CN111308121A - 一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置及其测量方法，包括：壳体，壳体内部具有第一腔室和第二腔室，且第一腔室内形成有止挡部；至少一个传递杆，传递杆可活动地连接在壳体中，传递杆的两端分别延伸至第一腔室和第二腔室内，且位于第一腔室内的传递杆的一端抵止在止挡部上；转杆，转杆的一端可枢转地连接在第二腔室内，转杆的另一端上配置有捕风板，且捕风板正对矿井巷道风流流动方向；光纤光栅，光纤光栅连接在止挡部上，用于测量止挡部的曲率变化，且光纤光栅通过光纤与解调器相耦接；该测量装置结构简单，抗电磁干扰能力强，测量准确，能够大大降低工作量；该测量方法安全可靠，测量精准。

Description

一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及煤矿设备领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置及其测量方法。

背景技术

矿井通风在地下煤矿开采中扮演着非常重要的角色。通风质量的好坏不仅直接影响着矿工的身体健康，也是矿井防止瓦斯、粉尘爆炸以实现安全生产的重要保障。因此，矿井实时通风参数对地下煤矿开采是非常重要的角色。在最早的井下通风质量确定工作中，通常由矿工携带测试仪在井下各处测点进行人工测量。但这种测量方式劳动量较大，也无法保证测量数据的实时性。特别在近些年来，智能化开采逐渐成为矿井发展的主方向。其中如何通过仪器替代矿工，利用仪器自主判断、决策及执行是实现智能化的关键。在这种趋势下，诸多超声波风速测量仪、传统机械式测量仪等测量仪纷纷涌现出来。但这些仪器一方面难以避免电磁场对其造成的影响，另一方面在数据传输上面仍旧采用旧式的传输方式，导致测试数据存在滞后和失真。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术存在的问题之一，本发明的一个目的在于提出一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，该测量装置结构简单，抗电磁干扰能力强，测量准确，能够大大降低工作量。

本发明的另一个目的在于提出一种具有上述基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置的测量方法。

根据本发明第一方面的一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，包括：

壳体，所述壳体内部具有第一腔室和第二腔室，且所述第一腔室内形成有止挡部；

至少一个传递杆，所述传递杆可活动地连接在所述壳体中，传递杆的两端分别延伸至第一腔室和第二腔室内，且位于所述第一腔室内的所述传递杆的一端抵止在止挡部上；

转杆，所述转杆的一端可枢转地连接在所述第二腔室内，所述转杆的另一端上配置有捕风板，且所述捕风板正对矿井巷道风流流动方向；

光纤光栅，所述光纤光栅连接在止挡部上，用于测量所述止挡部的曲率变化，且所述光纤光栅通过光纤与所述解调器相耦接；

其中，所述传递杆位于所述第二腔室的一端与所述转杆相对设置，且当所述转杆在矿井巷道风流作用下摆动时，所述转杆与所述传递杆相接触，并使所述传递杆具有向所述第一腔室运动的趋势。

在该技术方案中，由转杆上的捕风板捕捉矿井巷道风流，当矿井巷道风流吹向捕风板，使得转杆发生转动，位于第二腔室内的转杆会抵压接触传递杆的一端，使得传递杆由第二腔室向第一腔室方向运动，并使得传递杆的另一端在第一腔室内与止挡部相抵止，止挡部受到传递杆的推力会发生变形，而位于止挡部上的光纤光栅会测量止挡部的曲率变化量，转化为光纤光栅的中心波长变化，由光纤将中心波长变化的信号传输给解调器解调并由计算机进行解算分析而获得风速的大小；该测量装置结构简单，抗电磁干扰能力强，测量准确，能够大大降低工作量。

另外，根据本发明的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，还可以具有如下技术特征：

在本发明的一个示例中，所述传递杆包括第一传递杆和第二传递杆，且第一传递杆、第二传递杆分别配置在所述转杆与第二腔室枢转连接处的两侧，

当矿井巷道风流吹向第一方向时，所述转杆向第一方向摆动，所述转杆与所述第一传递杆相接触，使得所述第一传递杆具有向第一腔室运动的趋势；

当矿井巷道风流吹向第二方向时，所述转杆向第二方向摆动，所述转杆与所述第二传递杆相接触，使得所述第二传递杆具有向第一腔室运动的趋势。

在本发明的一个示例中，所述壳体内配置有隔离体，将所述壳体内部隔离出第一腔室和第二腔室，且所述隔离体上配置有连通第一腔室和第二腔室的通孔，所述传递杆适于可滑动地配置在所述通孔内。

在本发明的一个示例中，还包括：

弹性件，所述弹性件的一端与所述传递杆相连，其另一端与所述通孔相连，使得所述传递杆在受到所述转杆的驱动时，所述传递杆具有恢复初始位置的弹性力。

在本发明的一个示例中，包括压缩弹簧、拉伸弹簧和弹片三者中的一个。

在本发明的一个示例中，所述第二腔室内配置有连接梁，所述连接梁的一端与所述第二腔室的侧壁相连，其另一端与所述转杆可枢转地连接。

在本发明的一个示例中，所述止挡部由所述第一腔室的一端向其另一端延伸，且所述传递杆抵止在所述止挡部远离第一腔室内壁的一端。

在本发明的一个示例中，所述转杆位于所述第二腔室的一端可滚动地连接有钢珠，所述钢珠与所述转杆相对设置，当所述转杆发生摆动时，所述钢珠与所述转杆相接触。

在本发明的一个示例中，所述转杆上与所述传递杆相对的一侧设有沿着其长度方向延伸的滑槽，所述钢珠适配在所述滑槽内，其中，所述滑槽的长度不小于所述传递杆的移动量。

根据本发明第二方面的一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置的测量方法，包括如下步骤：首先由捕风板捕捉矿井巷道风流，使得所述转杆旋转一定角度，在转动过程中，转杆通过传递杆将其转动角度转换为止挡部的曲率变化；然后由光纤光栅检测止挡部的曲率变化并相对应地输出光纤光栅的中心波长的变化量；最后由光纤光栅的中心波长计算得到风速。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置的主视图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为图1的B-B向剖视图；

图4为根据本发明实施例的传递杆与转杆之间的连接结构示意图。

图5为根据本发明实施例的转杆受力平衡示意图。

附图标记：

风速测量装置100；

壳体10；

第一腔室11；

止挡部111；

第二腔室12；

连接梁121；

隔离体13；

通孔131；

第一孔部1311；

第二孔部1312；

传递杆20；

第一传递杆21；

第二传递杆22；

钢珠201；

转杆30；

捕风板31；

滑槽301；

光纤光栅40；

弹性件50；

挂耳60；

光纤70；

光纤耦合器80；

螺栓紧固件90；

保护套91。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参考附图提供以下描述，以助于对权利要求所限定的本发明的各种实施例的全面理解。其包含各种特定的细节以助于该理解，但这些细节应当被视为仅是示范性的。相应地，本领域普通技术人员将认识到，在不背离由随附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对本文所描述的各种实施例做出变化和改进。此外，为了清楚和简洁起见，可能省略对熟知的功能和构造的描述。

结合本发明的特定的方面、实施例或示例所描述的特征、整体或特性将被理解为可应用于本文所描述的任意其他方面、实施例或示例，除非与其不兼容。

尽管可能使用例如“第1”、“第2”、“第一”和“第二”的表述来描述本发明的各个元件，但它们并未意于限定相对应的元件。例如，上述表述并未旨在限定相对应元件的顺序或重要性。上述表述用于将一个部件和另一个部件区分开。

当元件被提到为“连接”或“耦合”至另一元件时，这可以意味着其直接连接或耦合至其他元件，但应当理解的是，可能存在中间元件。可替代地，当元件被提到为“直接连接”或“直接耦合”另一元件时，应当理解的是，该两个元件之间不存在中间元件。

文中提到的“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明中所使用的术语集仅是为了描述特定实施例的目的，而并非意在限制本发明。单数的表述包含复数的表述，除非在其间存在语境、方案上的显著差异。

除非另有限定，本文中所使用的全部术语(包含技术术语与科学术语)具有与本申请所属的技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。还应理解的是，术语(比如常用词典中限定的那些术语)，应解释为具有与相关领域和本说明书的上下文中一致的含义，并且不应以理想化或过于形式化的意义来解释，除非在本文中明确地这样限定。

根据本发明第一方面的一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置100，如图1～图3所示，包括计算机和与之相耦接的解调器，还包括：壳体10、至少一个传递杆20、转杆30和光纤光栅40；

壳体10，所述壳体10内部具有第一腔室11和第二腔室12，且所述第一腔室11内形成有止挡部111；也就是说，止挡部111可以一体形成在第一腔室11内；也可以通过紧固连接的方式连接在第一腔室11内；

至少一个传递杆20，所述传递杆20可活动地连接在所述壳体10中，传递杆20的两端分别延伸至第一腔室11和第二腔室12内，且位于所述第一腔室11内的所述传递杆20的一端抵止在止挡部111上；也就是说，传递杆20配置在壳体10内，且其可以在第一腔室11和第二腔室12之间移动，当所述传递杆20在第一腔室11内移动时，可以抵止在止挡部111上，使得所述止挡部111发生变形；例如，传递杆20为轻质合金材料件；

转杆30，所述转杆30的一端可枢转地连接在所述第二腔室12内，所述转杆30的另一端上配置有捕风板31，且所述捕风板31正对矿井巷道风流流动方向；也就是说，捕风板31用来捕捉矿井巷道风流，当矿井巷道风流吹向捕风板31，使得转杆30发生转动，例如，捕风板31可以为不锈钢材料件，转杆30为轻质合金材料件，捕风板31可以通过焊接连接在转杆30的一端上；

光纤光栅40，所述光纤光栅40连接在止挡部111上，用于测量所述止挡部111的曲率变化，且所述光纤光栅40通过光纤70与所述解调器相耦接；也就是说，由光纤光栅40测量止挡部111的变形量，并由解调器进行解调，经计算机的解算分析可以得到矿井的风速；

其中，所述传递杆20位于所述第二腔室12的一端与所述转杆30相对设置，且当所述转杆30在矿井巷道风流作用下摆动时，所述转杆30与所述传递杆20相接触，并使所述传递杆20具有向所述第一腔室11运动的趋势。

可以理解的是，由转杆30上的捕风板31捕捉矿井巷道风流，当矿井巷道风流吹向捕风板31，使得转杆30发生转动，位于第二腔室12内的转杆30会抵压接触传递杆20的一端，使得传递杆20由第二腔室12向第一腔室11方向运动，并使得传递杆20的另一端在第一腔室11内与止挡部111相抵止，止挡部111受到传递杆20的推力会发生变形，而位于止挡部111上的光纤光栅40会测量止挡部111的曲率变化量，转化为光纤光栅40的中心波长变化，由光纤70将中心波长变化的信号传输给解调器解调并由计算机进行解算分析而获得风速的大小；该测量装置结构简单，抗电磁干扰能力强，测量准确，能够大大降低工作量。

在本发明的一个示例中，所述传递杆20包括第一传递杆21和第二传递杆22，且第一传递杆21、第二传递杆22分别配置在所述转杆30与第二腔室12枢转连接处的两侧，

当矿井巷道风流吹向第一方向时，所述转杆30向第一方向摆动，所述转杆30与所述第一传递杆21相接触，使得所述第一传递杆21具有向第一腔室11运动的趋势；

当矿井巷道风流吹向第二方向时，所述转杆30向第二方向摆动，所述转杆30与所述第二传递杆22相接触，使得所述第二传递杆22具有向第一腔室11运动的趋势；

其中，所述第一方向与所述第二方向为彼此相反的方向；

具体地，在第二腔室12内可枢转地连接转杆30，且将第一传递杆21、第二传递杆22分别配置在所述转杆30与第二腔室12枢转连接处的上下两侧，当转杆30向第一方向摆动时，所述转杆30与下端的第一传递杆21的一端相抵止，使得第一传递杆21沿着第二腔室12朝向第一腔室11的方向运动，并且第一传递杆21的另一端抵止在止挡部111上，使与第一传递杆21相对应设置的止挡部111发生变形；

与之类似地，当转杆30向第二方向摆动时，所述转杆30与上端的第二传递杆22的一端相抵止，使得第二传递杆22沿着第二腔室12朝向第一腔室11的方向运动，并且第二传递杆22的另一端抵止在止挡部111上，使与第二传递杆22相对应设置的止挡部111发生变形；

