CN111457864B - 一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置及方法，该装置包括光学系统和机械系统两部分，光学系统包括宽带光源、起偏器、准直透镜、渐变旋光率介质板、偏振分束器和数据处理模块；机械系统包括连接座、连杆、滑块、支架和传感器壳体等。当采煤机工作时，摇臂通过连杆机构把转动角度信息变为渐变折射率的直线位移，光学系统产生的线偏振光在渐变旋光率介质板上穿透的位置也发生变化，由于旋光效应，相应通过渐变旋光率介质板得到的偏振面旋转角度也不同，根据检测到的偏振光的相位角，可得到摇臂的摆动角度。具有结构简单、抗电磁干扰能力强、精度高、本征隔爆等优点。

Description

一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置及方法

技术领域

本发明属于煤矿矿山机械技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置及方法。

背景技术

采煤机是综采工作面的关键设备之一，是实现高效集约化采煤和改善工作面劳动条件的重要技术装备。采煤机的自动化控制已成为实现整个工作面自动化控制的关键，其根本原因是实现采煤机自动控制的瓶颈技术——滚筒自动调高及其相关关键技术，至今仍然没有非常完善的解决方案。

目前主流的采煤机自动调高方式主要有两种：一是通过测量摇臂摆动角度得到的数据通过液压控制系统调高；二是通过位移传感器直接测量滚筒高度，从而实现调高的精确控制。

已经公开的中国发明专利(申请号为201910200848.1)报道了一种采煤机摇臂角度检测传感器及检测方法，该传感器包括底座、底座顶盖和摇杆等结构，将传感器底座安装在摇臂连接的机身销轴位置处，摇杆通过连接在摇臂上，当摇臂绕销轴转动时，摇杆绕安装底座上的旋转轴同步摆动，旋转轴上安装有圆形磁钢，随旋转轴转动时会产生旋转磁场，然后通过安装在底座顶盖上的基于巨磁阻效应的角度传感器和电路结构，就可以得到摇臂的摆动角度。然而，这种方法存在一定不足之处：一是安装传感器时，需要传感器的旋转轴和摇臂上的销轴中心需要精确对中，如果对准有一定误差，当摇杆随摇臂摆动时，旋转轴上的角接触球轴承将产生很大的应力，极易破坏传感器；二是传感器采用电路结构，在煤矿下运行时，需要考虑防爆隔爆；三是该传感器的底座顶盖的侧壁上开设有供摇杆穿过并在采煤机摇臂的带动下在其中运动的120°的扇形槽，因此在煤矿恶劣的环境下工作时，粉尘极易进入传感器内部，影响轴承等机构的润滑，降低传感器寿命。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置及方法。具有抗电磁干扰能力强、本征隔爆、精度高，可实现采煤机摇臂角度的测量。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，该装置包括光学系统和机械系统两部分，光学系统包括宽带光源(1)、起偏器(2)、第一准直透镜(3)、渐变旋光率介质板(4)、第二准直透镜(5)、偏振分束器(6)、数据处理模块(7)；机械系统包括连接座(8)、第一连杆(9)、第二连杆(10)、滑块(11)、支架(12)和传感器壳体(13)；

宽带光源(1)通过单模光纤与起偏器(2)相连；起偏器(2)通过旋转高双折射光子晶体光纤与准直透镜(3)相连；第一准直透镜(3)和第二准直透镜(5)的中轴线在同一直线上且通过刚性连接杆固定在滑块(11)上；滑块(11)与支架(12)通过支架(12)上的直线滑槽配合，支架(12)固定在传感器壳体(13)内部；

渐变旋光率介质板(4)固定在传感器壳体(13)上，并位于第一准直透镜(3)和第二准直透镜(5)的中间位置；第二准直透镜(5)通过旋转高双折射光子晶体光纤与偏振分束器(6)相连；偏振分束器(6)通过单模光纤与数据处理模块(7)相连；

第一连杆(9)一端通过铰链与连接座(8)连接，且第一连杆(9)与连接座之间通过铰链可相对转动；第一连杆(9)的另一端通过铰链与第二连杆(10)相连，且第一连杆(9)与第二连杆(10)之间通过铰链可相对转动；第二连杆(10)的另一端与滑块(11)固定连接，且第二连杆(10)与支架(12)的长度方向平行。

进一步的，所述宽带光源(1)需要防爆处理。

进一步的，所述渐变旋光率介质板(4)呈细长条状，沿长度方向折射率渐变，且具有旋光性，渐变旋光率介质板(4)沿长度方向上的旋光率与长度方向上位置成线性关系：α＝kx，其中，α为渐变旋光率介质板(4)在长度方向上某一位置的旋光率，x为渐变旋光率介质板(4)上的某一位置到右端的距离，k为常数。

