CN109138972A - 一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统 - Google Patents
一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，包括光路模块、频移检测处理模块、部件连接模块以及煤岩固定模块，光路模块封装于圆柱型外壳内以及设于系统外侧，频移检测处理模块封装于圆柱型外壳内以及对准钻杆表面，部件连接模块连接光路模块外壳和频移检测处理模块外壳，煤岩固定模块连接光路模块外壳并悬空固定于煤岩外端及钻杆正上方；针对退出钻杆过程，通过激光多普勒效应采集激光照射到移动钻杆上产生的散射光，测量激光的多普勒频移，计算钻杆实时长度；将钻杆退出长度等效为钻杆进给深度，避免了井下复杂光照、不规则作业、水流和粉尘等因素干扰，提高了测量可靠性和准确性，保障了煤矿开采的安全。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿设备检测技术领域，具体是一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统。
背景技术
煤矿瓦斯是关乎煤矿安全的重要因素，瓦斯突出极易造成矿难。为此，国家煤矿安全监察局总结提出了“先抽后采、监测监控、以风定产”的方针，抽采瓦斯已成为煤炭开采的前提。目前，抽采瓦斯多通过煤矿瓦斯钻机向煤层中打入一定长度的钻杆，再达到指定深度后再抽出钻杆，进而形成抽采瓦斯的孔洞。钻孔是否达到指定深度关乎瓦斯抽采的效果，关系到煤炭开采的安全。为此，对其进行深度测量具有重要的意义。
煤矿瓦斯钻机钻杆的长度为标准尺寸，中间为空腔结构，首尾分别设置有螺纹公端和母端，两根钻杆可以通过钻机的动力实现螺纹衔接，螺纹衔接处的金属横截面积大于标准钻杆的其他杆体部位，构成了钻杆节点。钻机每次夹持一个钻杆，被夹持的钻杆通过钻机旋转动力实现与前一个钻杆的螺纹连接，之后，钻机带动整根钻杆水平向煤岩里推送，推送的同时伴随有水流降温。首尾衔接的钻杆打入煤层的深度由钻杆的数量决定，钻杆数量乘以钻杆长度即为打入的煤层深度。钻杆退出时，由钻机施加动力依次抽出钻杆，同时钻机反向旋转，松开螺纹连接，从而依次取下钻杆。目前，多采用人工计数法，由工人观察标准钻杆的对接次数，实现钻杆计数。该方法易受人为因素影响，出错率和误报率都较高，且需要专人全程监督，极大的浪费了人力资源，增加了管理成本，无法杜绝虚报钻孔深度的现象，无法保障煤炭开采的安全。
为了克服钻杆进给深度的准确测量，先后出现了应力波法、电驻波法、低压脉冲反射法、磁线圈感应法、芯片标记识别法、钻机旋转判定法、接近开关判定法、位移传感器测定法、图像识别法、射频识别法等，但由于井下复杂光照和运动环境，及工人的不规则作业等，使得上述在系统可靠性、可行性、系统改造成本、实际操作等方面距离实际应用尚存在一定距离，需要一种适合煤矿瓦斯钻机钻杆的特殊测量方法和系统。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，主要采用激光多普勒干涉原理，采集激光照射到移动钻杆上产生的散射光，避免了井下复杂光照的影响；通过测量激光的多普勒频移，进而自动测量钻杆抽出过程中的实时速度，经过积分等数据处理，计算得到抽出钻杆的实时长度，避免了不规则作业的影响；针对煤矿瓦斯钻机退出钻杆过程进行测量，将钻杆退出长度等效为钻杆进给深度，避免了进钻时水流和粉尘等恶劣环境对系统的影响；通过基于激光多普勒效应的接触实时测量，避免了其他因素造成的干扰，提高了测量可靠性和准确性，排除了外界及人为因素造成的错报、误报深度的情况，保障了煤矿开采的安全。
本发明实现发明目的采用如下技术方案：
