CN109631791A - 一种矿用大量程光纤光栅无源顶板离层传感器 - Google Patents

Abstract

一种矿用大量程光纤光栅无源顶板离层传感器，包括壳体、钢丝绳滚轮机构、光纤光栅应变机构；其特征在于：光纤光栅应变机构包括第二齿轮，一端与第二齿轮固定并随第二齿轮转动的精密丝杠；设有一个斜面的斜面滑块，斜面滑块套在精密丝杠上并可以沿丝杠轴向运动；固定在前轴承支撑架上的应变片固定方块，应变片固定方块的位置与斜面滑块相对应；还设有一光纤光栅应变片，光纤光栅应变片的一端由应变片固定方块固定，另一端为与斜面滑块的斜面接触并能相对滑动的自由端，光纤光栅应变片上贴有光纤光栅；将钢丝绳拉动滚轮的圆周运动变成精密杆上的斜面滑块轴向运动，光纤光栅的波长变化，实现了实时在线顶板离层动态监测。

Description

一种矿用大量程光纤光栅无源顶板离层传感器

技术领域

本发明涉及煤矿安全检测技术领域，尤其涉及一种矿用大量程光纤光栅无源顶板离层传感器。

背景技术

光纤传感技术是一门新的科学技术，也是信息社会的一个重要技术基础，在当代高科技中占有十分重要的位置。光纤传感技术是二十世纪七十年代左右随着光纤通信技术的萌芽而迅速建立起来的，通过以光波这一载体并光纤这一媒质，起到具有感知与信号传输的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤， 具有一系列独特的、 其他载体和媒质难以相比的优点。

在对矿山压力监控的过程中，由于种种客观和主观的的原因，而造成采场下沉，严重影响了矿山的生产、运输，以及矿工的人身安全。每年都有相当数量的矿井事故发生，顶板事故是煤矿运输最严重的事故，所以搞好顶板事故的预防是目前煤矿生产技术管理和安全管理工作中一个十分重要的课题。

现有的矿压检测装置不完备，抗干扰能力差，数据传输能力差、传输距离短，无法无源实时在线监测，大区域检测传感器及分站现场供电复杂，随着矿井的深部开采，要求监测顶板变形量传感器量程大，现有传感器量程无法满足现场实际需要，传感器数据无法本地实时上传等往往造成矿井安全监控不到位。

传感技术是近几年热门的应用技术， 传感器在朝着灵敏、 精确、适应性强、小巧和智慧化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感器家族的新成员倍受青睐。

发明内容

本发明提供了一种矿用大量程光纤光栅无源顶板离层传感器，该传感器能远程实时监控预警预报，将钢丝绳的直线拉伸运动传递给光纤光栅波长变化，实现钢丝绳的变化量通过光纤光栅波长的变化实时上传并显示出来，量程大，精度高。

本发明的技术方案为：

一种矿用大量程光纤光栅无源顶板离层传感器，包括壳体、钢丝绳滚轮机构、光纤光栅应变机构；壳体设有前轴承支撑架、中间轴承支撑架、后轴承支撑架；钢丝绳滚轮机构包括第一齿轮，其特征在于：光纤光栅应变机构包括第二齿轮，一端与第二齿轮固定并随第二齿轮转动的精密丝杠；设有一个斜面的斜面滑块，斜面滑块套在精密丝杠上并可以沿丝杠轴向运动；固定在前轴承支撑架上的应变片固定方块，应变片固定方块的位置与斜面滑块相对应；还设有一光纤光栅应变片，光纤光栅应变片的一端由应变片固定方块固定，另一端为与斜面滑块的斜面接触并能相对滑动的自由端，光纤光栅应变片上贴有光纤光栅；斜面滑块轴向运动推动光纤光栅应变片径向变形，光纤光栅应变片波长变化。

进一步的，为了方便使用并便于轴向运动，所述斜面滑块为将其一侧楞切成斜面的四方螺母。

进一步的，设置两片光纤光栅应变片，保证了两片应变片受温度影响一致，两个光纤光栅应变片封装工艺相同，所述的斜面滑块还设有第二斜面，第二斜面与第一斜面的倾斜角度反向对称；在斜面滑块的第二斜面与对应的固定方块的侧面之间设有第二光纤光栅应变片，第二光纤光栅应变片的一端由应变片固定方块固定，另一端为与斜面滑块的斜面接触并能相对滑动的自由端。

