CN105444848A - 一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置及方法，本发明利用箕斗上方刚性体的形变对箕斗重量的反映，采用光纤光栅测量该形变的大小，并通过换算得到箕斗重量的变化规律，并结合箕斗提升启动停车时间，获得箕斗处于稳定状态的重量，进一步计算出箕斗重量变化，并统计出出煤量。同时还能实时获得钢丝绳应力变化情况，实时的检测提升系统的安全性。本发明基于应力分析计算，得到箕斗的前后重量，得到的数据是箕斗重量较真实的反映，受干扰较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置及方法。
背景技术
现有的箕斗称重装置从安装方式来看主要有两种，一种是将重量传感器放于箕斗底部，通过感知箕斗底部的压力获得箕斗的重量。但这种方式受箕斗形状以及箕斗内物体形状影响很大，以至于底部压力难以正确反映箕斗总的重量。
另一种是利用检测天轮轴承座的受力来推算箕斗的重量，但这种方法受来自钢丝绳摩擦力，天轮的受力方式等因素影响，使得误差较大。
另外，从探头的形式来看，多数是电磁式压力传感器作为探头，由于煤矿井筒的环境复杂，各种干扰较多，因而常常造成电磁探头测量不准，并要经常标定，既浪费人力资源又耽误时间。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置及方法，本发明采用了先进的光纤应变传感技术，具有灵敏度高，抗干扰能力强，本质安全等特点，能够解决当前箕斗称重中计量误差大、无法实时获取数据等问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，包括光纤辅轮、传感光纤、应变光纤光栅和控制系统，其中，所述光纤辅轮与天轮同轴设置，与其同步转动以承载传感光纤，箕斗通过钢丝绳活动链接在天轮上，应变光纤光栅固定于连接箕斗与钢丝绳的刚性体上，传感光纤连接应变光纤光栅，控制系统控制天轮的运转，以带动光纤辅轮运动，带动箕斗上下运动，并接收传感光纤采集的应变光纤光栅的应变值，计算装煤前后箕斗的重量。
所述应变光纤光栅通过卡箍固定在箕斗与钢丝绳之间的刚性体上。
所述控制系统，包括运算控制器和光纤应变解调仪，其中，运算控制器接收提升机电控信号，发送启动信号，控制箕斗上下运动，传感光纤接收应变光纤光栅将形变转化为波长的变化，光纤应变解调仪采集传感光纤的光信号，将其转换为电信号，运算控制器接收该电信号，计算得到应变信息。
所述传感光纤与分路器连接，分路器连接光源和光纤应变解调仪。
所述控制系统还设有计时单元，采集箕斗处于静止状态的时间和运行时间。
所述刚性体上端设有凹槽，应变光纤光栅设置于凹槽内。
所述凹槽的前端设置有温度光纤光栅，采集刚性体温度。
所述温度光纤光栅通过卡箍固定在刚性体上，外部设有保护套。
一种基于上述系统的检测方法，包括以下步骤：
(1)将应变光纤光栅固定于刚性体上，保证刚性体受到纵向的应力时，应变光纤光栅发生纵向形变；
(2)保持箕斗静止，利用光源照射应变光纤光栅，检测反射的波长；
(3)控制箕斗运动，根据采集的箕斗的启停时间，确定箕斗运行稳定的状态，检测此时应变光纤光栅的波长，计算应变光纤光栅的波长变化量，得到刚性体形变值；
(4)根据刚性体形变值，通过换算得到箕斗重量的变化规律，计算箕斗的重量以及物料的重量。
所述步骤(3)中，同时采集温度光纤光栅的温度信息，排除温度变化对应变测量值的影响。
本发明的有益效果为：
(1)采用了先进的光纤应变传感技术，具有灵敏度高，抗干扰能力强，本质安全等特点；由于粘贴于箕斗刚性连接体上的光纤应变光纤光栅具有较宽的检测范围(8000με)和较高的灵敏度，因而本方法可得到较为可靠的称重结果；
(2)基于应力分析计算，得到箕斗的前后重量，得到的数据是箕斗重量较真实的反映，受干扰较小；