进一步的，所述偏振分束器(6)的尾纤为保偏光纤。

进一步的，所述数据处理模块(7)由光电探测器、数据处理芯片及显示器组成，用于通过光功率解算得到偏振光的相位角度，并通过显示器显示。

进一步的，所述第二连杆(10)的长度大于渐变旋光率介质板(4)的长度。

进一步的，所述滑块(11)与支架(12)的滑槽的配合采用脂润滑方式。

本发明提出一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测方法，该方法包括以下步骤：

A：将装置的连接座(8)通过螺栓固定连接到采煤机的摇臂(14)上，将将传感器壳体(13)通过螺栓固定连接到采煤机的机身上，并保证销轴(15)与第二连杆(10)的偏心距为0，将滑块(11)置于支架(12)的滑槽的最右端初始位置；

B：打开宽带光源(1)的开关，宽带光源(1)的输出光通过单模光纤进入起偏器(2)，在起偏器(2)中形成线偏振光；从起偏器(2)输出的线偏振光通过旋转高双折射光子晶体光纤进入到第一准直透镜(3)；第一准直透镜(3)输出的线偏振光通过渐变旋光率介质板(4)后到达第二准直透镜(5)，由于旋光效应，在通过渐变旋转率介质板的过程中线偏振光的偏振面产生了一个旋转角；第二准直透镜(5)输出的线偏振光通过旋转高双折射光子晶体光纤进入到偏振分束器(6)；偏振分束器(6)将线偏振光分成沿正交方向的两个光分量，通过单模光纤输入到信号处理模块(7)；信号处理模块(7)将分析光信号得到线偏振光的相位角，相位角

其中：x为渐变旋光率介质板(4)上的某一位置到右端的距离，d为渐变旋光率介质板的厚度，k为常数；

C：采煤机的摇臂通过销轴连接在采煤机的牵引箱上，当采煤机工作时，采煤机上的摇臂(14)以销轴(15)为旋转轴摆动进行采煤，在摇臂(14)抬起摆动过程中滑块(11)相对渐变旋光率介质板(4)沿直线向左运动，当采煤机的摇臂(14)从位置14a绕销轴(15)转动到位置14b时，此时摇臂(14)转过的角度为Δα，同时第一连杆(9)从位置9a变为位置9b，第二连杆(10)从位置10a移动到位置10b，由于第二连杆(10)与滑块(11)固定连接，因此滑块(11)从位置11a移动到位置11b，此时滑块(11)的位移量为x，

滑块(11)的位移x与摇臂(14)的摆动角Δα之间的关系为：

其中，x为滑块(11)的位置到支架(12)的滑槽右端初始位置的距离；l₁为第一连杆(9)的长度；l₂为连接座(8)在摇臂(14)上的位置中心点到销轴(15)的距离；α₀为摇臂(14)的初始位置的中轴线所在直线的方向向量与第二连杆(10)长度方向所在直线的方向向量的夹角；Δα为摇臂(14)的摆动角度，顺时针为正，逆时针为负；

D：第一准直透镜(3)和第二准直透镜(5)随着滑块(11)在沿第二连杆(10)长度方向沿直线运动，第一准直透镜(3)输出的线偏振光通过渐变折射率介质板(4)的位置也随之变化，通过渐变折射率介质板后线偏振光的偏振面旋转角也随之变化，因此滑块(12)在不同位置时的信号处理模块(7)得到的相位角

与摇臂(15)的摆动角度Δα函数关系为：

因此相位角

与摆动角度Δα成一一对应关系，即通过得到的线偏振光的相位角可以确定摇臂的摆动角度。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置及方法，利用曲柄滑块机构将摇臂的摆动转变为滑块的移动，同时利用线偏振光通过渐变折射率介质位置的不同测量位移这一巧妙构思，通过使用光纤传感技术测量移动位移实现了摇臂转角的检测。本发明具有抗电磁干扰能力强、结构简单、测量精度高、本征隔爆等优点。

附图说明

图1是本发明的原理及整体示意图；

图2是机械部分运动原理图；

图中：1、宽带光源，2、起偏器，3、第一准直透镜，4、渐变折射率介质板，5、第二准直透镜，6、偏振分束器，7、信号处理模块，8、连接座，9、第一连杆，10、第二连杆，11、滑块，12、支架，13、传感器壳体，14、摇臂，15、销轴。