一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，包括光路模块、频移检测处理模块、部件连接模块以及煤岩固定模块；所述光路模块封装于圆柱型外壳内以及设于系统外侧，用于提供两束成固定角度的激光；所述频移检测处理模块封装于圆柱型外壳内以及对准钻杆表面，用于采集激光照射到移动钻杆上产生的散射光，得到抽出钻杆的实时长度；所述部件连接模块连接光路模块外壳和频移检测处理模块外壳，并调节之间角度；所述煤岩固定模块连接光路模块外壳并悬空固定于煤岩外端及钻杆正上方；所述光路模块和频移检测处理模块的外壳为圆柱状；所述通过激光多普勒效应采集激光照射到移动钻杆上产生的散射光，避免了井下复杂光照的影响；所述通过测量激光的多普勒频移，进而自动测量钻杆抽出过程中的实时速度，经过积分等数据处理，计算得到抽出钻杆的实时长度，避免了不规则作业的影响；所述针对煤矿瓦斯钻机退出钻杆过程进行测量，将钻杆退出长度等效为钻杆进给深度，避免了进钻时水流和粉尘等恶劣环境对系统的影响；所述通过基于激光多普勒效应的非接触实时测量，避免了其他因素造成的干扰，提高了测量可靠性和准确性，排除了外界及人为因素造成的错报、误报深度的情况，保障了煤矿开采的安全。
作为优选，本发明提供的一种光路模块包括半导体激光器、分束镜和反射镜，封装于圆柱型外壳内以及设于系统外侧；所述激光器发射的激光依次通过分束镜和反射镜；所述分束镜与入射激光束成45度，分束镜反射激光束入射到反射镜上；所述反射镜将分束镜反射激光束再次反射，反射光束与分束镜透射激光束成特定角度。
作为优选，本发明提供的一种频移检测处理模块包括一组透镜、光阑、光电接收器、滤波器、放大器、处理电路和计算机，封装于圆柱型外壳内以及对准钻杆表面；所述透镜采集钻杆的散射光；所述光阑会聚透镜采集的散射光进入光电接收器；所述光电接收器将两束光的多普勒频移光信号转化成电信号；所述滤波器为低通滤波器，消除高频干扰；所述放大器为前置放大器，放大信号；所述处理电路将速度信号积分转换成长度信号；所述计算机进行显示和算法处理。
作为优选，本发明提供的一种部件连接模块包括光路模块卡环、光路模块卡扣、频移检测处理模块卡环、频移检测处理模块卡扣、蜗轮蜗杆连接件、活动卡环和活动卡环连接杆等；所述光路模块卡环和光路模块卡扣用于固定光路模块外壳；所述频移检测处理模块卡环和频移检测处理模块卡扣用于固定频移检测处理模块外壳；所述蜗轮蜗杆连接件包括蜗轮和蜗杆，其与活动卡环配合用于调节光路模块外壳和频移检测处理模块外壳间的角度。
作为优选，本发明提供的一种煤岩固定模块包括固定杆、稳定连接件、煤岩固定卡环和煤岩固定卡扣，用于将频移检测处理模块外壳悬空固定于煤岩外端及钻杆正上方；所述固定杆深入煤岩中；所述稳定连接件连接固定杆和煤岩固定卡环；所述煤岩固定卡环和煤岩固定卡扣用于固定频移检测处理模块外壳。
本发明与现有技术相比，其有益效果体现在：在煤矿瓦斯钻机退出钻杆的过程中，基于激光多普勒效应实时检测钻杆移出的速度，进而计算出长度，实现了恶劣环境下煤矿瓦斯钻机钻杆退出长度的非接触实时测量，避免了其他因素造成的干扰，提高了测量可靠性和准确性，排除了外界及人为因素造成的错报、误报深度的情况，保障了煤矿开采的安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的光路模块结构示意图；
图3是本发明实施例提供的频移检测处理模块结构示意图；
图4是本发明实施例提供的部件连接模块结构示意图；
图5是本发明实施例提供的煤岩固定模块结构示意图；
图中，1、光路模块，2、频移检测处理模块，3、部件连接模块,4、煤岩固定模块，5、钻杆，6、煤岩；
101、半导体激光器，102、分束镜，103、反射镜，1011、激光器发射激光，1021、分束镜反射激光束，1022、分束镜透射激光束，1031、反射镜反射激光束；
201、透镜，202、会聚透镜，203、光阑，204、光电倍增管，205、滤波器，206、放大器，207、处理电路，208、计算机；
301、频移检测处理模块卡扣，302、频移检测处理模块卡环，303、蜗轮蜗杆连接件蜗杆，304、蜗轮蜗杆连接件蜗轮，305、光路模块卡环，306、光路模块卡扣，307、活动卡环连接杆，308、活动卡环；
401、固定杆，402、稳定连接件，403、煤岩固定卡环，404、煤岩固定卡扣。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步解释说明。