(3)实时获得刚性体(钢丝绳)应力变化情况，实时的检测提升系统的安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的控制系统示意图；
图3为本发明的刚性体应变曲线示意图；
图4为本发明的光纤光栅安装示意图；
图5为本发明的波长-拉力关系拟合曲线示意图；
其中，1、光纤辅轮，2、井筒壁，3、传感光纤，4、应变光纤光栅，5、刚性体，6、箕斗，7、卡箍，8、控制系统，9、温度光纤光栅，10、金属壳，11、凹槽。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，包括：同轴光纤辅轮1，传感光纤3、刚性体5应变光纤光栅4、卡箍7和控制系统8(包括光纤应变解调仪、时间计量系统、启动、停车判别装置)。
光纤辅轮1安装于与天轮相同的转动轴上，与天伦同步转动，用于承载传感光纤3。刚性体5应变光纤光栅4利用卡箍7固定在箕斗6与钢丝绳之间的刚性体5上，光线应变解调仪可安放于电控室内，用于运算、控制目的的处理器可以是系统机，也可以是嵌入式处理器或单片机。控制装置可具有标准通信接口，如CAN总线，485等与外部进行通信。同时也可根据情况配装显示部件。
工作原理：当提升机电控信号发出启动信号时，由本装置的运算、控制器检测该信号的同步电脉冲，然后发出命令，启动本装置，开始进行检测。
当绞车静止时，箕斗6以及箕斗6载物的重量作用在刚性体5上，通过刚性体5的形变表现出来。
当绞车开动后，由于有惯性的存在，刚性体5上的形变为惯性力与箕斗6以及箕斗6载物之和。同时此形变也是钢丝绳上拉力变化的反映。
刚性体5的形变由卡贴在刚性体5上的光纤光栅应变光纤光栅4将形变转换为波长的变化，并通过与之连接的传感光纤3将光信号传送到控制部分的解调模块中，由解调模块中的光电转换部分转换为电信号，然后经分析处理得到应变信息。整个过程由本装置的控制器进行控制和调度。
提升机启动停车以及装煤卸煤时间确定：
由于箕斗6在运行过程中其刚性体5应力除受箕斗6重量影响外，还受惯性力的影响，这样要正确得到箕斗6重量，就要选择合理的时间段的应变信号并进行处理。
以煤矿用箕斗6为例进行说明，箕斗6的装煤卸煤瞬间箕斗6处于静止状态，这段时间可由提升机的控制信号得到。当提升机控制系统发出停车命令后，由运算控制器记录此时间。箕斗6还有一段减速时间，在此时间段内，应力仍然是变化的，当箕斗6静止后，应力的变化幅度和频率都将趋于稳定，如图3所示。
当箕斗6装煤瞬间，应力发生急剧变化，然后趋于稳定。由本装置内的控制器对这段时间内的应力作分析计算，就可得到装煤前后箕斗6的重量。
与其他方式相比，这两种方式得到的数据是箕斗6重量较真实的反映，受干扰较小。
光纤光栅的安装：
首先在箕斗6上方的刚性连接体上刻一凹槽11，凹槽11横截面为半圆形，直径为5mm，长度为10cm，将应变光纤光栅4放入凹槽11内，并用绝热固化密封胶封将凹槽11封闭，刚性体5两端用金属卡箍7进行加固，以避免密封胶脱落，并可使光纤光栅与刚性体5紧密结合。这时，当刚性体5受到纵向应力时，带动应变光纤光栅4发生纵向形变，从而改变了应变光纤光栅4的波长。
其中，应变光纤光栅4采用Bragg光栅(布拉格光栅)，它采用波长调制，不受光强影响，抗干扰能力强，能对波长进行编码，易于复用、组成系统，并且具有体积小、重量轻、耐高电压、耐腐蚀、本质防爆等特点。
当一束宽光谱光通过FBG时，FBG反射回一束单色光，它的波长λ满足下式]：
λ＝2nΛ
其中n为应变光纤光栅4的有效折射率，Λ为布拉格光栅的周期。由于n和Λ都与布拉格光栅的温度和应变状态有关，所以波长λ随温度和应变变化而变化。在一定温度下，当布拉格光栅上受应力产生轴向应变ε时，n和Λ随之变化，则布拉格光栅波长的变化量Δλ为：
Δλ＝(1-Pe)λε