通过设置第一传递杆21和第二传递杆22可以对煤矿巷道的正反两个方向的风速进行测量，而且还可以保证该风速测量装置100的准确性。

在本发明的一个实施例中，所述壳体10内配置有隔离体13，将所述壳体10内部隔离出第一腔室11和第二腔室12，且所述隔离体13上配置有连通第一腔室11和第二腔室12的通孔131，所述传递杆20适于可滑动地配置在所述通孔131内；也就是说，隔离体13为实体结构将壳体10内部的腔室分隔形成第一腔室11和第二腔室12，而连接在第一腔室11和第二腔室12之间的传递杆20可以通过设置在隔离体13上的通孔131实现，即传递杆20可滑动地设置在通孔131内，使得传递杆20受到转杆30的推力后会在通孔131内沿着第二腔室12朝向第一腔室11的方向运动；通过设置隔离体13可以将壳体10内分离形成第一腔室11和第二腔室12，而在隔离体13上设置通孔131可以便于与传递杆20之间的连接实现转杆30与止挡部111之间传递作用力，同时又可以对传递杆20起到支撑的作用，使得传递杆20更加平稳、准确地运动。

当然本发明并不限制于此，在本发明的另一个实施例中，所述壳体10内，且位于所述第一腔室11与第二腔室12之间且沿着第一方向还间隔设有多个支架，所述多个支架中的每一个均设有套孔，所述套孔与转杆30相配合，当所述传递杆20的一端受到转杆30的作用力后，所述传递杆20沿着多个套孔由第二腔室12向所述第一腔室11方向运动，其另一端抵止在止挡部111上；其中，支架可以通过紧固件连接在第一腔室11和第二腔室12之间的壳体10上，其可以连接在壳体10的上端，此时套孔位于支架的下端，其可以连接在壳体10的下端，此时套孔位于支架的上端，多个套孔的中轴线在第一方向上处于同一条直线上，这种结构也可以实现传递杆20的连接。

当传递杆20包括第一传递杆21和第二传递杆22，在第一腔室11和第二腔室12之间设置两个支架组，其中一个支架组连接在壳体10的上端，且其沿着第一方向间隔设置，第二传递杆22适配在该支架组上的多个套孔内；其中另一个支架组连接在壳体10的下端，且沿着第一方向间隔设置，位于下端的支架组上的套孔高度第一位于上端的支架组上的套孔高度，第一传递杆21适配在该支架组上的多个套孔内。

在本发明的一个实施例中，还包括：

弹性件50，所述弹性件50的一端与所述传递杆20相连，其另一端与所述通孔131相连，使得所述传递杆20在受到所述转杆30的驱动时，所述传递杆20具有恢复初始位置的弹性力；也就是说，通过设置弹性件50可以保证传递杆20的复位，也可以防止光纤光栅40产生过大的形变量，还能够有效克服湍流、喘振而使转杆30更快达到静平衡状态；

作为优选地，所述弹性件50包括压缩弹簧、拉伸弹簧和弹片三者中的一个，这里以压缩弹簧和拉伸弹簧为例进行说明，当然弹片与之类似，这里不再赘述；

具体地，所述通孔131包括沿着第一方向一体形成的第一孔部1311和第二孔部1312，且第二孔部1312的内径尺寸大于所述第一孔部1311的内径尺寸，这样弹性件50连接在第二孔部1312内，且压缩弹簧或拉伸弹簧套设在传递杆20上；

当所述弹性件50为压缩弹簧时，所述弹性件50靠近第一腔室11的一端固定连接在通孔131内，其另一端固定连接在至少一个转杆30上，当转杆30不挤压传递杆20时，压缩弹簧处于自然状态下，所述传递杆20位于第一腔室11内的一端抵止在止挡部111上而使止挡部111不会发生变形；当转杆30受到矿井巷道风流的作用发生摆动，所述转杆30挤压传递杆20，使其由第二腔室12朝向第一腔室11运动，压缩弹簧受压变形，使传递杆20具有朝向第二腔室12方向运动的弹性力，使得转杆30不发生摆动后，传递杆20恢复初始位置；

当所述弹性件50为拉伸弹簧时，所述弹性件50靠近第二腔室12的一端固定连接在通孔131内，其另一端固定连接在至少一个转杆30上，当转杆30不挤压传递杆20时，拉伸弹簧处于自然状态下，所述传递杆20位于第一腔室11内的一端抵止在止挡部111上而使止挡部111不会发生变形；当转杆30受到矿井巷道风流的作用发生摆动，所述转杆30挤压传递杆20，使其由第二腔室12朝向第一腔室11运动，拉伸弹簧受拉变形，使传递杆20具有朝向第二腔室12方向运动的弹性力，使得转杆30不发生摆动后，传递杆20恢复初始位置。

在本发明的一个实施例中，所述第二腔室12内配置有连接梁121，所述连接梁121的一端与所述第二腔室12的侧壁相连，其另一端与所述转杆30可枢转地连接，且当所述传递杆20包括第一传递杆21和第二传递杆22时，所述连接梁121形成在第二腔室12内，使得其与转杆30相连接处位于第一传递杆21和第二传递杆22之间，例如，连接梁121为直杆状结构，可以沿第二方向形成在所述第二腔室12靠近第一腔室11的一侧；也可以沿第一方向形成在远离第一腔室11的一侧；当然连接梁121也可以形成在第二腔室12的上端或下端，此时，连接梁121包括相互垂直连接的连接部和延伸部，且所述连接部连接在第二腔室12的上端或下端。

在本发明的一个示例中，所述止挡部111由所述第一腔室11的一端向其另一端延伸，且所述传递杆20抵止在所述止挡部111远离第一腔室11内壁的一端；例如，所述止挡部111由所述第一腔室11的上端和/或下端向其下端和/或上端延伸，且所述传递杆20抵止在远离所述第一腔室11上端或下端的一端；也就是说，当所述传递杆20包括第一传递杆21和第二传递杆22，所述止挡部111分别由第一腔室11的下端和上端分别向上端和下端延伸，而且此时第一传递杆21和第二传递杆22均为等强度梁；当然止挡部111也可以形成在第一腔室11的其它位置，只是要保证止挡部111与第一传递杆21和第二传递杆22相接触的部分要与之正对设置即可。

在本发明的一个示例中，如图4所示，所述传递杆20位于所述第二腔室12的一端可滚动地连接有钢珠201，所述钢珠201与所述转杆30相对设置，当所述转杆30发生摆动时，所述钢珠201与所述转杆30相接触；通过在所述传递杆20的一端设置钢珠201，可以使传递杆20与转杆30相接触时，减小接触面积，从而减小摩擦力，使得该测量装置测量更加准确。

优选地，所述转杆30上与所述传递杆20相对的一侧设有沿着其长度方向延伸的滑槽301，所述钢珠201适配在所述滑槽301内，其中，所述滑槽301的长度不小于所述传递杆20的移动量；通过设置滑槽301，可以对转杆30的移动起到限定作用，使得转动在转动时被限定在滑槽301内，这样可以避免光纤光栅40产生过大的形变量。

优选地，光纤光栅40通过光纤70与光纤耦合器80的一端相耦接，即通过光纤耦合器80将光纤光栅40集合成光纤束，所述光纤耦合器80另一端通过尾纤与解调器相耦接，所述解调器通过光纤与计算机相耦接；在所述壳体10上设有螺栓紧固件90，所述光纤耦合器80适配在所述螺栓紧固件90中，即在螺栓紧固件90内设有贯穿其长度方向的适配孔，所述光纤耦合器80适配在所述适配孔内，为了对光纤耦合器80进行保护，在光纤耦合器80配合在适配孔内的部分套设保护套91；在壳体上设有多个挂耳60，以便于移动风速测量装置。

值得说明的是，通过将该风速测量装置100在矿井中关键通风位置的布置，如运输大巷、回风大巷、采区石门、采煤工作面两巷、回风石门、掘进工作面巷道、主要行人斜巷及各个风门处；在光纤光栅传感器的网络特性的基础上，将各个位置的光纤光栅传感器统调如同一通信网络中，在计算机上构建井下实时通风状态检测系统；根据实时通风状态检测系统中提供的风速及风量信息，借助计算机上预安装的分析处理软件，可以针对矿井通风优化工作、矿井通风安全预警及矿井灾害救援工作等方面提供辅助功能。更进一步地，在计算机接入网络服务器后，系统中的检测信息可以上传至相关安全检测部门，实现全天在线实时远程检测。

