一种采煤机机械状态光纤传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种采煤机机械状态光纤传感装置，包括宽带光源（1）、2×1光纤耦合器（2）、光纤光栅解调模块（3）、1×4光开关（4）、光纤耦合器集群、准直透镜集群、磁性接近开关、触发信号调理模块（18）、工控机（19）、滚筒（21）、光纤光栅传感器（22）、永磁铁（23）和光纤光栅传感器的准直透镜（24）；同时还公开了一种利用本装置进行的传感方法；本发明专利技术构建了采煤机滚筒上光纤光栅传感器的“点对线”信号传输通道，解决了传感信号无线传输的难点，降低了传感信号数据的传输容量限制，实现了采煤机滚筒机械状态多点多参量的同步监测，具有测量范围大、分辨率高、响应速度快、抗干扰能力强和防爆的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种采煤机机械状态光纤传感装置及方法
本专利技术涉及一种采煤机机械监测装置和监测方法，具体是一种采煤机机械状态光纤传感装置及方法，属于综采设备健康状态监测

技术介绍
煤炭是我国的主要消费能源和原料，我国是目前世界上最大的煤炭生产和消费国，鉴于我国“富煤、贫油、少气”的能源现状，在未来相当长的时期内，煤炭的主体能源地位不会发生改变，煤炭工业能否稳健发展与我国能源安全和经济可持续发展息息相关。采煤机是重要的煤矿大型生产设备，是煤炭生产数字化、自动化和机械化的重要表征，采煤机能否正常运行直接关系到煤矿的安全生产，由于采煤机的工作环境非常恶劣，容易受到粉尘、煤层结构、高温和潮湿等复杂因素的影响，因此，需要对采煤机的健康状态进行实时准确监测。采煤机的滚筒承担割煤和落煤的工作任务，具体表现为：当滚筒以一定的转速转动，采煤机以一定的牵引速度运行时，滚筒旋转并切入煤壁，滚筒上的截齿从煤壁上截割下煤体，破落下的煤在螺旋叶片的作用下被推入工作面的刮板输送机中。由于煤层物理、力学性能无规则变化和截割的截齿数量的变化，采煤机滚筒在工作中所承受的外载荷将发生随机变化，为了保障采煤机安全稳定运行，因此需要探寻采煤机滚筒机械状态的准确监测方法。现有技术(1)(参见“基于采煤机滚筒截割振动特性的煤岩识别方法”，刘俊利等，《煤炭科学技术》，第41卷第10期)将振动传感器安装在滚筒转轴附近的摇臂下方，据此对采煤机滚筒的截割信号进行采集。现有技术(2)(参见“无人工作面智能化采煤机监控系统的研发”，马洪礼等，《煤炭科学技术》，第42卷第9期)描述了一种基于滚筒永磁电机(即截割电动机)工作电流和滚筒调高油缸压力的滚筒机械状态监测方法。从现有技术(1)、(2)中不难发现，采煤机滚筒机械状态的现有监测技术主要是测量与滚筒相关联的机械结构或动力装置的工作状态，以此来间接表征采煤机滚筒的机械状态；这种间接表征方法存在力传递信号延时或缺失等缺点，并不能实现采煤机滚筒机械状态的准确可靠测量。通过检索公开的技术报告、学术论文及专利技术专利等文献，并未发现采煤机滚筒机械状态的直接监测方法，主要原因分析如下：1)用于监测的传感器不能破坏采煤机滚筒的正常工作状态，并且采煤机工作在煤矿综采面这种瓦斯等危险气体富集的环境，对传感器的质量、体积、安装方式和传感类型提出严格要求；2)采煤机滚筒是旋转体，滚筒上的传感器与传感信号处理模块之间不能是有线连接，对传感信号的传输方式有严格要求；3)采煤机滚筒的机械状态通过应变及温度等多参量共同表征，因此只有对滚筒应变及温度等多参量进行多点同步测量，才能准确表征采煤机滚筒的机械状态。