请参阅图1一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，包括光路模块1、频移检测处理模块2、部件连接模块3以及煤岩固定模块4，光路模块1封装于圆柱型外壳内以及设于系统外侧，用于提供两束成固定角度的激光；频移检测处理模块2封装于圆柱型外壳内以及对准钻杆表面，用于采集激光照射到移动钻杆5上产生的散射光，测量出多普勒频移，进而自动测量钻杆5抽出过程中的实时速度，经过积分等数据处理，计算得到抽出钻杆5的实时长度；部件连接模块3连接光路模块外壳和频移检测处理模块外壳，并调节之间角度；煤岩固定模块4连接光路模块外壳并悬空固定于煤岩6外端及钻杆5正上方；光路模块1和频移检测处理模块2的外壳为圆柱状；通过激光多普勒效应采集激光照射到移动钻杆5上产生的散射光，避免了井下复杂光照的影响；通过测量激光的多普勒频移，进而自动测量钻杆5抽出过程中的实时速度，经过积分等数据处理，计算得到抽出钻杆5的实时长度，避免了不规则作业的影响；所述针对煤矿瓦斯钻机退出钻杆5过程进行测量，将钻杆5退出长度等效为钻杆5进给深度，避免了进钻时水流和粉尘等恶劣环境对系统的影响；通过基于激光多普勒效应的接触实时测量，避免了其他因素造成的干扰，提高了测量可靠性和准确性，排除了外界及人为因素造成的错报、误报深度的情况，保障了煤矿开采的安全。
请参阅图1和图2所示，所述的光路模块1包括半导体激光器101、分束镜102和反射镜103，封装于圆柱型外壳内以及设于系统外侧，所述激光器发射的激光1011依次通过分束镜102和反射镜103，所述分束镜102与入射激光束成45度，分束镜102反射激光束1021入射到反射镜103上，所述反射镜103将分束镜102反射激光束1021再次反射，反射光束1031与分束镜透射激光束1022成特定角度。
请参阅图1和图3所示，所述的频移检测处理模块2包括一组透镜201(202)、光阑203、光电倍增管204、滤波器205、放大器206、处理电路207和计算机208，封装于圆柱型外壳内以及对准钻杆5表面；所述的透镜201采集钻杆5的散射光；所述的光阑203会聚透镜202采集的散射光进入光电倍增管204；所述的光电倍增管204将两束光的多普勒频移光信号转化成电信号；所述的滤波器205为低通滤波器，消除高频干扰；所述的放大器206为前置放大器，放大信号；所述的处理电路207将速度信号积分转换成长度信号；所述的计算机208进行显示和算法处理。
请参阅图1和图4所示，所述的部件连接模块3包括光路模块卡环305、光路模块卡扣306、频移检测处理模块卡环302、频移检测处理模块卡扣301、蜗轮蜗杆连接件303(304)、活动卡环308和活动卡环连接杆307等，所述光路模块卡环305和光路模块卡扣306用于固定光路模块1外壳，所述频移检测处理模块卡环302和频移检测处理模块卡扣301用于固定频移检测处理模块2外壳，所述蜗轮蜗杆连接件303(304)包括蜗轮303和蜗杆304，其与活动卡环308配合用于调节光路模块1外壳和频移检测处理模块2外壳间的角度。
请参阅图1和图5所示，所述的煤岩固定模块4包括固定杆401、稳定连接件502、煤岩固定卡环403和煤岩固定卡扣404，用于将频移检测处理模块2外壳悬空固定于煤岩6外端及钻杆5正上方；所述的固定杆401深入煤岩6中；所述的稳定连接件402连接固定杆401和煤岩固定卡环403；所述的煤岩固定卡环403和煤岩固定卡扣404用于固定频移检测处理模块2外壳。
具体地，在煤矿瓦斯钻机钻杆5进给的同时，将煤岩固定模块固定杆401打入钻杆5正上方，距离应大于频移检测处理模块2的长度；在煤矿瓦斯钻机钻杆5退出前，将频移检测处理模块2和光路模块1在场外通过部件连接模块3连接，并固定在煤岩固定模块4的煤岩固定卡环403中；启动系统，405nm激光器101经过光路模块1后，形成两束成固定角度的激光束1022和1031；激光束经钻杆5散射，调节部件连接模块3的蜗轮303和蜗杆304，调节频移检测处理模块2和光路模块1间角度，直到散射光进入光电倍增管204；光电倍增管204将两束光的多普勒频移光信号转化成电信号，经低通滤波器205、放大器206、处理电路207后，将长度信号送入计算机208显示。