进一步的，为了方便使用并便于轴向运动，所述斜面滑块为将其两个侧楞切成斜面的四方螺母。

进一步的，为了防止光纤振动或生产过程压断，所述应变片固定方块设有光纤导向沟道。

进一步的，为了防止斜面滑块沿精密丝杠旋转，限制斜面滑块只能轴向运动，还设有穿过斜面滑块并限定斜面滑块只能轴向运动的防旋细光轴，防旋细光轴与精密丝杠平行设置。

进一步的，为了更方便简单的固定防旋细光轴，防旋细光轴的一端由中间轴承支撑架固定、另一端由应变片固定方块固定。

进一步的，为乐旋转流畅，减少摩擦，第二齿轮与斜面滑块之间、紧靠第二齿轮安装有轴承。

进一步的，为了使第二齿轮与精密丝杠同步运动，所述第二齿轮与精密丝杠过盈连接。

进一步的，为了使第二齿轮与精密丝杠同步运动，便于安装，所述第二齿轮套在精密丝杠的一端，由锁定螺丝固定。

进一步的，所述传感器还设有中间轴，中间轴一端由前轴承支撑架支承固定、另一端穿过中间轴承支撑架和后轴承支撑架。

进一步的，所述钢丝绳滚轮机构还包括设置在中间轴上并可相对中间轴转动的滚轮，滚轮一侧刚性固定第一齿轮，第一齿轮随滚轮转动。

本发明的有益效果为：本发明提供的技术方案传动装置采用了机械齿轮加精密丝杆原理，将钢丝绳拉动滚轮的圆周运动变成精密杆上的斜面滑块轴向运动，光纤光栅的波长变化，实现了实时在线顶板离层动态监测，不需要给传感器供电。

传感器采用光纤光栅实现，光纤光栅具有测量精度高、无源、抗电磁干扰、绝缘性好、本质安全等优异的性能，既为敏感元件又是信息传输介质，传输距离远可达10公里；

采用双应变片结构，相同弹性模量的应变片安装在应变片固定块的两侧面上，双应变片粘贴光纤光栅，斜面滑块设有两个斜面，两个斜面方向反向对称；当斜面滑块在精密丝杆发生位移量时，两个光纤光栅应变片一个波长变大，一个波长变少；受到温度影响两个光纤光栅的变化量一致，实现了温度补偿。

附图说明

图1为本发明提供的传感器的平面结构示意图；

图2为本发明提供的传感器的立体结构示意图；

图3为本发明提供的传感器的第二齿轮、精密丝杠及斜面滑块的结构示意图；

图4为本发明提供的传感器的斜面滑块的结构示意图。

图中，1.滚轮，2.钢丝绳，3.第一齿轮，4.第二齿轮，5.壳体，6.前轴承支撑架，7.中间轴承支撑架，8.后轴承支撑架，9.中间轴，10.精密丝杠，11.斜面滑块，12.第一斜面，13.第二斜面，14.应变片固定方块，15.第一光纤光栅应变片，16.光纤导向沟道，17.防旋细光轴，18.锁定螺丝，19.轴承，20.第二光纤光栅应变片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做详细说明。

一种矿用大量程光纤光栅无源顶板离层传感器，包括壳体、钢丝绳滚轮机构、光纤光栅应变机构。

参照图1和图2，传感器本体的壳体5包括三个支撑架，前轴承支撑架6、中间轴承支撑架7、后轴承支撑架8，主要是用于固定传感器的内部结构。

钢丝绳滚轮机构包括第一齿轮3，光纤光栅应变机构包括第二齿轮4，一端与第二齿轮固定并随第二齿轮转动的精密丝杠10；设有一个斜面的斜面滑块11，斜面滑块11套在精密丝杠上并可以沿精密丝杠轴向运动；固定在前轴承支撑架上的应变片固定方块14，应变片固定方块14的位置与斜面滑块11相对应；还设有一光纤光栅应变片15，光纤光栅应变片的一端由应变片固定方块14固定，另一端为与斜面滑块的斜面接触并能相对自由滑动的自由端，光纤光栅应变片15上贴有光纤光栅；斜面滑块轴向运动推动光纤光栅应变片径向变形，光纤光栅应变片波长变化。

