CN107131878A - 一种基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿监测系统及方法，属于矿井机械工况监测领域。该系统采用三重子系统，包括数据分析子系统、位姿数据传递子系统、位姿数据传感采集子系统。数据分析子系统安装在地面监控室内，由监控计算机、光纤光栅解调设备和供电电源组成；位姿数据传递子系统由矿用传输光纤和光纤接线盒组成；位姿数据传感采集子系统包括两组光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器，安装在采煤机前后摇臂液压油缸的活塞杆位置。系统简单、易行、稳定，精确度较高，能够实现采煤机摇臂位姿的实时在线动态连续监测，准确地获得采煤机摇臂位姿情况。该发明对于监测采煤机摇臂位姿状况具有重要意义。

Description

一种基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿监测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种采煤机摇臂位姿监测方法，属于矿井机械工况监测领域，尤其适用于一种基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿监测装置及方法。
背景技术
在煤矿生产中，采煤机是煤炭综合机械化开采中的关键设备，受地质活动的影响，煤层厚度常具有较大的空间差异性，采煤机滚筒需要沿工作面煤岩界面的高度不断调整，以获得最大的采出率，并尽量避免截割岩石。采煤机摇臂位姿监测就是在采煤机进行开采时，对采煤机的摇臂位姿进行监测，从而对采煤机的前后滚筒进行调高，前后滚筒高度能够随煤层厚度变化进行调整，以获得最大采出率并避免切割到顶板和底板。
目前，采煤机摇臂位姿监测在国内外已经有了多种方法，包括滚筒支臂振动监测与特征频谱分析、滚筒驱动电机电流值与采煤机行进速度监测及比截割能量特征分析、雷达探测法等。这些监测方法基本都是采用现场实时采集信号，其显著的缺点是受采煤现场恶劣环境条件的干扰较大，信号采集不稳定，识别结果的可靠性低，造成采煤机摇臂位姿监测效果普遍不理想。
发明内容
技术问题：针对上述技术目的，提供一种本质安全，抗电磁干扰能力强，受环境影响小，可靠性高，测量精度高，能够对采煤机摇臂位姿进行及时监测，可自动监测及实时在线动态连续监测的基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿监测装置及方法。
技术方案：为实现上述局地目的，本发明的基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿动态监测系统包括数据分析子系统、位姿数据传递子系统、位姿数据传感采集子系统，其中数据分析子系统通过矿用传输光纤与位姿数据传递子系统相连接，位姿数据传递子系统通过光纤尾纤与位姿数据传感采集子系统相连接；
所述数据分析子系统包括相互连接的面上监控计算机和光纤光栅解调设备，以及为两者供电的供电电源，数据分析子系统设置在地面监控室内，光纤光栅解调设备通过矿用传输光纤与设置在井下采煤机上的位姿数据传递子系统相连接；
所述位姿数据传递子系统包括多个相互连接的光纤接线盒；
所述位姿数据传感采集子系统为光纤接线盒与数量匹配的光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器，多个光纤接线盒与多个光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器之间分别通过匹配数量的光纤尾纤相互连接；
所述多个光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器分为两组，一组设置在采煤机前摇臂液压油缸的活塞杆上，另一组设置在后摇臂液压油缸的活塞杆上。
所述光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器包括光纤光栅加速度传感器、光纤光栅倾角传感器和光纤光栅温度传感器，所述的光纤光栅温度传感器监测采煤机的工作环境温度，并对光纤光栅加速度传感器和光纤光栅倾角传感器监测结果进行温度补偿。
所述的光纤光栅加速度传感器和光纤光栅倾角传感器的温度补偿方法为最小二乘拟合补偿方法。
一种基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿动态监测监测方法，步骤如下：
步骤一：在采煤机前摇臂液压油缸的活塞杆的位置安装一组光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器，在采煤机后摇臂液压油缸的活塞杆的位置安装一组光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器，在采煤机机身的位置安设光纤接线盒；
步骤二：每个光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器、通过光纤尾纤利用光纤接线盒与矿用传输光纤连接，将光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器监测到的光信号传输到井上；
步骤三：利用供电电源对地面上监控计算机和光纤光栅解调设备进行供电，矿用传输光纤与光纤光栅解调设备连接，光纤光栅解调设备将接收到的光信号解调为数字信号，光纤光栅解调设备通过网线将数字信号传输给监控计算机；
步骤四：监控计算机对采集到的数字信号通过最小二乘拟合补偿方法对加速度传感器和倾角传感器的数据进行温度补偿，利用小波分析降噪技术对采煤机位姿信号进行降噪分离处理；
步骤五：处理之后的采煤机摇臂位姿数据通过监控计算机分析软件实现人机交互和实时动态显示，实现对采煤机摇臂位姿的动态监测。
有益效果：本发明与已有技术相比，可有如下优点：
1、本申请在煤机摇臂上设置光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器，光纤光栅具有极其灵敏的传感特性，煤机摇臂油缸活塞杆发生很小的伸缩和转动时，都可以测量出来。
