[发明专利]一种采煤机机械状态光纤传感装置及方法

摘要

本发明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。

主权项

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1×4光开关(4)，然后通过1×4光开关(4)的输出尾纤Ⅰ进入光纤耦合器集群Ⅰ(5)，而后通过光纤耦合器集群Ⅰ(5)的输出尾纤进入准直透镜集群Ⅰ(9)，最后由准直透镜集群Ⅰ(9)输出光束阵列；光束阵列的某一束光波从光纤光栅传感器(22)的准直透镜(24)进入光纤光栅传感器(22)，这束输入光波在光纤光栅传感器(22)中被光纤光栅反射，携带滚筒机械状态包括温度和应变信号的反射光波经过光纤光栅传感器(22)的准直透镜(24)进入准直透镜集群Ⅰ(9)的某一个准直透镜，依次通过光纤耦合器集群Ⅰ(5)、1×4光开关(4)、2×1光纤耦合器(2)，最后进入光纤光栅解调模块(3)，由光纤光栅解调模块(3)对反射光波的光谱进行测量，并将测量结果传输到工控机(19)上进行数据换算和存储，进而获得滚筒(21)的机械状态；随着滚筒(21)的旋转，光纤光栅传感器(22)的准直透镜(24)在经过准直透镜集群Ⅰ(9)后，将依次经过准直透镜集群Ⅳ(12)、准直透镜集群Ⅲ(11)和准直透镜集群Ⅱ(10)，参照光纤光栅传感器(22)的准直透镜(24)经过准直透镜集群Ⅰ(9)的光传输特征，光纤光栅传感器(22)将继续完成三次滚筒(21)的机械状态测量；2)当采煤机滚筒(21)沿着逆时针旋转，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Ⅱ(15)的感应区，磁性接近开关Ⅱ(15)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Ⅲ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1×4光开关(4)，然后通过1×4光开关(4)的输出尾纤Ⅲ进入光纤耦合器集群Ⅲ(7)，而后通过光纤耦合器集群Ⅲ(7)的输出尾纤进入准直透镜集群Ⅲ(11)，最后由准直透镜集群Ⅲ(11)输出光束阵列；光束阵列的某一束光波从光纤光栅传感器(22)的准直透镜(24)进入光纤光栅传感器(22)，这束输入光波在光纤光栅传感器(22)中被光纤光栅反射，携带滚筒机械状态包括温度和应变信号的反射光波经过光纤光栅传感器(22)的准直透镜(24)进入准直透镜集群Ⅲ(11)的某一个准直透镜，依次通过光纤耦合器集群Ⅲ(7)、1×4光开关(4)、2×1光纤耦合器(2)，最后进入光纤光栅解调模块(3)，由光纤光栅解调模块(3)对反射光波的光谱进行测量，并将测量结果传输到工控机(19)上进行数据换算和存储，进而获得滚筒(21)的机械状态；随着滚筒(21)的旋转，光纤光栅传感器(22)的准直透镜(24)在经过准直透镜集群Ⅲ(11)后，将依次经过准直透镜集群Ⅳ(12)、准直透镜集群Ⅰ(9)和准直透镜集群Ⅱ(10)，参照光纤光栅传感器(22)的准直透镜(24)经过准直透镜集群Ⅲ(11)的光传输特征，光纤光栅传感器(22)将继续完成三次滚筒(21)的机械状态测量。