同时，中国专利(公开号：CN101373558B)描述了一种高速转轴传感数据的无线光传输及拾取方法，该专利中：转轴模块包含光信号发射MCU、触发信号接收器、光信号发射器、传感器、电源和A/D转换等组成单元；固定模块包含光信号接收MCU、触发激光器、光信号接收器、电源和通信接口等组成单元；当固定模块的触发激光器发出的激光信号被转轴模块的触发信号接收器感应时，转轴模块将缓存数据通过光信号发射器发送至固定模块的光信号接收器，完成传感信号的“点对点”传输，转轴旋转一周完成一次“点对点”信号传输。如果将现有技术(3)用于采煤机滚筒的机械状态监测，将会出现的技术问题主要有：1)在现有技术(3)中，转轴模块属于有源传感器，用于采煤机滚筒机械状态监测之前，需要进行严格的防爆设计，这会导致转轴模块的体积和质量显著增加，如果将其安装在采煤机滚筒上，会对采煤机滚筒的正常工作状态产生负面影响；2)煤矿井下综采工作面属于强电磁干扰环境，在现有技术(3)中，转轴模块的光信号发射MCU和A/D转换单元难以直接在强电磁干扰环境中正常工作；3)在现有技术(3)中，转轴模块与固定模块之间的传感信号传输方式为“点对点”传输，限制了传感数据的传输容量，不可能实现采煤机滚筒的多点多参量同步监测，此外，对转轴模块及固定模块的响应能力及数据传输过程中环境稳定性也提出了极高要求；综上分析，现有技术(3)无法与采煤机
结合，进而不适用于采煤机滚筒机械状态的监测。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种采煤机机械状态光纤传感装置及方法，能够实现对采煤机滚筒机械状态的准确测量，从而保障采煤机安全稳定运行。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种采煤机滚筒机械状态光纤传感装置，它包括：宽带光源、2×1光纤耦合器、光纤光栅解调模块、1×4光开关、光纤耦合器集群Ⅰ、光纤耦合器集群Ⅱ、光纤耦合器集群Ⅲ、光纤耦合器集群Ⅳ、准直透镜集群Ⅰ、准直透镜集群Ⅱ、准直透镜集群Ⅲ、准直透镜集群Ⅳ、环形孔盘、磁性接近开关Ⅰ、磁性接近开关Ⅱ、磁性接近开关Ⅲ、磁性接近开关Ⅳ、触发信号调理模块、工控机、滚筒转轴、滚筒、光纤光栅传感器、永磁铁、光纤光栅传感器的准直透镜；所述宽带光源的输出尾纤与2×1光纤耦合器的输入尾纤Ⅰ熔接，光纤光栅解调模块的输入尾纤与2×1光纤耦合器的输入尾纤Ⅱ熔接，2×1光纤耦合器的输出尾纤与1×4光开关的输入尾纤熔接；所述1×4光开关的输出尾纤Ⅰ、输出尾纤Ⅱ、输出尾纤Ⅲ、输出尾纤Ⅳ依次分别与光纤耦合器集群Ⅰ、光纤耦合器集群Ⅱ、光纤耦合器集群Ⅲ、光纤耦合器集群Ⅳ的输入尾纤熔接；所述光纤耦合器集群Ⅰ的输出尾纤与准直透镜集群Ⅰ的尾纤熔接，光纤耦合器集群Ⅱ的输出尾纤与准直透镜集群Ⅱ的尾纤熔接，光纤耦合器集群Ⅲ的输出尾纤与准直透镜集群Ⅲ的尾纤熔接，光纤耦合器集群Ⅳ的输出尾纤与准直透镜集群Ⅳ的尾纤熔接，准直透镜集群Ⅰ、准直透镜集群Ⅱ、准直透镜集群Ⅲ和准直透镜集群Ⅳ沿着环形孔盘均匀分布，磁性接近开关Ⅰ、磁性接近开关Ⅱ、磁性接近开关Ⅲ和磁性接近开关Ⅳ全部通过螺钉紧固在环形孔盘，并且通过矿用通信电缆与触发信号调理模块连接；触发信号调理模块与工控机通过GPIB数据线连接，1×4光开关与工控机通过RS232数据线连接，光纤光栅解调模块与工控机通过RS232数据线连接；其中，滚筒与滚筒转轴连接，光纤光栅传感器采用光纤油膏固定于滚筒，光纤光栅传感器的准直透镜镶嵌于滚筒，永磁铁吸附于滚筒