2、光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器利用了光纤光栅的核心技术，光纤光栅本质安全，无源工作，可实现井下现场直接采集数据，方便灵活，抗电磁干扰能力强；同时，利用光纤进行信号传输，传输距离远，可靠性高，测量范围大。
3、实现了采煤机摇臂位姿的自动监测及实时在线动态连续测量，通过测得光纤光栅波长变化就可以计算出采煤机摇臂位姿状态的信息。
4、可及时获得采煤机摇臂位姿状态的信息，监测采煤机开采工作是否合理。
附图说明
图1为本发明的监测系统的整体布置结构示意图；
图2为本发明的光纤光栅摇臂位姿监测传感器的安装示意图；
图3为本发明的光纤光栅摇臂位姿监测传感器组成；
图中标号：1-数据分析子系统；2-位姿数据传递子系统；3-位姿数据传感采集子系统；4-地面上监控计算机；5-光纤光栅解调设备；6-供电电源；7-矿用传输光纤；8-光纤接线盒；9-光纤尾纤；10ab-光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器；11-地面监测室；12-前摇臂液压油缸的活塞杆；13-后摇臂液压油缸的活塞杆；14-采煤机机身；15-滑靴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿动态监测系统，其特征在于：它包括数据分析子系统1、位姿数据传递子系统2、位姿数据传感采集子系统3，其中数据分析子系统1通过矿用传输光纤7与位姿数据传递子系统2相连接，位姿数据传递子系统2通过光纤尾纤9与位姿数据传感采集子系统3相连接；
所述数据分析子系统1包括相互连接的面上监控计算机4和光纤光栅解调设备5，以及为两者供电的供电电源6，数据分析子系统1设置在地面监控室11内，光纤光栅解调设备5通过矿用传输光纤7与设置在井下采煤机上的位姿数据传递子系统2相连接；
所述位姿数据传递子系统2包括多个相互连接的光纤接线盒8；
如图3所示，所述位姿数据传感采集子系统3为与光纤接线盒8数量匹配的光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10，多个光纤接线盒8与多个光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10之间分别通过匹配数量的光纤尾纤相互连接；所述光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10包括光纤光栅加速度传感器、光纤光栅倾角传感器和光纤光栅温度传感器，所述的光纤光栅温度传感器监测采煤机的工作环境温度，并对光纤光栅加速度传感器和光纤光栅倾角传感器监测结果进行温度补偿。
如图2所示，所述光纤接线盒8设置在采煤机机身14上，采煤机机身14底部设有滑靴15
多个光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10分为两组，设置在采煤机前摇臂液压油缸的活塞杆12上的为光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10a，设置在后摇臂液压油缸的活塞杆13上为光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10b。
一种基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿动态监测方法，其步骤如下：
步骤一：在采煤机前摇臂液压油缸的活塞杆12的位置安装一组光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10，在采煤机后摇臂液压油缸的活塞杆13的位置安装一组光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10，在采煤机机身14的位置安设光纤接线盒8；
步骤二：每个光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10、通过光纤尾纤9利用光纤接线盒8与矿用传输光纤7连接，将光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10监测到的光信号传输到井上；
步骤三：利用供电电源6对地面上监控计算机4和光纤光栅解调设备5进行供电，矿用传输光纤7与光纤光栅解调设备5连接，光纤光栅解调设备5将接收到的光信号解调为数字信号，光纤光栅解调设备5通过网线将数字信号传输给监控计算机4；
步骤四：监控计算机对采集到的数字信号通过最小二乘拟合补偿方法对加速度传感器和倾角传感器的数据进行温度补偿，利用小波分析降噪技术对采煤机位姿信号进行降噪分离处理；
步骤五：处理之后的采煤机摇臂位姿数据通过监控计算机分析软件实现人机交互和实时动态显示，实现对采煤机摇臂位姿的动态监测。
实施例1：
当采煤机的前摇臂液压油缸的活塞杆12和后摇臂液压油缸的活塞杆13位姿发生变化时，引起光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10内部光栅栅距变化，从而使光栅反射回来的光信号的中心波长发生漂移；所述的位姿数据传递子系统由矿用传输光纤7、光纤接线盒8和光纤尾纤9组成，光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10通过自身的光纤尾纤9将反射回来的光信号传输到矿用传输光纤7，光纤尾纤9与矿用传输光纤7通过光纤接线盒8连接；所述的数据分析子系统安装在地面监控室内，数据分析子系统由监控计算机4、光纤光栅解调设备5和供电电源6组成，供电电源6为地面上监控计算机4和光纤光栅解调设备5提供额定的电源，矿用传输光纤7将光信号传输到光纤光栅解调设备5，光纤光栅解调设备5将光信号解调为数字信号并传输至监控计算机4保存，监控计算机4对数字信号进行进一步处理分析，并通过屏幕和键盘实现人机交互，实现对采煤机摇臂位姿的动态监测。
所述的监测系统地面和井下相互连接的方式为，位姿数据传感采集子系统的两组光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10通过光纤尾纤9和光纤接线盒8将采集监测的采煤机摇臂位姿的波长信息数据传至矿用传输光纤9，然后以矿用传输光纤7的有线通讯方式传送至地面监控室的光纤光栅解调设备5，光纤光栅解调设备5将波长信息数据进行解调为数字信号数据，然后通过网线将数字信号传至地面上监控计算机4，地面上监控计算机4对数据进行后期处理，并及时的将数据反馈至井下，实现地面与井下的相互通讯。