其中有效弹光常数Pe为：
Pe＝-n2[p12-μ(p11+p12)]/2
式中p11和p12为光纤的弹光常数，μ为泊松比，对普通的石英光纤，Pe约为0.22。
这样，通过实时检测波长的变化就可得到刚性体5形变情况。
为了克服温度变化对应变测量的影响，在凹槽11的前端串接一温度光纤光栅9，并用金属壳10体保护，其不与刚性体5直接接触，并用卡箍7固定在刚性体5凹槽11内。
传感光纤3与分路器直接相连，然后分别与宽带光源和解调仪相连，本装置的解调方法可采用现有的光纤布拉格光栅应变温度解调方法，该方案已成熟，在此不再赘述。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，其特征是：包括光纤辅轮、传感光纤、应变光纤光栅和控制系统，其中，所述光纤辅轮与天轮同轴设置，与其同步转动以承载传感光纤，箕斗通过钢丝绳活动链接在天轮上，应变光纤光栅固定于连接箕斗与钢丝绳的刚性体上，传感光纤连接应变光纤光栅，控制系统控制天轮的运转，以带动光纤辅轮运动，带动箕斗上下运动，并接收传感光纤采集的应变光纤光栅的应变值，计算装煤前后箕斗的重量。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，其特征是：所述应变光纤光栅通过卡箍固定在箕斗与钢丝绳之间的刚性体上。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，其特征是：所述控制系统，包括运算控制器和光纤应变解调仪，其中，运算控制器接收提升机电控信号，发送启动信号，控制箕斗上下运动，传感光纤接收应变光纤光栅将形变转化为波长的变化，光纤应变解调仪采集传感光纤的光信号，将其转换为电信号，运算控制器接收该电信号，计算得到应变信息。
4.如权利要求1或3所述的一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，其特征是：所述控制系统还设有计时单元，采集箕斗处于静止状态的时间和运行时间。
5.如权利要求1所述的一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，其特征是：所述传感光纤与分路器连接，分路器连接光源和光纤应变解调仪。
6.如权利要求1所述的一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，其特征是：所述刚性体上端设有凹槽，应变光纤光栅设置于凹槽内。
7.如权利要求6所述的一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，其特征是：所述凹槽的前端设置有温度光纤光栅，采集刚性体温度。
8.如权利要求7所述的一种基于光纤传感的箕斗称重检测装置，其特征是：所述温度光纤光栅通过卡箍固定在刚性体上，外部设有保护套。
9.一种基于光纤传感的箕斗称重检测方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)将应变光纤光栅固定于刚性体上，保证刚性体受到纵向的应力时，应变光纤光栅发生纵向形变；
(2)保持箕斗静止，利用光源照射应变光纤光栅，检测反射的波长；
(3)控制箕斗运动，根据采集的箕斗的启停时间，确定箕斗运行稳定的状态，检测此时应变光纤光栅的波长，计算应变光纤光栅的波长变化量，得到刚性体形变值；
(4)根据刚性体形变值，通过换算得到箕斗重量的变化规律，计算箕斗的重量以及物料的重量。
10.如权利要求9所述的一种基于光纤传感的箕斗称重检测方法，其特征是：所述步骤(3)中，同时采集温度光纤光栅的温度信息，排除温度变化对应变测量值的影响。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |