基于可见光定位技术的形变监测系统及方法与流程

本发明属于可见光定位技术领域，具体涉及一种基于可见光的形变监测系统及方法。

背景技术：

在煤矿矿井中，罐道是矿井的垂直运行轨道，是维系地面和地下矿道的重要通道。罐道作为在立体井筒中上下运行的导向装置，可以限制罐笼前后左右摆动，保障罐笼顺畅连续在轨道上运行。然而，在煤矿地下开采过程中，竖井罐道容易发生一定程度的偏斜和变形。罐道变形轻则增加阻力，摩擦罐耳，影响生产；重则发生卡罐、掉罐等重大事故，直接威胁矿工生命安全。目前对煤矿罐道变形的监测方法有：1.人工几何测量法；2.井筒断面测量仪等专业测量仪器；3.基于激光测距的罐道位移监测系统。

就人工测量来说，该方法需要人员指挥进行焊接与钢丝固定，操作复杂且要耗费大量人力物力，成本高昂。而且人为的干扰因素很大，测量结果精确度有限。

专业仪器法对仪器和操作人员要求十分高，而且其分析测试的数据过程不够智能，计算精度较低，耗时较长，需要大量人员协作完成。

基于激光测距的罐道位移监测系统的问题在于，激光位移传感器的采样频率较低，测量距离有限，适用性有限，设备造价昂贵，线路复杂，不适合在恶劣环境下长期工作。

此外，矿井中大功率电气设备的频繁启动和电力电子器件、牵引网络的使用，使得井下电磁环境越来越恶劣。其造成的电磁干扰现象会引起设备、传输通道或系统性能下降，成为影响井下安全生产的关键问题。所以，在这样一种电磁敏感环境下，也难以使用常规电磁波定位手段实行监测。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于可见光定位技术的形变监测系统及方法，易于实施，且长期有效、成本低廉。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于可见光定位技术的形变监测系统及方法，其特征在于：它包括信号控制模块、可见光发射模块、主探测器、次级探测器和信号处理模块；

所述的可见光发射模块为在待监测地均布的若干个可见光源；

所述的信号控制模块用于驱动所述的若干个可见光源按一定的规律点亮，且同一时间只有一个可见光源点亮，每个可见光源均点亮一遍为一个周期；

在待监测地分布有若干个监测点，每个监测点上均设有一个所述的主探测器和一个所述的次级探测器；所述的主探测器包括光电传感器，所述的次级探测器包括涂黑遮挡物和位于涂黑遮挡物上的光电二极管；

所述的信号处理模块包括用于将光电传感器和光电二极管的电信号进行放大和模数转换的信号调理模块，用于根据模数转换后的电信号判断监测点是否有变形、监测点形变的方位及形变程度的微处理器。

按上述系统，所述的待监测地为待监测段罐道内壁，所述的可见光源为4个，呈对十字交叉分布在待监测段罐道内壁的水平截面上。

按上述系统，所述的可见光源为LED。

按上述系统，所述的信号控制模块具体用于驱动所述的4个可见光源依次交替点亮。

按上述系统，所述的待监测段罐道内壁为第四系土层底部与基岩交界面上下5m区域。

按上述系统，每间隔4cm²设置一个所述的监测点。

利用所述的基于可见光的煤矿罐道形变监测系统实现的变形监测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、根据信号控制模块发出的驱动信号时序，确定当前可见光源，实时读取各监测点光电传感器和光电二极管的电信号；

S2、将当前读取的光电传感器的电信号，与相同状态下初始电信号相比较，若当前读取的电信号无变化则判断当前罐道正常，若某监测点光电传感器的电信号发生变化，则令该监测点为可疑监测点，进一步判断；所述的相同状态为与当前读取的光电传感器的电信号时的点亮的可见光源相同、光电传感器相同；初始电信号为预存的罐道正常时获取的电信号；

S3、判断可疑监测点光电二极管的电信号是否发生与可疑监测点光电传感器相同或相似的变化，所述的相似的含义为趋势相同，变化量在一定的误差范围内；若是则进入S4；若无则判定可疑监测点发生形变，并经过一个周期的时间，分析出所述的可疑监测点与各可见光源的相对位置变化，从而得出可疑监测点的形变方位和形变程度；

S4、获取N个周期内所述的可疑监测点光电传感器和光电二极管的电信号，若获取的电信号反复波动，则判定可见光源不稳定；若获取的电信号保持一致，则判定位于可疑监测点的涂黑遮挡物处发生形变。

本发明的有益效果为：利用待监测地本身照明所需要的光源加以调制，并在监测点设置相应的探测器，当监测点发生形变时，探测器接收的光信号会发生改变从而导致输出电信号有变化，只需要对各监测点的输出电信号进行处理即可得出监测点是否存在变形，安装易于实施，且长期有效、成本低廉，尤其适用于煤矿矿井、重工车间或者其他电磁场干扰严重的室内区域。

