CN103508288A - 光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法，包括钢丝绳、对称扣合固定钢丝绳的防滑楔形橡胶圈和封装外壳、封装外壳内部设有对称的两个弹性测杆，弹性测杆上粘贴光纤光栅，光纤光栅串联接在光纤上，光纤通过光纤引出孔与封装外壳外的光纤连接头的一端连接，光纤引出孔的内部通过密封胶进行密封，光纤连接头的另外一端与光纤尾纤连接，光纤尾纤利用铠装保护胶皮进行保护，封装外壳的顶部和底部利用紧固螺母紧固穿过螺栓孔的螺栓；装置结构简单，安装及操作使用方便，利用先进的光纤光栅传感技术，抗电磁干扰能力强，可靠性高，两个光纤光栅测量的波长值加权取平均值，可进一步提高测量精度和灵敏度，减小误差。

Description

光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿设备的安全监测技术领域，尤其是一种适用于煤矿提升机、罐笼等提升设备的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法，

背景技术

在煤矿开采过程中，提升设备的安全尤为重要，钢丝绳的张力大小直接决定其寿命和矿井提升安全，钢丝绳作为矿井提升设备的重要组成部分，在提升设备工作时，钢丝绳在运转时会受到许多应力的作用，将导致钢丝绳受到严重拉伸，有时可能会发生断裂，进而引起重大安全事故的发生，造成严重的人员和财产损失。因此，对矿井提升设备钢丝绳张力的监测非常有必要。

钢丝绳的张力监测是一项复杂的工作，往往难以做到正确的判断，对存在的安全隐患难以及时发现。目前，对钢丝绳张力监测的方法主要有三种：一种是利用电容或者电感来监测钢丝绳的张力，利用电容或者电感的变化值，以及钢丝绳的直径变化值，通过计算可求得钢丝绳的张力大小，这种测量方法的不足之处是电容或者电感均为带电工作，抗电磁的干扰能力弱，易受复杂环境的影响，影响测量的精度；一种是在钢丝绳与提升重物之间串联一个测力传感器测量，此种方法必须是在钢丝绳静止的状态下进行测量，且这种测量方法在操作时，测力传感器要一直安装在提升设备上，传感器长期受载，使得传感器中的测量元件产生蠕变，造成测量时产生较大的漂移，线性度和灵敏度下降；一种是利用振波法进行测量，利用冲击力垂直打击钢丝绳产生横向振动，然后通过测试钢丝绳的振动频率，运算得到钢丝绳的张力值，不足之处是所基于的数学模型都是建立在不考虑钢丝绳重力的基础上，这种测量方法精度较低，误差较大，不能满足实际工程的需要；

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、安装方便、测量精度高、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可靠性高的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法。

技术方案：本发明的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，包括封装外壳、钢丝绳、光纤光栅、螺栓、紧固螺母；所述的封装外壳对称扣合固定在钢丝绳上，在封装外壳与钢丝绳固定处之间安装有防滑楔形橡胶圈，封装外壳的顶部和底部均对称开设有螺栓孔，利用紧固螺母紧固穿过螺栓孔的螺栓；封装外壳的内部设有相互对称的两个弹性测杆，在两个弹性测杆中部靠近封装外壳的一侧对称粘贴有光纤光栅，光纤光栅串联接在光纤上，光纤经光纤引出孔与设在封装外壳外的光纤连接头的一端连接，光纤引出孔的内部充填有进行密封的密封胶，光纤连接头的另外一端连接光纤尾纤，光纤尾纤铠装有保护胶皮。

所述的防滑楔形橡胶圈在靠近封装外壳外部的一端尺寸大于靠近封装外壳内部一端的尺寸。

所述的弹性测杆为矩形的长测杆，弹性测杆的两端均固定连接在封装外壳的内部。

所述的两个光纤光栅形状大小相同，波长互不相同，粘贴在位于弹性测杆中部的竖直中心轴线上。

使用上述装置的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测方法，包括以下步骤：

A、在靠近提升设备的提升容器或者牵引容器处的钢丝绳上设置张力监测装置；

B、将内部设有弹性测杆、光纤光栅、光纤的封装外壳和防滑楔形橡胶圈对称扣合固定在钢丝绳上，在封装外壳的顶部和底部利用螺栓和紧固螺母固定；

C、测量钢丝绳在未受力时，即没有提升重物时直径D的大小，同时利用光纤光栅解调设备解调出初始光纤光栅的波长大小λ_B；

D、当提升设备提升重物时，由于钢丝绳与封装外壳紧固，且弹性测杆和封装外壳固定连接，钢丝绳此时受拉力，将引起弹性测杆拉伸，粘贴在弹性测杆上的光纤光栅由于受应力变化，波长产生漂移，利用光纤光栅解调设备解调出光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B；

E、根据实测光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B、初始光纤光栅波长大小λ_B和钢丝绳直径D的大小，即可计算出钢丝绳的张力F的大小，并通过计算机实时的直观动态显示张力数值大小，同时对过大的张力值进行预警，保证矿井提升设备的安全运行。