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作进一步的说明。

本发明实施例的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，按照图1和图2所示，该装置包括光学系统和机械系统两部分，光学系统包括宽带光源1、起偏器2、第一准直透镜3、渐变旋光率介质板4、第二准直透镜5、偏振分束器6、数据处理模块7；机械系统包括连接座8、第一连杆9、第二连杆10、滑块11、支架12和传感器壳体13；

宽带光源1通过单模光纤与起偏器2相连；起偏器2通过旋转高双折射光子晶体光纤与准直透镜3相连；第一准直透镜3和第二准直透镜5的中轴线在同一直线上且通过刚性连接杆固定在滑块11上；滑块11与支架12通过支架12上的直线滑槽配合，支架12固定在传感器壳体13内部；

渐变旋光率介质板4固定在传感器壳体13上，并位于第一准直透镜3和第二准直透镜5的中间位置；第二准直透镜5通过旋转高双折射光子晶体光纤与偏振分束器6相连；偏振分束器6通过单模光纤与数据处理模块7相连；

第一连杆9一端通过铰链与连接座8连接，且第一连杆9与连接座之间通过铰链可相对转动；第一连杆9的另一端通过铰链与第二连杆10相连，且第一连杆9与第二连杆10之间通过铰链可相对转动；第二连杆10的另一端与滑块11固定连接，且第二连杆10与支架12的长度方向平行。

所述宽带光源1需要防爆处理。

所述渐变旋光率介质板4呈细长条状，沿长度方向折射率渐变，且具有旋光性，渐变旋光率介质板4沿长度方向上的旋光率与长度方向上位置成线性关系：α＝kx，其中，α为渐变旋光率介质板4在长度方向上某一位置的旋光率，x为渐变旋光率介质板4上的某一位置到右端的距离，k为常数。

所述偏振分束器6的尾纤为保偏光纤。

所述数据处理模块7由光电探测器、数据处理芯片及显示器组成，用于通过光功率解算得到偏振光的相位角度，并通过显示器显示。

所述第二连杆10的长度大于渐变旋光率介质板4的长度。

所述滑块11与支架12的滑槽的配合采用脂润滑方式。

本发明提出一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测方法，该方法包括以下步骤：

A：将装置的连接座8通过螺栓固定连接到采煤机的摇臂14上，将将传感器壳体13通过螺栓固定连接到采煤机的机身上，并保证销轴(15)与第二连杆(10)的偏心距为0，将滑块11置于支架12的滑槽的最右端初始位置；

B：打开宽带光源1的开关，宽带光源1的输出光通过单模光纤进入起偏器2，在起偏器2中形成线偏振光；从起偏器2输出的线偏振光通过旋转高双折射光子晶体光纤进入到第一准直透镜3；第一准直透镜3输出的线偏振光通过渐变旋光率介质板4后到达第二准直透镜5，由于旋光效应，在通过渐变旋转率介质板的过程中线偏振光的偏振面产生了一个旋转角；第二准直透镜5输出的线偏振光通过旋转高双折射光子晶体光纤进入到偏振分束器6；偏振分束器6将线偏振光分成沿正交方向的两个光分量，通过单模光纤输入到信号处理模块7；信号处理模块7将分析光信号得到线偏振光的相位角，相位角

其中：x为渐变旋光率介质板4上的某一位置到右端的距离，d为渐变旋光率介质板的厚度，k为常数；

C：采煤机的摇臂通过销轴连接在采煤机的牵引箱上，采煤机工作时，采煤机上的摇臂14以销轴15为旋转轴摆动进行采煤，在摇臂14抬起摆动过程中滑块11相对渐变旋光率介质板4沿直线向左运动，当采煤机的摇臂(14)从位置14a绕销轴(15)转动到位置14b时，此时摇臂(14)转过的角度为Δα，同时第一连杆(9)从位置9a变为位置9b，第二连杆(10)从位置10a移动到位置10b，由于第二连杆(10)与滑块(11)固定连接，因此滑块(11)从位置11a移动到位置11b，此时滑块(11)的位移量为x，滑块11的位移x与摇臂14的摆动角Δα之间的关系为：

其中，x为滑块11的位置到支架12的滑槽右端初始位置的距离；l₁为第一连杆9的长度；l₂为连接座8在摇臂14上的位置中心点到销轴15的距离；α₀为摇臂14的初始位置的中轴线所在直线的方向向量与第二连杆(10)长度方向所在直线的方向向量的夹角；Δα为摇臂14的摆动角度，顺时针为正，逆时针为负；

D：第一准直透镜3和第二准直透镜5随着滑块11在沿第二连杆10长度方向沿直线运动，第一准直透镜3输出的线偏振光通过渐变折射率介质板4的位置也随之变化，通过渐变折射率介质板后线偏振光的偏振面旋转角也随之变化，因此滑块12在不同位置时的信号处理模块7得到的相位角