所述的地面上监控计算机4内嵌采煤机摇臂位姿数据分析处理软件。
所述的光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感10器为不锈钢封装，采用单端出光纤的方式。
通过以上的具体实施，本发明提供了一种基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿监测方法，该方法实现了采煤机摇臂位姿的自动监测及实时在线动态连续监测，采用的光纤光栅具有极其灵敏的传感特性，同时本质安全，井下现场直接采集数据，抗电磁干扰能力强；利用光纤进行信号传输，传输距离远，可靠性高，测量范围大；可及时获得采煤机摇臂位姿状态的信息，对采煤机摇臂位姿监测具有重要意义。
本发明的工作原理是：首先简要地了解采煤机摇臂的工作原理：采煤机摇臂是在液压油缸系统的带动下进行工作的；当向密闭油缸内注油时，油缸内的活塞杆伸出；反之当出油口出油时，活塞杆缩进。正是由于在油缸活塞的伸缩带动下摇臂才能升高或下降，即活塞杆的伸缩长度与摇臂高度之间有种对应的关系，如果知道了活塞杆的伸缩长度时，通过这种对应关系也就获得了摇臂的高度。因此采用间接法监测摇臂高度时，可先通过传感器监测油缸活塞杆的伸缩长度，然后再根据它们之间的关系计算摇臂的高度。本发明采用间接的方法监测采煤机摇臂位姿状态，当油缸活塞杆伸缩时即采煤机摇臂位姿发生变化，光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器10内的光纤光栅发生应变，使得光纤光栅的中心波长产生漂移，利用光纤光栅解调设备5将波长信号解调为数字信号，传至地面上监控计算机4，可实时动态显示采煤机摇臂位姿状态变化，这一技术的应用对采煤机摇臂位姿的监测具有重要意义。

Claims (4)

1.一种基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿动态监测系统，其特征在于：它包括数据分析子系统（1）、位姿数据传递子系统（2）、位姿数据传感采集子系统（3），其中数据分析子系统（1）通过矿用传输光纤（7）与位姿数据传递子系统（2）相连接，位姿数据传递子系统（2）通过光纤尾纤（9）与位姿数据传感采集子系统（3）相连接；
所述数据分析子系统（1）包括相互连接的面上监控计算机（4）和光纤光栅解调设备（5），以及为两者供电的供电电源（6），数据分析子系统（1）设置在地面监控室（11）内，光纤光栅解调设备（5）通过矿用传输光纤（7）与设置在井下采煤机上的位姿数据传递子系统（2）相连接；
所述位姿数据传递子系统（2）包括多个相互连接的光纤接线盒（8）；
所述位姿数据传感采集子系统（3）为与光纤接线盒（8）数量匹配的光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器（10），多个光纤接线盒（8）与多个光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器（10）之间分别通过匹配数量的光纤尾纤相互连接；
所述多个光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器（10）分为两组，一组设置在采煤机前摇臂液压油缸的活塞杆（12）上，另一组设置在后摇臂液压油缸的活塞杆（13）上。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿动态监测系统，其特征在于：所述光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器（10）包括光纤光栅加速度传感器、光纤光栅倾角传感器和光纤光栅温度传感器，所述的光纤光栅温度传感器监测采煤机的工作环境温度，并对光纤光栅加速度传感器和光纤光栅倾角传感器监测结果进行温度补偿。
3.根据权利要求书1所述的基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿动态监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅加速度传感器和光纤光栅倾角传感器的温度补偿方法为最小二乘拟合补偿方法。
4.一种使用权利要求1所述基于光纤光栅的采煤机摇臂位姿动态监测系统的监测方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：在采煤机前摇臂液压油缸的活塞杆（12）的位置安装一组光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器（10），在采煤机后摇臂液压油缸的活塞杆（13）的位置安装一组光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器（10），在采煤机机身（14）的位置安设光纤接线盒（8）；
步骤二：每个光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器（10）、通过光纤尾纤（9）利用光纤接线盒（8）与矿用传输光纤（7）连接，将光纤光栅采煤机摇臂位姿监测传感器（10）监测到的光信号传输到井上；
步骤三：利用供电电源（6）对地面上监控计算机（4）和光纤光栅解调设备（5）进行供电，矿用传输光纤（7）与光纤光栅解调设备（5）连接，光纤光栅解调设备（5）将接收到的光信号解调为数字信号，光纤光栅解调设备（5）通过网线将数字信号传输给监控计算机（4）；
步骤四：监控计算机对采集到的数字信号通过最小二乘拟合补偿方法对加速度传感器和倾角传感器的数据进行温度补偿，利用小波分析降噪技术对采煤机位姿信号进行降噪分离处理；
步骤五：处理之后的采煤机摇臂位姿数据通过监控计算机分析软件实现人机交互和实时动态显示，实现对采煤机摇臂位姿的动态监测。
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