CN106225906B - 一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置及方法 - Google Patents

一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置及方法，由固定监测装置和旋转监测装置组成，所述旋转监测装置包括第一光源模块、监测光纤环、光电转换模块和单层导线线圈；所述固定监测装置包括反射镜、掺铽光纤、光纤耦合器、第二光源模块、第一光电探测器、偏振分束器、第二光电探测器和信号处理模块；随采煤机滚筒转动的旋转监测装置进行振动信号采集，将振动信号先转变成光信号，然后变成电信号；固定监测装置监测电信号所产生的磁场的变化，进而对信号进行解算。最终实现对采煤机滚筒振动的直接监测。具有结构设计合理、抗电磁干扰能力强和灵敏度高的优点，能实现对滚筒振动的实时监测，从而为滚筒的正常工作运转提供保障。

Description

一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种振动监测装置及方法，具体是一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置及方法。
背景技术
随着煤矿安全生产要求的不断提高,作为综采工作面的关键设备,采煤机的自动化成为实现综采工作面自动化和少人化的必要条件。采煤机滚筒是一种典型的旋转结构机械。对于该类结构的机械进行数据的监测时,就需要根据实际工况进行监测系统的设计。
所有旋转机械部件振动信号包含丰富的状态信息，这些信息的变化直接或间接反应采煤机滚筒的运行状况，监测采煤滚筒的振动信号能对采煤机滚筒的运行状况进行监测，为采煤机滚筒的健康运行以及出现状况及时维修提供保障，故对滚筒的振动信号进行监测具有很高的应用价值。
现有的采煤机滚筒振动的监测是通过间接的方式来采集数据，或是将数据采集后通过滑环或无线等数据传输方式传输出来，然后送入计算机，作进一步处理。但是现有的这种方式其结构不灵活且绕线复杂、易受电磁干扰，另外现有的方式监测精度很低。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置及方法，具有结构简单、抗电磁干扰性强、灵敏度高，同时能避免传感器复杂绕线的情况。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置，由固定监测装置和旋转监测装置组成，所述旋转监测装置包括第一光源模块、监测光纤环、光电转换模块和单层导线线圈；所述固定监测装置包括反射镜、掺铽光纤、光纤耦合器、第二光源模块、第一光电探测器、偏振分束器、第二光电探测器和信号处理模块；
所述光纤耦合器、第二光源模块、第一光电探测器、偏振分束器、第二光电探测器和信号处理模块封装于箱体内部，整个箱体安装于摇臂上；
所述第一光源模块与光电转换模块依次沿滚筒的轴线安装于其内侧壁上；
所述监测光纤环一端连接第一光源模块的输出端，另一端连接光电转换模块的输入端，整条监测光纤环绕成环状环绕粘贴于滚筒的内侧壁；
所述单层导线线圈螺旋缠绕在行星轮减速器与滚筒之间的间隙中，并固定于滚筒的内侧壁，单层导线线圈的两端分别接光电转换模块输出端的正负极；
所述掺铽光纤安装在单层导线线圈所形成的圆柱体空间内；反射镜设置在掺铽光纤一端；
所述光纤耦合器一端与掺铽光纤的另一端连接，光纤耦合器另一端分别连接第二光源模块和偏振分束器，偏振分束器的两个输出引脚分别与第一光电探测器和第二光电探测器连接，第一光电探测器和第二光电探测器均与信号处理模块连接。
进一步，所述监测光纤环的长度为2.3m的单模光纤。
进一步，所述单层导线线圈共20匝，为长度46m做过防爆隔爆处理的漆包线。
进一步，所述光纤耦合器为50％分光比的2×2光纤耦合器。
进一步，所述掺铽光纤为0.6m高费尔德常数掺铽光纤制作。
进一步，所述第一光电探测器和第二光电探测器为PIN光电二极管。
一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测方法，包括以下步骤：
A、采煤机启动后，通过第一光源模块输出偏振光到监测光纤环，当滚筒振动作用于监测光纤环时，由于光弹效应的作用会引起光纤折射率的变化，进而引起光波相位的变化，同时相位发生变化的偏振光也携带了滚筒的振动信息；根据光弹效应，其相位变化为：
式中：
ΔΦ——偏振光光相位变化量；
λ——光波波长；
L——光纤长度；
n——光纤折射率；
Pe——光弹系数；
P——应力；
E——杨氏模量；
B、将携带振动信息的偏振光输入到光电转换模块，携带振动信息的偏振光信号在光电转换模块中转换为携带振动信息的电流信号(电流值随相位的改变而变化△Φ→△I)；
C、将携带振动信息的电流信号由光电转换模块输出经过单层导线线圈后返回到光电转换模块形成回路，由于安培环路定理，单层导线线圈周围会形成磁场，磁感应强度随电流值的改变而变化(△I→△B)；
D、使第二光源模块输出偏振光通过光纤耦合器传输到掺铽光纤，偏振光到达掺铽光纤一端时，通过反射镜被反射回来，反向再次经过掺铽光纤，回传到光纤耦合器，掺铽光纤处于单层导线线圈所形成的圆柱空间内部，周围分布着变化的磁场，由于法拉第旋光效应和旋光的非互易性，在掺铽光纤内部传播的偏振光偏振面会发生旋转，此时偏振光偏振面的旋转角度随磁场强度的变化而变化(△B→△θ)，即该偏振光携带了滚筒的振动信号；根据法拉第旋光效应，偏振光偏振面的旋转角度变化量△θ为：