根据本发明的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置100，其工作原理如下：由转杆30上的捕风板31捕捉矿井巷道风流，当矿井巷道风流由第一方向吹向捕风板31，使得转杆30向第一方向发生转动，位于第二腔室12内的转杆30会抵压接触第一传递杆21的一端，使得第一传递杆21由第二腔室12向第一腔室11方向运动，在此过程中弹性件50发生变形，使第一传递杆21具有朝向第二腔室12方向运动的弹性力，第一传递杆21的另一端在第一腔室11内与止挡部111相抵止，止挡部111受到传递杆20的推力会发生变形，而位于止挡部111上的光纤光栅40会测量止挡部111的曲率变化量，转化为光纤光栅40的中心波长变化，由光纤70将中心波长变化的信号传输给解调器解调并由计算机进行解算分析而获得风速的大小；在没有矿井巷道风流时，转杆30不发生摆动后，第一传递杆21在弹性力作用下恢复初始位置；当矿井巷道风流由第二方向吹向捕风板31，使得转杆30向第二方向发生转动，位于第二腔室12内的转杆30会抵压接触第二传递杆22的一端，使得第二传递杆22由第二腔室12向第一腔室11方向运动，在此过程中弹性件50发生变形，使第二传递杆22具有朝向第二腔室12方向运动的弹性力，第二传递杆22的另一端在第一腔室11内与止挡部111相抵止，止挡部111受到第二传递杆22的推力会发生变形，而位于止挡部111上的光纤光栅40会测量止挡部111的曲率变化量，转化为光纤光栅40的中心波长变化，由光纤70将中心波长变化的信号传输给解调器解调并由计算机进行解算分析而获得风速的大小；在没有矿井巷道风流时，转杆30不发生摆动后，第二传递杆22在弹性力作用下恢复初始位置；得而该测量装置结构简单，抗电磁干扰能力强，测量准确，能够大大降低工作量。

根据本发明第二方面的一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置100的测量方法，包括如下步骤：首先由捕风板31捕捉矿井巷道风流，使得所述转杆30旋转一定角度，在转动过程中，转杆30通过传递杆20将其转动角度转换为止挡部111的曲率变化；然后由光纤光栅40检测止挡部111的曲率变化并相对应地输出光纤光栅40的中心波长的变化量；最后由光纤光栅40的中心波长计算得到风速。

具体推导过程如下：光纤光栅40对于曲率的感应公式为：

其中，在止挡部111两侧均设置光纤光栅40，在止挡部111发生形变时，其中一面受拉为Δλ_B1，其中另一面受压为Δλ_B2，λ_B为光纤光栅40初始波长，Pe为光纤的弹光系数；

止挡部111受到传递杆20的推力后产生曲率变化后，传递杆20的平均位移以及传递的力分别为：

其中，x为传递杆的平动位移；F为传递杆件传递的力；ρ为止挡部111的曲率；L为止挡部111的长度；k为传递杆20套用弹性件50的弹性系数，E为弹性模量；

此时假设捕风板31风阻为零，即捕风板31仅改变风流方向而不改变风流速度，具体分析传递杆20在该测量装置中的受力情况，如图5所示，可以得到风压作用力与转杆30之间的夹角θ_P的表达式为：

其中，θ_P风压作用力与转杆30之间夹角；θ为转杆30的转动角度；

对于转杆30上有受力平衡如下：

其中，θ_up为风压作用力与第二传递杆22之间的夹角；θ_dw为风压作用力与第一传递杆21之间的夹角；l为转杆30与连接梁121连接处以下部分长度，m为捕风板31长，n为捕风板31的宽；F_up为第二传递杆22所受的风压作用力；F_dw为第一传递杆21所受的风压作用力；第二传递杆22件接触点距离连接梁121为α；第一传递杆21件接触点距离连接梁121为β；

其中转杆30的转动角度θ_up(θ_dw)计算公式如下：

则可以得到第二传递杆22对应的止挡部111上的光纤光栅40测量的风压作用力计算公式如下：

第一传递杆21对应的止挡部111上的光纤光栅40测量的风压作用力计算公式如下：

通过流体力学动量方程可知：

则得到风速的公式：

在设置测点时，可以根据已记录测点巷道截面面积A可以得知巷道风量Q为：

Q＝v·A

至此可以建立风压作用力、风速和风量与光纤光栅40中心波长变化量之间的关系。

该测量方法具有安全可靠，灵敏度高，测量精准等优点。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

本领域技术人员可以理解的是，上文中描述的本发明的多个实施例中的各个特征可以相应地省去、添加或者以任意方式组合。并且，本领域技术人员能够想到的简单变换方式以及对现有技术做出适应性和功能性的结构变换的方案，都属于本发明的保护范围。