有益效果：本发明适用于煤矿提升机、罐笼等提升设备的光纤光栅拉伸式矿井提升，通过对钢丝绳张力监测，可确保煤矿工人的安全下井和升井、安全顺利的提升煤炭。本发明为了解决光纤光栅在进行应变测量时，由于温度变化引起的应变、温度交叉敏感问题，在位于弹性测杆中部的竖直中心轴线上对称的粘贴形状大小相同，波长不相同的光纤光栅，且处于相同的工作环境中。采用差动式温度补偿方法，消除温度对光纤光栅的影响，解决应变与温度交叉敏感的问题，同时两个光纤光栅测量的波长值加权取平均值，可进一步的提高测量精度和灵敏度。与已有技术相比，具有如下优点：

1、装置结构简单，操作使用方便，安装方便，监测过程容易，无需人工进行记录测试数据和计算，适用范围广；

2、通过测量光纤光栅波长的变化间接测量钢丝绳的张力，光纤光栅灵敏度高，受工作环境影响较小，光纤光栅在受到很微弱的力时波长也可发生漂移变化，测量精度高、误差较小；

3、利用先进的光纤光栅传感技术，放弃使用传统的压电式压力传感器或者别的带电测量张力的装置及方法，光纤光栅本质安全、可靠性高，抗电磁干扰能力强，可以实时在线监测，同时可以对钢丝绳张力的大小进行预警；

4、由于同时使用两个对称的光纤光栅，利用差动式温度补偿的方法，消除了由于温度变化引起的应力应变的干扰，解决了应变与温度的交叉敏感的影响。

附图说明

图1为本发明装置的剖视结构图；

图2为本发明装置的俯视结构图。

图中：1、封装壳体；2、防滑楔形橡胶圈；3、钢丝绳；4、弹性测杆；5、光纤光栅；6、光纤；7、光纤引出孔；8、密封胶；9、光纤连接头；10、铠装保护胶皮；11、光纤尾纤；12、螺栓；13、螺栓孔；14、紧固螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1和图2所示，本发明的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，包括封装外壳1、防滑楔形橡胶圈2、钢丝绳3、弹性测杆4、光纤光栅5、光纤6、光纤引出孔7、密封胶8、光纤连接头9、铠装保护胶皮10、光纤尾纤11、螺栓12、螺栓孔13、紧固螺母14。封装外壳1对称扣合固定钢丝绳3，在封装外壳1与钢丝绳3固定处之间安装有防滑楔形橡胶圈2，防滑楔形橡胶圈2在靠近封装外壳1外部的一端尺寸较大，在靠近封装外壳1内部的一端尺寸较小；封装外壳1的顶部和底部均对称开设有螺栓孔13，利用紧固螺母14紧固穿过螺栓孔13的螺栓12；封装外壳1的内部设有相互对称的两个弹性测杆4，弹性测杆4为一弹性性能好、感知灵敏、横截面为矩形的长测杆，在两个弹性测杆4中部靠近封装外壳1的一侧对称粘贴光纤光栅5，两个光纤光栅5形状大小相同，波长互不相同，粘贴在位于弹性测杆4中部的竖直中心轴线上；光纤光栅5串联接在光纤6上，光纤6通过光纤引出孔7与封装外壳1外的光纤连接头9的一端连接，光纤引出孔7的内部通过密封胶8进行密封，光纤连接头9的另外一端与光纤尾纤11连接，光纤尾纤11利用铠装保护胶皮10进行保护。

本发明的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及方法，步骤如下：

A、首先，选取张力监测装置待安装的位置，一般选取在靠近提升设备的提升容器或者牵引容器处的钢丝绳3上；

B、其次，将内部设有弹性测杆4、光纤光栅5、光纤6的封装外壳1和防滑楔形橡胶圈2对称扣合固定在钢丝绳3上，在封装外壳1的顶部和底部利用螺栓12和紧固螺母14固定；

C、测量出钢丝绳3在未受力时，即没有提升重物时直径D的大小，同时利用光纤光栅解调设备解调出初始光纤光栅的波长大小λ_B；

D、当提升设备提升重物时，由于钢丝绳3与封装外壳1紧固，且弹性测杆4和封装外壳1固定连接，钢丝绳2此时受拉力，将引起弹性测杆4拉伸，粘贴在弹性测杆4上的光纤光栅5由于受应力变化，波长将产生漂移，利用光纤光栅解调设备解调出光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B；

E、利用实测的光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B，以及初始的光纤光栅波长大小λ_B和钢丝绳3直径D的大小，即可计算出钢丝绳3张力F的大小，并通过计算机实时的直观动态显示张力数值大小，同时可以对过大的张力值进行预警，保证矿井提升设备的安全运行。

钢丝绳张力F的计算公式如下表示：

F＝δ·A   (1)

