化， 將會使轉移效率大大下降， 為此， 要求 t≤T/3， 即?。?
f≤1/3t 式（3.10）
這就是電荷自身的轉移時間對驅動脈沖頻率上限的限制我所選用的 CCD 器件是 TCD1206SUP,它的工作頻率的上限是 2MHz,典型值是 1MHz 。
3.3 CCD 選型
該系統(tǒng)要求的測量范圍為15-45mm，測量精度和相對精度要求較高，所以，應該選擇1000像元以上的線陣CCD才可以滿足本測量系統(tǒng)的精度要求，而線陣CCD芯片TCD1206SUP 滿足以上要求，所以，本系統(tǒng)選擇TCD1206SUP型線陣CCD它的有效像元數(shù)為2160像元，尺寸為0.014 0×014mm ，像元中心距為0.014mm，足以滿足本測量系統(tǒng)的要求：
該器件的主要技術指標 ：
像敏單元數(shù)2160 像元總長為30.24mm
像元中心距 14μm 驅動頻率1MHz
行周期 2.5ms 靈敏度 45V/lx.s
在 1MHz 數(shù)據(jù)率情況下工作時， 有效像元輸出時間為 2.3ms,鋼絲繩直徑信號產生于 2.3ms 期間 ，輸出信號的暗電平可控制在 1.0V 左右,而高電平可接近 10V 相差比較大 當光學系統(tǒng)調整得比較好時 ，圖像邊緣的信號比較陡 ，測量誤差較小 ?！ ?
3.4 CCD 工作原理
TCD1206SUP 在圖 3-5 所示的驅動脈沖作用下工作。
圖 3-5 TCD1206SUP 驅動脈沖波形圖
當ФSH 脈沖的高電平到來時 ，正值Ф1 電極下均形成深勢阱 ，同時ФSH的高電平使Ф1 電極下的深勢阱與 MOS 電容存儲勢阱溝通。
如圖 3-6 所示 ，MOS 電容中的信號電荷包通過轉移柵轉移到模擬移位寄存器的Ф1 電極下的勢阱中。 當ФSH 由高變低時 ФSH 低電平形成的淺勢阱將存儲柵下勢阱與Ф1 電極下的勢阱隔離開。存儲柵勢阱進入光積分狀態(tài) ，而模擬移位寄存器將在Ф1 與Ф2 脈沖的作用下驅使轉移到Ф1 電極下勢阱中的信號電荷向左轉移 ，并經(jīng)輸出電路由 OS 電極輸出。由于結構上的安排，OS端首先輸出13個虛設單元信號，再輸出 51個暗信號，然后才連續(xù)輸出 S1 到 S2160的有效像素單元信號。第 S2160信號輸出后，又輸出9個暗信號，再輸出2個奇偶檢測信號，以后便是空驅動?？镇寗訑?shù)目可以是任意的。由于該器件是兩列并行分奇、偶傳輸?shù)模栽谝粋€ФSH周期內至少要有1118個Ф1 脈沖，即TSH>1118T1ФR為復位級的復位脈沖，復位一次輸出一個信號。
圖 3-6 光生電荷向Ф1 電極下勢阱轉移
4 光學系統(tǒng)設計
4.1光學成像的基本計算公式
在光電光學系統(tǒng)中，光學系統(tǒng)的作用是把物體或待處理的圖像成像(或投影) 到光電器件 (如 CCD 器件)上，因此，在確定系統(tǒng)原理方案時，首先要進行光學系統(tǒng)的外形尺寸計算 。而光學系統(tǒng)的外形尺寸計算是根據(jù)理想光學系統(tǒng)的有關公式進行的。
4.1.1