具体地，根据多普勒效应，两束激光同时照射到运动的微粒上，由此产生两种频率的散射光。假设光束1与光束2之间的夹角是α，多普勒频率为探测器接收到的频率差异：
在表达式1-1中，fa为两束激光1022和1031经钻杆5散射所形成的拍频信号频率，ν为钻杆5的运动速度，λ为激光器波长，这里为405nm，α为两束激光1022和1031的固定角。
将速度对时间进行积分，就可以得到煤矿瓦斯钻机钻杆5进给深度：
在表达式1-2中，L为煤矿瓦斯钻机钻杆5进给深度，t1和t2为相邻积分的时间，计算时将时间划分为细小时间段。
具体地，测量系统在配备矿用本质安全外壳后，可以应用于煤矿井下各类复杂环境，检测精度不受环境影响。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，其特征在于：包括光路模块、频移检测处理模块、部件连接模块以及煤岩固定模块；所述光路模块封装于圆柱型外壳内以及设于系统外侧，用于提供两束成固定角度的激光；所述频移检测处理模块封装于圆柱型外壳内以及对准钻杆表面，用于采集激光照射到移动钻杆上产生的散射光，得到抽出钻杆的实时长度；所述部件连接模块连接光路模块外壳和频移检测处理模块外壳，并调节之间角度；所述煤岩固定模块连接光路模块外壳并悬空固定于煤岩外端及钻杆正上方；所述光路模块和频移检测处理模块的外壳为圆柱状；所述通过激光多普勒效应采集激光照射到移动钻杆上产生的散射光，避免了井下复杂光照的影响；所述通过测量激光的多普勒频移，进而自动测量钻杆抽出过程中的实时速度，经过积分等数据处理，计算得到抽出钻杆的实时长度，避免了不规则作业的影响；所述针对煤矿瓦斯钻机退出钻杆过程进行测量，将钻杆退出长度等效为钻杆进给深度，避免了进钻时水流和粉尘等恶劣环境对系统的影响；所述通过基于激光多普勒效应的非接触实时测量，避免了其他因素造成的干扰，提高了测量可靠性和准确性，排除了外界及人为因素造成的错报、误报深度的情况，保障了煤矿开采的安全。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，其特征在于，所述光路模块包括半导体激光器、分束镜和反射镜，封装于圆柱型外壳内以及设于系统外侧；所述激光器发射的激光依次通过分束镜和反射镜；所述分束镜与入射激光束成45度，分束镜反射激光束入射到反射镜上；所述反射镜将分束镜反射激光束再次反射，反射光束与分束镜透射激光束成特定角度。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，其特征在于：所述频移检测处理模块包括一组透镜、光阑、光电接收器、滤波器、放大器、处理电路和计算机，封装于圆柱型外壳内以及对准钻杆表面；所述透镜采集钻杆的散射光；所述光阑会聚透镜采集的散射光进入光电接收器；所述光电接收器将两束光的多普勒频移光信号转化成电信号；所述滤波器为低通滤波器，消除高频干扰；所述放大器为前置放大器，放大信号；所述处理电路将速度信号积分转换成长度信号；所述计算机进行显示和算法处理。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，其特征在于：所述部件连接模块包括光路模块卡环、光路模块卡扣、频移检测处理模块卡环、频移检测处理模块卡扣、蜗轮蜗杆连接件、活动卡环和活动卡环连接杆等；所述光路模块卡环和光路模块卡扣用于固定光路模块外壳；所述频移检测处理模块卡环和频移检测处理模块卡扣用于固定频移检测处理模块外壳；所述蜗轮蜗杆连接件包括蜗轮和蜗杆，其与活动卡环配合用于调节光路模块外壳和频移检测处理模块外壳间的角度。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒效应的煤矿瓦斯钻机钻杆进给深度测量系统，其特征在于：所述煤岩固定模块包括固定杆、稳定连接件、煤岩固定卡环和煤岩固定卡扣，用于将频移检测处理模块外壳悬空固定于煤岩外端及钻杆正上方；所述固定杆深入煤岩中；所述稳定连接件连接固定杆和煤岩固定卡环；所述煤岩固定卡环和煤岩固定卡扣用于固定频移检测处理模块外壳。
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