煤矿用扇形激光发射器设计

杨阳 1 ， 2

1.石家庄煤矿机械有限责任公司，河北 石家庄 050000；

2.河北省煤矿机械技术创新中心，河北 石家庄 050000

1.引言

扇形激光发射器主要作用是发射一束扇形激光，用于煤矿井下掘进机等大型设备的位姿监测和巷道成形垂直度与水平度的测量。在进行扇形激光发射器的设计时，首先明确该装置应具有的具体功能。

（1）能够发射特定形状的扇形激光束，并满足有效标定距离的设计

激光束需要具有一定的扇形发射角度，能够在照射一定距离后保证光束的清晰度和长度。因此，必须对扇形发射角度进行设计计算，在满足有效标定距离的前提下，尽可能缩小扇形激光束发散角度。

（2）能够在井下煤巷顶板的锚杆上实现方便快速安装

按照掘进机激光位姿检测系统的设计，扇形激光发射器应与掘进机保持一定相隔距离；又考虑巷道空间狭小，因此本装置必须悬挂安装于巷道顶板上。

（3）能够方便准确地调节扇形定位激光束的发射方向

根据掘进机激光位姿检测系统的设计，扇形激光发射器所发射的激光扇面应与点激光指向仪的点激光束重合，并尽量垂直照射于机载激光标靶。因此，发射器应该具有一定的调节能力。

2 扇形激光发射器发射角的设计

为满足位姿检测设计方案中扇形激光照射范围L为2-3个掘进机机身距离的设计要求，必须首先对本装置激光扇面光路的发射角度进行计算。为方便计算光路发射角，将检测方案硬件系统简化成如图1所示的状态。

图1 激光器激光发射角度计算图

其中：h1:激光器距顶板的悬挂高度；h2:靶高；H:巷道高；h:h＝H－h1－h2＝ ；L:激光器的有效照明距离＝ ；l:预留盲区（激光器与掘进机车尾的最小水平距）＝ ；s:标靶A距车尾的距离＝ ； :激光发射器的光路发射角度＝

从上述计算模型中，可得出如下数学关系：

按照有效照射距离的设计，并选用典型巷道尺寸，针对掘进机机型即可计算出本系统所需的发射角度。选用的实际数值如下：巷道高度：H＝4m；激光器距顶板悬挂距离：h1＝1m；激光标靶距底板距离：h2＝1.85m；标靶A距车尾端距离：s＝2.25m；盲区预留距离：l＝30m；激光器的设计照射距离：L＝30m。

计算可得出如下数据：

即有激光发射器的发射角度：

此时：

（最短激光距）

（最长激光距）

可见该照射距离已基本符合方案的设计要求。因此，该激光发射器的扇形光路发散角度设计为 ，即可满足有效照射距离。

3 扇形激光发射器功率的确定

扇形定位激光光束到达前方掘进机时应具有一定的能量。因此，激光发射装置的功率选取，是进行本装置设计时需解决的问题之一。对于这种特殊形状的激光光束，若要计算接收靶上的辐射照度，利用经典光学中的“辐射照度计算公式”进行计算有一定困难。考虑采取下述估算的方法：首先将该激光束扩展为一个空间均匀的圆锥体（与“点激光器”的发射光束相同）。将激光束高度方向上的光路发射角 ，作为整个圆锥体的母线夹角。此外，选取照射距离的中值并假设激光束垂直照射于激光靶上。针对这种假想空间圆锥体，依照经典光学中的“辐射照度计算公式”计算其单位面积辐射照度。

由于该光束在实际中只是空间假想圆锥体的一部分，按照上述计算方式得出的辐射照度值必将是偏小的。在实际情况中，辐射照度将集中在激光束高度方向上的光路发射角 的范围内。因此考虑将上述计算结果放大 倍，即可得到激光接收装置上辐射照度的最大值。

通过上述计算，可以得到激光标靶上“辐射照度”的一个大致变化范围，从而明确激光发射器的额定功率大小范围。

当激光束的照射距离为 ，照射光斑的的宽度为 时，激光束宽度方向上的激光光路发散角 有：

现取激光有效照射距离中值为 ，此时 按照上式进行试计算。此时：

而在激光束的高度方向上，前已求得 。

试取激光发射管的功率为： 。机身的偏向角为 。计算此时标靶感光元件上的辐射照度。

根据光源的辐射照度计算公式，可计算得：

可见，当激光发射器功率选取为 时，能够满足机载激光标靶感光元件的工作辐射照度要求。

3扇形激光发射器的结构设计

扇形激光发射器的调节机构可用来改变扇形信号激光束在巷道内的照射角度，方便信号激光找准巷道前方的掘进机机身或巷道的煤臂。因此在进行设计时候应该能够满足一下几个方位的调整。（1）水平位置调节；（2）垂直位置调节；（3）角度调节；（4）扇面旋转调节；（5）自定位装置；（6）总体装配形式。最终设计如图2所示。

1.锚杆 2.水平横梁 3.底座 4.连杆套5.激光发射管 6.激光发射管定位机构 7. 激光发射管位姿调节机构

扇形激光发射器能够方便快捷地悬挂安装在巷道顶板锚杆上，并能够沿锚杆方向快速调整其自身悬挂高度；能够沿悬挂横杆左右移动，快速调节其水平位置；能够对扇形定位激光进行五个自由度的发射调节（上、下俯仰发射调节、左、右偏摆发射调节，激光扇面沿发射管轴向的自身滚动调节）；能够利用点激光指向仪发射的定位激光束，实现对自身位置的初始标定。该装置形式能够满足检测方案中的设计要求。

参考文献

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