虽然已经参考各种实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解的是，可以在其中做出形式和细节上的各种改变，而不背离由随附的权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，其特征在于，包括：

壳体(10)，所述壳体(10)内部具有第一腔室(11)和第二腔室(12)，且所述第一腔室(11)内形成有止挡部(111)；

至少一个传递杆(20)，所述传递杆(20)可活动地连接在所述壳体(10)中，传递杆(20)的两端分别延伸至第一腔室(11)和第二腔室(12)内，且位于所述第一腔室(11)内的所述传递杆(20)的一端抵止在止挡部(111)上；

转杆(30)，所述转杆(30)的一端可枢转地连接在所述第二腔室(12)内，所述转杆(30)的另一端上配置有捕风板(31)，且所述捕风板(31)正对矿井巷道风流流动方向；

光纤光栅(40)，所述光纤光栅(40)连接在止挡部(111)上，用于测量所述止挡部(111)的曲率变化，且所述光纤光栅(40)通过光纤(70)与解调器相耦接；

其中，当所述转杆(30)在矿井巷道风流作用下摆动时，所述转杆(30)与所述传递杆(20)相接触，并使所述传递杆(20)具有向所述第一腔室(11)运动的趋势。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，其特征在于，所述传递杆(20)包括第一传递杆(21)和第二传递杆(22)，且第一传递杆(21)、第二传递杆(22)分别配置在所述转杆(30)与第二腔室(12)枢转连接处的两侧，

当矿井巷道风流吹向第一方向时，所述转杆(30)向第一方向摆动，所述转杆(30)与所述第一传递杆(21)相接触，使得所述第一传递杆(21)具有向第一腔室(11)运动的趋势；

当矿井巷道风流吹向第二方向时，所述转杆(30)向第二方向摆动，所述转杆(30)与所述第二传递杆(22)相接触，使得所述第二传递杆(22)具有向第一腔室(11)运动的趋势。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，其特征在于，所述壳体(10)内配置有隔离体(13)，将所述壳体(10)内部隔离出第一腔室(11)和第二腔室(12)，且所述隔离体(13)上配置有连通第一腔室(11)和第二腔室(12)的通孔(131)，所述传递杆(20)适于可滑动地配置在所述通孔(131)内。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，其特征在于，还包括：

弹性件(50)，所述弹性件(50)的一端与所述传递杆(20)相连，其另一端与所述通孔(131)相连，使得所述传递杆(20)在受到所述转杆(30)的驱动时，所述传递杆(20)具有恢复初始位置的弹性力。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，其特征在于，所述弹性件(50)包括压缩弹簧、拉伸弹簧和弹片三者中的一个。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，其特征在于，所述第二腔室(12)内配置有连接梁(121)，所述连接梁(121)的一端与所述第二腔室(12)的侧壁相连，其另一端与所述转杆(30)可枢转地连接。

7.根据权利要求4所述的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，其特征在于，所述止挡部(111)由所述第一腔室(11)的一端向其另一端延伸，且所述传递杆(20)抵止在所述止挡部(111)远离第一腔室(11)内壁的一端。

8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，其特征在于，所述转杆(30)位于所述第二腔室(12)的一端可滚动地连接有钢珠(201)，所述钢珠(201)与所述转杆(30)相对设置，当所述转杆(30)发生摆动时，所述钢珠(201)与所述转杆(30)相接触。

9.根据权利要求8所述的基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置，其特征在于，所述转杆(30)上与所述传递杆(20)相对的一侧设有沿着其长度方向延伸的滑槽(301)，所述钢珠(201)适配在所述滑槽(301)内，其中，所述滑槽(301)的长度不小于所述传递杆(20)的移动量。

10.一种基于光纤光栅的煤矿巷道风速测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：首先由捕风板(31)捕捉矿井巷道风流，使得所述转杆(30)旋转一定角度，在转动过程中，转杆(30)通过传递杆(20)将其转动角度转换为止挡部(111)的曲率变化；然后由光纤光栅(40)检测止挡部(111)的曲率变化并相对应地输出光纤光栅(40)的中心波长的变化量；最后由光纤光栅(40)的中心波长计算得到风速。

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