如图3，精密丝杠10的一端与第二齿轮4固定，另一端为自由端，长度大于斜面滑块的轴向运动距离，满足斜面滑块沿精密丝杠的轴向运动；作为优选方案，精密丝杠与第二齿轮过盈配合，具体为，精密丝杆10的一端作为轴，第二齿轮4套在精密丝杆的这一端上，通过紧定螺丝18将第二齿轮4和精密丝杆10固定成为一个整体，第二齿轮4与斜面滑块11之间、紧靠第二齿轮安装有轴承19，轴承19与中间轴承支撑架7固定在一起；实现精密丝杠随着第三齿轮的转动而转动，二者没有位移差。

如图3和图4所示，斜面滑块11，具体为将其一侧楞切成斜面的四方螺母，这样斜面滑块具有第一斜面，斜面滑块套在精密丝杠上，靠近第二齿轮，并可以沿精密丝杠轴向运动；斜面滑块内孔有螺纹与精密丝杠10配合；这样精密丝杠在旋转时，斜面滑块11才能实现水平方向的轴向移动。在斜面滑块的第一斜面12与对应的固定方块之间设有第一光纤光栅应变片15，第一光纤光栅应变片的一端由应变片固定方块对应斜面滑块斜面的一侧固定，另一端为与斜面滑块的第一斜面接触并能相对滑动的自由端，光纤光栅应变片上贴有光纤光栅。

参照图4，优选方案，所述的斜面滑块还设有第二斜面13，第二斜面13与第一斜面12的倾斜角度反向对称；第一斜面12由低到高，靠近第二齿轮4的一侧斜面高，另一侧斜面低；第二斜面13由高到低，与第一斜面相反。相应的，斜面滑块11为将其两个侧楞切成斜面的四方螺母。

可理解的，图4所示的斜面滑块有两个斜面，如果设置一个斜面，只将四方螺母一侧楞切成第一斜面12即可。

相应的，在斜面滑块的第二斜面与对应的固定方块的侧面之间设有第二光纤光栅应变片20，第二光纤光栅应变片20的一端由应变片固定方块固定，另一端为与斜面滑块的第二斜面接触并能相对滑动的自由端，光纤光栅应变片上贴有光纤光栅。

第一光纤光栅应变片15和第二光纤光栅应变片20自由端的起始位置分别在斜面滑块的第一斜面12低端和第二斜面13中间位置，其目的当斜面滑块轴向移动时，第一斜面12一侧的第一光纤光栅应变片变形由小到大，第二斜面13一侧面的第二光纤光栅应变片变形由大到小；这样的差分形变可以补偿温度带来误差。

为了阻止斜面滑块11沿精密丝杠旋转，限制斜面滑块只能轴向水平移动，还设有穿过斜面滑块并限定斜面滑块、使斜面滑块只能轴向运动的防旋细光轴17，可理解的，防旋细光轴与精密丝杠10平行，是一个穿过斜面滑块设置的细轴，防旋细光轴的一端由中间轴承支撑架7固定、另一端由应变片固定方块14固定，防旋细光轴还能对斜面滑块11和精密丝杠10起到支撑作用。

应变片固定方块固定在前轴承支撑架上，应变片固定方块的位置与斜面滑块相对应，如图2，能够水平固定光纤光栅应变片。

应变片固定方块上还设有光纤导向沟道16，防止光纤振动或生产过程压断，可理解的，光纤导向沟道的数量可以根据光纤光栅应变片的数量设定，一个光纤光栅应变片设一个光纤导向沟道，两个光纤光栅应变片设两个光纤导向沟道，一般情况下，光纤导向沟道设在应变片固定方块固定光纤光栅应变片的侧面上。