附图说明

图1为本发明一实施例的系统原理示意图。

图2为图1中信号处理模块的原理图。

图3为本发明一实施例的系统安装示意图。

图4为次级探测器的结构示意图。

图5为本发明一实施例的方法流程图。

图6为本发明一实施例的可见光源驱动信号时序图。

图中：1-待监测段罐道内壁，2-1-第一可见光源，2-2-第二可见光源，2-3-第三可见光源，2-4-第四可见光源，3-监测点，3-1-涂黑遮挡物，3-2-光电二极管。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于可见光定位技术的形变监测系统及方法，如图1和图2所示，它包括信号控制模块、可见光发射模块、主探测器、次级探测器和信号处理模块；所述的可见光发射模块为在待监测段罐道内壁水平截面上均布的若干个可见光源；所述的信号控制模块用于驱动所述的若干个可见光源按一定的规律点亮，且同一时间只有一个可见光源点亮，每个可见光源均点亮一遍为一个周期；在待监测段罐道内壁分布有若干个监测点，每个监测点上均设有一个所述的主探测器和一个所述的次级探测器；所述的主探测器包括光电传感器，如图4所示，所述的次级探测器包括涂黑遮挡物3-1和位于涂黑遮挡物3-1上的光电二极管3-2；所述的信号处理模块包括用于将光电传感器和光电二极管的电信号进行放大和模数转换的信号调理模块，用于根据模数转换后的电信号判断监测点是否有变形、监测点形变的方位及形变程度的微处理器。

根据大量实践表明，煤矿立井井筒破坏部位几乎都在第四系土层底部与基岩交界面附近，所以如图3所示，本实施例中所述的待监测段罐道内壁1为第四系土层底部与基岩交界面上下5m区域。本实施例中可见光源为4个LED，即-第一可见光源2-1、第二可见光源2-2、第三可见光源2-3、第四可见光源2-4，呈对十字交叉分布。每间隔4cm²设置一个所述的监测点3。

本实施例中，所述的信号控制模块具体用于驱动所述的4个可见光源依次交替点亮，如图6所示。在本实施例中信号控制模块包括微控制器、隔离电路与放大电路。首先，根据光源个数及其频响特性，确定驱动方波信号的占空比、频率及各光源的延迟时间。其次，编写驱动信号代码载入微控制器中，使微控制器P_1.0-P_1.3四个引脚产生如图6所示的信号。当微控制器开始工作时，四个引脚依次循环出现高电平以驱动四只LED依次交替闪烁，并且因为闪烁频率较高，不会影响正常照明。由于发光时序的不同，各LED光源能够彼此区分，故而完成了对光源的ID编号。主探测器、次探测器及其附加电路均采用了TEMT6000环境光传感器模块代替。将环境光传感器输出的模拟量通过A/D转换芯片处理为数字量再传入微处理器，用微处理器完成对信号的处理分析，得出当前罐道情况是“正常”、“发生形变”还是“光源不稳定”，最后把结果通过矿用通信线路反馈给工作人员。

本实施例中，涂黑遮挡物3-1为涂黑立方体薄板，光电二极管3-2固定在涂黑立方体薄板上，涂黑立方体薄板由四个角引出支撑杆与罐壁固定，主探测器设置在涂黑遮挡物3-1的正下方。运用空间几何投影原理，在初始位置处，涂黑遮挡物3-1在光源照射下的产生阴影没有落在主探测器光敏面上，所以不会削弱对初始位置可见光的探测。而当监测点位置发生改变时，涂黑遮挡物3-1的阴影面会投射在主探测器的光敏面上，从而放大光信号变化幅度。涂黑遮挡物能够放大光信号变化幅度。并且，光电二极管3-2能够提供辅助处理信号，拓展监测感应功能。

如图5所示，利用所述的基于可见光的煤矿罐道形变监测系统实现的变形监测方法，它包括以下步骤：

S1、根据信号控制模块发出的驱动信号时序，确定当前可见光源，实时读取各监测点光电传感器和光电二极管的电信号；

S2、将当前读取的光电传感器的电信号，与相同状态下初始电信号相比较，若当前读取的电信号无变化则判断当前罐道正常，若某监测点光电传感器的电信号发生变化，则令该监测点为可疑监测点，进一步判断；所述的相同状态为与当前读取的光电传感器的电信号时的点亮的可见光源相同、光电传感器相同；初始电信号为预存的罐道正常时获取的电信号；

S3、判断可疑监测点光电二极管的电信号是否发生与可疑监测点光电传感器相同或相似的变化，所述的相似的含义为趋势相同，变化量在一定的误差范围内；若是则进入S4；若无则判定可疑监测点发生形变，并经过一个周期的时间，分析出所述的可疑监测点与各可见光源的相对位置变化，从而得出可疑监测点的形变方位和形变程度；

S4、获取N个周期内所述的可疑监测点光电传感器和光电二极管的电信号，若获取的电信号反复波动，则判定可见光源不稳定；若获取的电信号保持一致，则判定位于可疑监测点的涂黑遮挡物处发生形变。

基于上述实施例，基于可见光LED的煤矿罐道形变监测系统有如下三个过程：1.通过信号控制模块对LED进行ID编号，并由可见光发射模块发出可见光用于罐道照明；2.主探测器和次级探测器实时将探测点的光信号转化为电信号用于处理；3.信号处理模块完成对整个罐道情况的分析并反馈给工作人员。

此处仅以待监测段罐道内壁为例，本发明还可适用于其它需要监测形变的地方，基于本发明利用的是可见光，抗电磁干扰能力强，本发明尤其适用于电磁敏感区的形变监测。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。