△θ＝V△BL
式中：
V——费尔德常数；
△B——磁感应强度变化量；
L——处于磁场中的光纤段长度；
E、携带振动信息的偏振光再次通过光纤耦合器到达偏振分束器，在偏振分束器的作用下，输出两束携带偏振光并分别输入到第一光电探测器和第二光电探测器，将光信号转换为电信号输入到信号处理模块，对所携带的振动信号进行解调，最终获得滚筒的振动信息。
与现有技术相比，本发明采用固定监测装置和旋转监测装置相结合的方式，随采煤机滚筒转动的旋转监测装置进行振动信号的采集，将振动信号先转变成光信号，然后变成电信号；固定监测装置监测电信号所产生的磁场的变化，进而对信号进行解算。最终实现了对采煤机滚筒振动的直接监测。本发明具有结构设计合理、抗电磁干扰能力强和灵敏度高的优点，能实现对滚筒振动的实时监测，减少了人力物力的投入，从而为滚筒的正常工作运转提供保障。
附图说明
图1本发明的整体示意图。
图2本发明的装配后的示意图。
图3本发明的结构示意图。
图4本发明的原理示意图。
图中：1、滚筒，2、行星轮减速器，3、第一光源模块，4、监测光纤环，5、光电转换模块，6、单层导线线圈，7、摇臂，8、反射镜，9、掺铽光纤，10、光纤耦合器，11、第二光源模块，12、第一光电探测器，13、偏振分束器，14、第二光电探测器，15、信号处理模块，16、箱体。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，本发明由固定监测装置和旋转监测装置组成，所述旋转监测装置包括第一光源模块3、监测光纤环4、光电转换模块5和单层导线线圈6；所述固定监测装置包括反射镜8、掺铽光纤9、光纤耦合器10、第二光源模块11、第一光电探测器12、偏振分束器13、第二光电探测器14和信号处理模块15；
所述光纤耦合器10、第二光源模块11、第一光电探测器12、偏振分束器13、第二光电探测器14和信号处理模块15封装于箱体16内部，整个箱体16安装于摇臂上；
所述第一光源模块3与光电转换模块5依次沿滚筒1的轴线安装于其内侧壁上；
所述监测光纤环4一端连接第一光源模块3的输出端，另一端连接光电转换模块5的输入端，整条监测光纤环4绕成环状环绕粘贴于滚筒1的内侧壁；
所述单层导线线圈6螺旋缠绕在行星轮减速器2与滚筒1之间的间隙中，并固定于滚筒1的内侧壁，单层导线线圈6的两端分别接光电转换模块5输出端的正负极；
所述掺铽光纤9安装在单层导线线圈6所形成的圆柱体空间内；反射镜8设置在掺铽光纤9一端；
所述光纤耦合器10一端与掺铽光纤9的另一端连接，光纤耦合器10另一端分别连接第二光源模块11和偏振分束器13，偏振分束器13的两个输出引脚分别与第一光电探测器12和第二光电探测器14连接，第一光电探测器12和第二光电探测器14均与信号处理模块15连接。
进一步，其特征在于，所述监测光纤环4的长度为2.3m的单模光纤。
进一步，其特征在于，所述单层导线线圈6共20匝，为长度46m做过防爆隔爆处理的漆包线。
进一步，所述光纤耦合器10为50％分光比的2×2光纤耦合器。
进一步，所述掺铽光纤为0.6m高费尔德常数掺铽光纤制作。
进一步，所述第一光电探测器12和第二光电探测器14为PIN光电二极管。
一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测方法，包括以下步骤：
A、采煤机启动后，通过第一光源模块3输出偏振光到监测光纤环4，当滚筒1振动作用于监测光纤环4时，由于光弹效应的作用会引起光纤折射率的变化，进而引起光波相位的变化，同时相位发生变化的偏振光也携带了滚筒的振动信息；根据光弹效应，其相位变化为：
式中：
ΔΦ——偏振光光相位变化量；
λ——光波波长；
L——光纤长度；
n——光纤折射率；
Pe——光弹系数；
P——应力；
E——杨氏模量；
B、将携带振动信息的偏振光输入到光电转换模块5，携带振动信息的偏振光信号在光电转换模块5中转换为携带振动信息的电流信号(电流值随相位的改变而变化△Φ→△I)；
C、将携带振动信息的电流信号由光电转换模块5输出经过单层导线线圈6后返回到光电转换模块5形成回路，由于安培环路定理，单层导线线圈6周围会形成磁场，磁感应强度随电流值的改变而变化(△I→△B)；
D、使第二光源模块11输出偏振光通过光纤耦合器10传输到掺铽光纤9，偏振光到达掺铽光纤9一端时，通过反射镜8被反射回来，反向再次经过掺铽光纤9，回传到光纤耦合器10，掺铽光纤9处于单层导线线圈6所形成的圆柱空间内部，周围分布着变化的磁场，由于法拉第旋光效应和旋光的非互易性，在掺铽光纤9内部传播的偏振光偏振面会发生旋转，此时偏振光偏振面的旋转角度随磁场强度的变化而变化(△B→△θ)，即该偏振光携带了滚筒1的振动信号；根据法拉第旋光效应，偏振光偏振面的旋转角度变化量△θ为：
△θ＝V△BL
式中：
V——费尔德常数；
△B——磁感应强度变化量；
L——处于磁场中的光纤段长度；
E、携带振动信息的偏振光再次通过光纤耦合器10到达偏振分束器13，在偏振分束器13的作用下，输出两束携带偏振光并分别输入到第一光电探测器12和第二光电探测器14，将光信号转换为电信号输入到信号处理模块15，对所携带的振动信号进行解调，最终获得滚筒1的振动信息。