式中：F为钢丝绳的张力；δ为钢丝绳横截面积上的应力；A为钢丝绳的横截面积；

δ＝E·ε   (2)

式中：E为钢丝绳的弹性模量；ε为钢丝绳的轴向应变；

由于钢丝绳与封装外壳紧固，且弹性测杆和封装外壳固定连接，因此钢丝绳与弹性测杆同步应变，又由于粘贴在弹性测杆上的光纤光栅随着弹性测杆同步变化，故可认为钢丝绳的轴向应变和光纤光栅的轴向应变一致；

钢丝绳未受力时，光纤光栅的初始波长为λ_B；钢丝绳提升重物时，光纤光栅波长的变化漂移量为Δλ_B，利用公式：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\·\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

式中：P_e为光纤光栅的弹光系数，一般P_e=0.22；

通过上述公式，可以计算得出钢丝绳的张力F大小：

$F=E\·\mathrm{\ϵ}\·A=E\·\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)}\·\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B{\mathrm{\πD}}^{2}E}{{4\mathrm{\λ}}_B(1-P_e)}---\left(4\right)$

计算得出的钢丝绳的张力大小在计算机上实时显示，可直观动态的观察钢丝绳张力的大小，同时可对过大的张力值进行预警。

工作原理：当煤矿提升设备正常工作时，即提升设备提升重物时，钢丝绳由于重物的重力作用，将会被拉紧产生应力。由于钢丝绳与封装外壳紧固，且弹性测杆和封装外壳固定连接，使得钢丝绳和弹性测杆的轴向应变一致；提升重物时，钢丝绳受拉力，将引起弹性测杆拉伸，粘贴在弹性测杆上的光纤光栅由于受应力变化，将和弹性测杆同步变化，进而引起光纤光栅中心波长产生漂移，利用光纤光栅解调设备解调出光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B，已知钢丝绳在未受力时的直径D和初始光纤光栅的中心波长λ_B，可以计算得出钢丝绳张力F的大小，实现钢丝绳张力的监测。

Claims (5)

1.一种光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，包括封装外壳（1）、钢丝绳（3）、光纤光栅（5）、螺栓（12）、紧固螺母（14）；其特征在于：所述的封装外壳（1）对称扣合固定在钢丝绳（3）上，在封装外壳（1）与钢丝绳（3）固定处之间安装有防滑楔形橡胶圈（2），封装外壳（1）的顶部和底部均对称开设有螺栓孔（13），利用紧固螺母（14）紧固穿过螺栓孔（13）的螺栓（12）；封装外壳（1）的内部设有相互对称的两个弹性测杆（4），在两个弹性测杆（4）中部靠近封装外壳（1）的一侧对称粘贴有光纤光栅（5），光纤光栅（5）串联接在光纤（6）上，光纤（6）经光纤引出孔（7）与设在封装外壳（1）外的光纤连接头（9）的一端连接，光纤引出孔（7）的内部充填有进行密封的密封胶（8），光纤连接头（9）的另外一端连接光纤尾纤（11），光纤尾纤（11）铠装有保护胶皮（10）。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述的防滑楔形橡胶圈（2）在靠近封装外壳（1）外部的一端尺寸大于靠近封装外壳（1）内部一端的尺寸。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述的弹性测杆（4）为矩形的长测杆，弹性测杆（4）的两端均固定连接在封装外壳（1）的内部。

4.根据权利要求书1所述的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测装置，其特征在于：所述的两个光纤光栅（5）形状大小相同，波长互不相同，粘贴在位于弹性测杆（4）中部的竖直中心轴线上。

5.一种使用权利要求1所述装置的光纤光栅拉伸式矿井提升设备钢丝绳张力监测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、在靠近提升设备的提升容器或者牵引容器处的钢丝绳（3）上设置张力监测装置；

B、将内部设有弹性测杆（4）、光纤光栅（5）、光纤（6）的封装外壳（1）和防滑楔形橡胶圈（2）对称扣合固定在钢丝绳（3）上，在封装外壳（1）的顶部和底部利用螺栓（12）和紧固螺母（14）固定；

C、测量钢丝绳（3）在未受力时，即没有提升重物时直径D的大小，同时利用光纤光栅解调设备解调出初始光纤光栅的波长大小λ_B；

D、当提升设备提升重物时，由于钢丝绳（3）与封装外壳（1）紧固，且弹性测杆（4）和封装外壳（1）固定连接，钢丝绳（2）此时受拉力，将引起弹性测杆（4）拉伸，粘贴在弹性测杆（4）上的光纤光栅（5）由于受应力变化，波长产生漂移，利用光纤光栅解调设备解调出光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B；

E、根据实测光纤光栅波长的变化漂移量Δλ_B、初始光纤光栅波长大小λ_B和钢丝绳（3）直径D的大小，即可计算出钢丝绳（3）的张力F的大小，并通过计算机实时的直观动态显示张力数值大小，同时对过大的张力值进行预警，保证矿井提升设备的安全运行。

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