；一种采煤机滚筒光纤传感方法，包括采煤机滚筒顺时针旋转机械状态监测和采煤机滚筒逆时针旋转机械状态监测过程：1)如果采煤机滚筒沿着顺时针旋转，并且永磁铁的初始位置位于磁性接近开关Ⅱ和磁性接近开关Ⅲ之间，则当采煤机滚筒开始旋转后，永磁铁首先进入磁性接近开关Ⅲ的感应区，磁性接近开关Ⅲ的触发信号经过触发信号调理模块传输至工控机，结合存储在工控机的滚筒旋转方向信息，工控机向1×4光开关输送控制指令，用于打开1×4光开关的输入尾纤与输出尾纤Ⅰ之间的光通道；宽带光源的输出光波首先经过2×1光纤耦合器进入1×4光开关，然后通过1×4光开关的输出尾纤Ⅰ进入光纤耦合器集群Ⅰ，而后通过光纤耦合器集群Ⅰ的输出尾纤进入准直透镜集群Ⅰ，最后由准直透镜集群Ⅰ输出光束阵列；光束阵列的某一束光波从光纤光栅传感器的准直透镜进入光纤光栅传感器，这束输入光波在光纤光栅传感器中被光纤光栅反射，携带滚筒机械状态如：温度和应变等信号的反射光波经过光纤光栅传感器的准直透镜进入准直透镜集群Ⅰ的某一个准直透镜，依次通过光纤耦合器集群Ⅰ、1×4光开关、2×1光纤耦合器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采煤机机械状态光纤传感装置，其特征在于，它包括：宽带光源(1)、2×1光纤耦合器(2)、光纤光栅解调模块(3)、1×4光开关(4)、光纤耦合器集群Ⅰ(5)、光纤耦合器集群Ⅱ(6)、光纤耦合器集群Ⅲ(7)、光纤耦合器集群Ⅳ(8)、准直透镜集群Ⅰ(9)、准直透镜集群Ⅱ(10)、准直透镜集群Ⅲ(11)、准直透镜集群Ⅳ(12)、环形孔盘(13)、磁性接近开关Ⅰ(14)、磁性接近开关Ⅱ(15)、磁性接近开关Ⅲ(16)、磁性接近开关Ⅳ(17)、触发信号调理模块(18)、工控机(19)、滚筒转轴(20)、滚筒(21)、光纤光栅传感器(22)、永磁铁(23)和光纤光栅传感器的准直透镜(24)；所述宽带光源(1)的输出尾纤与2×1光纤耦合器(2)的输入尾纤Ⅰ熔接，光纤光栅解调模块(3)的输入尾纤与2×1光纤耦合器(2)的输入尾纤Ⅱ熔接，2×1光纤耦合器(2)的输出尾纤与1×4光开关(4)的输入尾纤熔接；所述1×4光开关(4)的输出尾纤Ⅰ、输出尾纤Ⅱ、输出尾纤Ⅲ、输出尾纤Ⅳ依次分别与光纤耦合器集群Ⅰ(5)、光纤耦合器集群Ⅱ(6)、光纤耦合器集群Ⅲ(7)、光纤耦合器集群Ⅳ(8)的输入尾纤熔接；所述光纤耦合器集群Ⅰ(5)的输出尾纤与准直透镜集群Ⅰ(9)的尾纤熔接，光纤耦合器集群Ⅱ(6)的输出尾纤与准直透镜集群Ⅱ(10)的尾纤熔接，光纤耦合器集群Ⅲ(7)的输出尾纤与准直透镜集群Ⅲ(11)的尾纤熔接，光纤耦合器集群Ⅳ(8)的输出尾纤与准直透镜集群Ⅳ(12)的尾纤熔接；准直透镜集群Ⅰ(9)、准直透镜集群Ⅱ(10)、准直透镜集群Ⅲ(11)和准直透镜集群Ⅳ(12)沿着环形孔盘(13)均匀分布；磁性接近开关Ⅰ(14)、磁性接近开关Ⅱ(15)、磁性接近开关Ⅲ(16)和磁性接近开关Ⅳ(17)均通过螺钉紧固在环形孔盘(13)，并且各接近开关通过矿用通信电缆与触发信号调理模块(18)连接；触发信号调理模块(18)与工控机(19)通过GPIB数据线连接，1×4光开关(4)与工控机(19)通过RS232数据线连接，光纤光栅解调模块(3)与工控机(19)通过RS232数据线连接；其中，所述的滚筒(21)与滚筒转轴(20)连接，光纤光栅传感器(22)采用光纤油膏固定于滚筒(21)，光纤光栅传感器的准直透镜(24)镶嵌于滚筒(21)，永磁铁(23) 吸附于滚筒(21)上。...