传感器还设有中间轴9，中间轴一端由前轴承支撑架支承固定、另一端穿过中间轴承支撑架和后轴承支撑架。

钢丝绳滚轮机构还包括设置在中间轴上并可相对中间轴转动的滚轮1，滚轮一侧刚性固定第一齿轮3，第一齿轮随滚轮转动，滚轮上缠绕钢丝绳2。

中间轴承支撑架7设在第一齿轮3的另一侧，中间轴承支撑架不会影响第一齿轮和第二齿轮的转动；主要起支撑和固定作用。

传感器还具有外部构件，外部构件上设有垂直固定安装杆和固定锚爪，垂直固定安装杆为管状结构，垂直固定安装杆的一端与传感器壳体采用螺纹固定；垂直固定安装杆内部采用浇筑密封结构防止外部喷淋水进入传感器内部，钢丝绳通过垂直固定安装杆内部；深基点测量传感器和浅基点测量传感器的滚轮上钢丝绳的一端均通过垂直固定安装杆后，钢丝绳端部各设有一个固定锚爪；安装时两个固定锚爪分别安装到顶板的岩体内（深基点）和煤体内（浅基点）。

当顶板发生变形拉动钢丝绳带动滚轮运动，进而第一齿轮转动，第一齿轮3啮合第二齿轮4，第二齿轮转动，带动精密丝杠10转动，斜面滑块11轴向运动推动光纤光栅应变片15径向变形，将钢丝绳滚轮机构的钢丝绳拉伸运动传递给光纤光栅应变片波长变化，实现数据实时上传监测。

所应理解的是，本发明创造将不限于本文所示的这些实例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种矿用大量程光纤光栅无源顶板离层传感器，包括壳体、钢丝绳滚轮机构、光纤光栅应变机构；壳体（5）设有前轴承支撑架（6）、中间轴承支撑架（7）、后轴承支撑架（8）；钢丝绳滚轮机构包括第一齿轮（3），其特征在于：光纤光栅应变机构包括第二齿轮（4），一端与第二齿轮固定并随第二齿轮转动的精密丝杠（10）；设有一个斜面的斜面滑块（11），斜面滑块（11）套在精密丝杠（10）上并可以沿精密丝杠（10）轴向运动；固定在前轴承支撑架上的应变片固定方块（14），应变片固定方块（14）的位置与斜面滑块相对应；还设有第一光纤光栅应变片（15），第一光纤光栅应变片的一端由应变片固定方块固定，另一端为与斜面滑块的斜面接触并能相对滑动的自由端，光纤光栅应变片上贴有光纤光栅；斜面滑块轴向运动推动光纤光栅应变片径向变形，光纤光栅应变片波长变化。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述斜面滑块（11）为将其一侧楞切成斜面的四方螺母。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的斜面滑块还设有第二斜面（13），第二斜面（13）与第一斜面（12）的倾斜角度反向对称；在斜面滑块的第二斜面与对应的固定方块的侧面之间设有第二光纤光栅应变片（20），第二光纤光栅应变片的一端由应变片固定方块（14）固定，另一端为与斜面滑块的第二斜面（13）接触并能相对滑动的自由端。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于：所述斜面滑块（11）为将其两个侧楞切成斜面的四方螺母。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述应变片固定方块设有光纤导向沟道（16）。

6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：还设有穿过斜面滑块并限定斜面滑块只能轴向运动的防旋细光轴（17），防旋细光轴（17）与精密丝杠（10）平行设置。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于：防旋细光轴（17）的一端由中间轴承支撑架（7）固定、另一端由应变片固定方块（14）固定。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：第二齿轮与斜面滑块之间、紧靠第二齿轮安装有轴承（19）。

9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述第二齿轮（4）与精密丝杠（10）过盈连接。

10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于：所述第二齿轮套在精密丝杠的一端，由锁定螺丝（18）固定。

11.根据权利要求1-10任一权利要求书所述的传感器，其特征在于：所述传感器还设有中间轴（9），中间轴一端由前轴承支撑架支承固定、另一端穿过中间轴承支撑架和后轴承支撑架。

12.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于：所述钢丝绳滚轮机构还包括设置在中间轴上并可相对中间轴转动的滚轮（1），滚轮一侧刚性固定第一齿轮（3）。