Claims (7)

1.一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置，其特征在于，由固定监测装置和旋转监测装置组成，所述旋转监测装置包括第一光源模块(3)、监测光纤环(4)、光电转换模块(5)和单层导线线圈(6)；所述固定监测装置包括反射镜(8)、掺铽光纤(9)、光纤耦合器(10)、第二光源模块(11)、第一光电探测器(12)、偏振分束器(13)、第二光电探测器(14)和信号处理模块(15)；
所述光纤耦合器(10)、第二光源模块(11)、第一光电探测器(12)、偏振分束器(13)、第二光电探测器(14)和信号处理模块(15)封装于箱体(16)内部，整个箱体(16)安装于摇臂上；
所述第一光源模块(3)与光电转换模块(5)依次沿滚筒(1)的轴线安装于其内侧壁上；
所述监测光纤环(4)一端连接第一光源模块(3)的输出端，另一端连接光电转换模块(5)的输入端，整条监测光纤环(4)绕成环状环绕粘贴于滚筒(1)的内侧壁；
所述单层导线线圈(6)螺旋缠绕在行星轮减速器(2)与滚筒(1)之间的间隙中，并固定于滚筒(1)的内侧壁，单层导线线圈(6)的两端分别接光电转换模块(5)输出端的正负极；
所述掺铽光纤(9)安装在单层导线线圈(6)所形成的圆柱体空间内；反射镜(8)设置在掺铽光纤(9)一端；
所述光纤耦合器(10)一端与掺铽光纤(9)的另一端连接，光纤耦合器(10)另一端分别连接第二光源模块(11)和偏振分束器(13)，偏振分束器(13)的两个输出引脚分别与第一光电探测器(12)和第二光电探测器(14)连接，第一光电探测器(12)和第二光电探测器(14)均与信号处理模块(15)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置，其特征在于，所述监测光纤环(4)的长度为2.3m的单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置，其特征在于，所述单层导线线圈(6)共20匝，为长度46m做过防爆隔爆处理的漆包线。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置，其特征在于，所述光纤耦合器(10)为50％分光比的2×2光纤耦合器。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置，其特征在于，所述掺铽光纤为0.6m高费尔德常数掺铽光纤制作。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置，其特征在于，所述第一光电探测器(12)和第二光电探测器(14)为PIN光电二极管。
7.一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、采煤机启动后，通过第一光源模块(3)输出偏振光到监测光纤环(4)，当滚筒(1)振动作用于监测光纤环(4)时，监测光纤环(4)内的偏振光会携带滚筒(1)的振动信息；
B、将携带振动信息的偏振光输入到光电转换模块(5)，携带振动信息的偏振光信号在光电转换模块(5)中转换为携带振动信息的电流信号；
C、将携带振动信息的电流信号由光电转换模块(5)输出经过单层导线线圈(6)后返回到光电转换模块(5)形成回路；
D、使第二光源模块(11)输出偏振光通过光纤耦合器(10)传输到掺铽光纤(9)，偏振光到达掺铽光纤(9)一端时，通过反射镜(8)被反射回来，反向再次经过掺铽光纤(9)，回传到光纤耦合器(10)，返回的偏振光携带滚筒(1)的振动信号；
E、携带振动信息的偏振光再次通过光纤耦合器(10)到达偏振分束器(13)，在偏振分束器(13)的作用下，输出两束携带偏振光并分别输入到第一光电探测器(12)和第二光电探测器(14)，将光信号转换为电信号输入到信号处理模块(15)，对所携带的振动信号进行解调，最终获得滚筒(1)的振动信息。
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