【技术特征摘要】
1.一种采煤机滚筒光纤传感方法，所使用的光纤传感装置包括：宽带光源(1)、2×1光纤耦合器(2)、光纤光栅解调模块(3)、1×4光开关(4)、光纤耦合器集群Ⅰ(5)、光纤耦合器集群Ⅱ(6)、光纤耦合器集群Ⅲ(7)、光纤耦合器集群Ⅳ(8)、准直透镜集群Ⅰ(9)、准直透镜集群Ⅱ(10)、准直透镜集群Ⅲ(11)、准直透镜集群Ⅳ(12)、环形孔盘(13)、磁性接近开关Ⅰ(14)、磁性接近开关Ⅱ(15)、磁性接近开关Ⅲ(16)、磁性接近开关Ⅳ(17)、触发信号调理模块(18)、工控机(19)、滚筒转轴(20)、滚筒(21)、光纤光栅传感器(22)、永磁铁(23)和光纤光栅传感器的准直透镜(24)；所述宽带光源(1)的输出尾纤与2×1光纤耦合器(2)的输入尾纤Ⅰ熔接，光纤光栅解调模块(3)的输入尾纤与2×1光纤耦合器(2)的输入尾纤Ⅱ熔接，2×1光纤耦合器(2)的输出尾纤与1×4光开关(4)的输入尾纤熔接；所述1×4光开关(4)的输出尾纤Ⅰ、输出尾纤Ⅱ、输出尾纤Ⅲ、输出尾纤Ⅳ依次分别与光纤耦合器集群Ⅰ(5)、光纤耦合器集群Ⅱ(6)、光纤耦合器集群Ⅲ(7)、光纤耦合器集群Ⅳ(8)的输入尾纤熔接；所述光纤耦合器集群Ⅰ(5)的输出尾纤与准直透镜集群Ⅰ(9)的尾纤熔接，光纤耦合器集群Ⅱ(6)的输出尾纤与准直透镜集群Ⅱ(10)的尾纤熔接，光纤耦合器集群Ⅲ(7)的输出尾纤与准直透镜集群Ⅲ(11)的尾纤熔接，光纤耦合器集群Ⅳ(8)的输出尾纤与准直透镜集群Ⅳ(12)的尾纤熔接；准直透镜集群Ⅰ(9)、准直透镜集群Ⅱ(10)、准直透镜集群Ⅲ(11)和准直透镜集群Ⅳ(12)沿着环形孔盘(13)均匀分布；磁性接近开关Ⅰ(14)、磁性接近开关Ⅱ(15)、磁性接近开关Ⅲ(16)和磁性接近开关Ⅳ(17)均通过螺钉紧固在环形孔盘(13)，并且各接近开关通过矿用通信电缆与触发信号调理模块(18)连接；触发信号调理模块(18)与工控机(19)通过GPIB数据线连接，1×4光开关(4)与工控机(19)通过RS232数据线连接，光纤光栅解调模块(3)与工控机(19)通过RS232数据线连接；其中，所述的滚筒(21)与滚筒转轴(20)连接，光纤光栅传感器(22)采用光纤油膏固定于滚筒(21)，光纤光栅传感器的准直透镜(24)镶嵌于滚筒(21)，永磁铁(23)吸附于滚筒(21)上；其特征在于，包括采煤机滚筒(21)顺时针旋转机械状态监测和采煤机滚筒(21)逆时针旋转机械状态监测过程：1)当采煤机滚筒(21)沿着顺时针旋转，并且永磁铁(23)的初始位置位于磁性接近开关Ⅱ(15)和磁性接近开关Ⅲ(16)之间，则当采煤机滚筒(21)开始旋转后，永磁铁(23)首先进入磁性接近开关Ⅲ(16)的感应区，磁性接近开关Ⅲ(16)的触发信号经过触发信号调理模块(18)传输至工控机(19)，结合存储在工控机(19)的滚筒(21)旋转方向信息，工控机(19)向1×4光开关(4)输送控制指令，用于打开1×4光开关(4)的输入尾纤与输出尾纤Ⅰ之间的光通道；宽带光源(1)的输出光波首先经过2×1光纤耦合器(2)进入1×...

【专利技术属性】
技术研发人员：许少毅，李威，邢方方，刘玉飞，魏华贤，王世博，刘万里，徐晗，路恩，鞠锦勇，王茗，杨康，盛连超，司卓印，张金尧，须晓锋，董事，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32