[发明专利]一种采煤机滚筒径向及轴向振动的同步监测装置及方法

权利要求书

1.一种采煤机滚筒径向及轴向振动的同步监测装置，其特征在于：包括激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、光隔离器(3)、第二光纤耦合器(4)、第三光纤耦合器(5)、光纤准直器(6)、第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第一信号处理模块(9)和第二信号处理模块(10)；所述的第一光纤耦合器(2)的端口二零(2-0)与激光器(1)的输出端连接、端口二一(2-1)与光隔离器(3)的端口三一(3-1)连接、端口二二(2-2)与第二光纤耦合器(4)的端口四二(4-2)连接，端口二一(2-1)、端口二二(2-2)在第一光纤耦合器(2)的同侧并与端口二零(2-0)相对；所述的光隔离器(3)的端口三二(3-2)与第三光纤耦合器(5)的端口五二(5-2)连接；所述的第二光纤耦合器(4)的端口四零(4-0)与第一光电探测器(7)的输入端连接、端口四一(4-1)与第三光纤耦合器(5)的端口五一(5-1)连接，端口四一(4-1)、端口四二(4-2)在第二光纤耦合器(4)的同侧并与端口四零(4-0)相对；所述的第三光纤耦合器(5)的端口五零(5-0)与第二光电探测器(8)的输入端连接、端口五四(5-4)与光纤准直器(6)连接，端口五零(5-0)、端口五一(5-1)、端口五二(5-2)在第三光纤耦合器(5)同侧并与端口五四(5-4)相对；所述的第一光电探测器(7)的输出端与第一信号处理模块(9)的输入端连接，所述的第二光电探测器(8)的输出端与第二信号处理模块(10)的输入端连接；在采煤机滚筒(13)垂直于旋转轴的端面上设有与光纤准直器(6)射出的平行光相垂直的反射涂层(14)，反射涂层(14)沿着采煤机滚筒(13)径向方向的宽度与光纤准直器(6)射出的平行光束的直径相同；所述的激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、光隔离器(3)、第二光纤耦合器(4)、第三光纤耦合器(5)、光纤准直器(6)、第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第一信号处理模块(9)和第二信号处理模块(10)均设在采煤机摇臂(12)上。

2.根据权利要求1所述的一种采煤机滚筒径向及轴向振动的同步监测装置，其特征是：所述的激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、光隔离器(3)、第二光纤耦合器(4)、第三光纤耦合器(5)、第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)、第一信号处理模块(9)和第二信号处理模块(10)集成在本安型防爆箱(11)中，本安型防爆箱(11)安装在采煤机摇臂(12)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种采煤机滚筒径向及轴向振动的同步监测装置，其特征是：所述的反射涂层(14)为与采煤机滚筒(13)端面同心的连续的环形。

4.根据权利要求3所述的一种采煤机滚筒径向及轴向振动的同步监测装置，其特征是：所述的第一光纤耦合器(2)和第二光纤耦合器(4)均为1×2光纤耦合器，所述的第三光纤耦合器(5)为1×3光纤耦合器。

5.一种采煤机滚筒径向及轴向振动的同步监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)启动采煤机，使采煤机滚筒(13)在综采工作面内正常作业，激光器(1)开始输出光；激光器(1)的输出光从端口二零(2-0)进入到第一光纤耦合器(2)并被其均分成两束，其中：

从端口二一(2-1)输出的一束光从端口三一(3-1)进入光隔离器(3)并从端口三二(3-2)输出，然后从端口五二(5-2)进入第三光纤耦合器(5)并从端口五四(5-4)输出，最后进入光纤准直器(6)后形成垂直照射采煤机滚筒(13)上反射涂层(14)的平行光束，平行光束经反射涂层(14)反射后重新耦合进光纤准直器(6)；

从端口二二(2-2)输出的另一束光从端口四二(4-2)进入到第二光纤耦合器(4)；

2)经反射涂层(14)反射后重新耦合进光纤准直器(6)的光从端口五四(5-4)进入第三光纤耦合器(5)并被其均分成三束，其中：

从端口五一(5-1)输出的一束光从端口四一(4-1)进入第二光纤耦合器(4)，然后与从端口四二(4-2)进入到第二光纤耦合器(4)内的一束光发生干涉，干涉光从端口四零(4-0)输入到第一光电探测器(7)；

从端口五零(5-0)输出的一束光直接输入第二光电探测器(8)；

从端口五二(5-2)输出的一束光被光隔离器(3)隔离；

3)第一光电探测器(7)将光信号转变为电信号后输入到第一信号处理模块(9)中，第二光电探测器(8)将光信号转变为电信号后输入到第二信号处理模块(10)中；

4)第一信号处理模块(9)对接收到的信号进行处理：采煤机滚筒(13)轴向振动会导致从端口四一(4-1)进入到第二光纤耦合器(4)内的光信号相位发生改变，与从端口四二(4-2)进入到第二光纤耦合器(4)内的光信号产生相位差，第一信号处理模块(9)对接收到的第一光电探测器(7)传输来的包含相位差信息的电信号进行解调处理，即可得到采煤机滚筒(13)的轴向振动信息，即实现对采煤机滚筒(13)轴向振动的监测；

在第二光纤耦合器4内发生干涉的两束光的相位差与采煤机滚筒13的轴向振动位移ΔS₁之间的映射关系通过标定及最小二乘法数据拟合获取，即：在实验室内模拟采煤机工作状态测得一系列相位差与轴向振动位移ΔS₁相对应的数据并绘制曲线，用最小二乘法等数据拟合方法在所绘制的测量曲线上拟合出比例系数，在采煤机实际工作时，即可根据测得的相位差得到轴向振动位移ΔS₁；

第二信号处理模块(10)对接收到的信号进行处理：采煤机滚筒(13)的径向振动会使反射涂层(14)与光纤准直器(6)射出光线的相对位置发生变化，故经端口五四(5-4)进入到第三光纤耦合器(5)内的光强度相比原始的光强度会发生变化，第二信号处理模块(10)对接收到的第二光电探测器(8)传输来的包含光强度信息的电信号进行解调处理，即可得到采煤机滚筒(13)的径向振动信息，即实现对采煤机滚筒(13)径向振动的监测；

经反射涂层14反射后耦合进光纤准直器6内的光强变化ΔP与采煤机滚筒13的径向振动位移ΔS₂之间的映射关系ΔP＝g(|ΔS₂|)通过标定及最小二乘法数据拟合获取，即：在实验室内模拟采煤机工作状态测得一系列光强变化ΔP与径向振动位移ΔS₂相对应的数据并绘制曲线，用最小二乘法等数据拟合方法在所绘制的测量曲线上拟合出比例系数，在采煤机实际工作时，即可根据测得的光强变化ΔP得到径向振动位移ΔS₂。