与摇臂15的摆动角度Δα函数关系为：

因此相位角

与摆动角度Δα成一一对应关系，即通过得到的线偏振光的相位角可以确定摇臂的摆动角度。

以上所述，仅是本发明的优选实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围；凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改或同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，其特征在于，该装置包括光学系统和机械系统两部分，光学系统包括宽带光源(1)、起偏器(2)、第一准直透镜(3)、渐变旋光率介质板(4)、第二准直透镜(5)、偏振分束器(6)、数据处理模块(7)；机械系统包括连接座(8)、第一连杆(9)、第二连杆(10)、滑块(11)、支架(12)和传感器壳体(13)；

所述宽带光源(1)通过单模光纤与起偏器(2)相连；起偏器(2)通过旋转高双折射光子晶体光纤与准直透镜(3)相连；第一准直透镜(3)和第二准直透镜(5)的中轴线在同一直线上且都固定在滑块(11)上；并且，滑块(11)位于支架(12)上，可以在支架(12)上滑动，所述支架(12)固定在传感器壳体(13)内部；

渐变旋光率介质板(4)固定在传感器壳体(13)内部，并位于第一准直透镜(3)和第二准直透镜(5)的中间位置；第二准直透镜(5)通过旋转高双折射光子晶体光纤与偏振分束器(6)相连；偏振分束器(6)通过单模光纤与数据处理模块(7)相连；

第一连杆(9)一端通过铰链与连接座(8)连接，且第一连杆(9)与连接座之间通过铰链可相对转动；第一连杆(9)的另一端通过铰链与第二连杆(10)相连，且第一连杆(9)与第二连杆(10)之间通过铰链可相对转动；第二连杆(10)的另一端与滑块(11)固定连接，且第二连杆(10)与支架(12)的长度方向平行。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，其特征在于，所述滑块(11)与支架(12)通过支架(12)上的直线滑槽连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，其特征在于，所述宽带光源(1)需要防爆处理。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，其特征在于，所述渐变旋光率介质板(4)沿长度方向折射率渐变，且具有旋光性，渐变旋光率介质板(4)沿长度方向上的旋光率与长度方向上位置成线性关系：α＝kx，其中，α为渐变旋光率介质板(4)在长度方向上某一位置的旋光率，x为渐变旋光率介质板(4)上的某一位置到右端的距离，k为常数。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，其特征在于，所述偏振分束器(6)的尾纤为保偏光纤。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，其特征在于，所述数据处理模块(7)由光电探测器、数据处理芯片及显示器组成，用于通过光功率解算得到偏振光的相位角度，并通过显示器显示。

7.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，其特征在于，所述第二连杆(10)的长度大于渐变旋光率介质板(4)的长度。

8.根据权利要求2所述的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测装置，其特征在于，所述滑块(11)与支架(12)的滑槽的配合采用脂润滑方式。

9.根据权利要求1-8任一项所述的装置实现的一种基于光纤传感的采煤机摇臂角度检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A：将装置的连接座(8)通过螺栓固定连接到采煤机的摇臂(14)上，将传感器壳体(13)通过螺栓固定连接到采煤机的机身上，并保证销轴(15)与第二连杆(10)的偏心距为0，将滑块(11)置于支架(12)的滑槽的最右端初始位置；

B：将宽带光源(1)的输出光通过单模光纤进入起偏器(2)，在起偏器(2)中形成线偏振光；从起偏器(2)输出的线偏振光通过旋转高双折射光子晶体光纤进入到第一准直透镜(3)；第一准直透镜(3)输出的线偏振光通过渐变旋光率介质板(4)后到达第二准直透镜(5)，在通过渐变旋转率介质板的过程中线偏振光的偏振面产生了一个旋转角；第二准直透镜(5)输出的线偏振光通过旋转高双折射光子晶体光纤进入到偏振分束器(6)；偏振分束器(6)将线偏振光分成沿正交方向的两个光分量，通过单模光纤输入到信号处理模块(7)；信号处理模块(7)分析光信号得到线偏振光的相位角，相位角

其中：x为渐变旋光率介质板(4)上的某一位置到右端的距离，d为渐变旋光率介质板的厚度，k为常数；

C：采煤机的摇臂通过销轴连接在采煤机的牵引箱上，当采煤机工作时，采煤机上的摇臂(14)以销轴(15)为旋转轴摆动进行采煤，在摇臂(14)抬起摆动过程中滑块(11)相对渐变旋光率介质板(4)沿直线向左运动，设采煤机的摇臂(14)转过的角度为Δα，此时滑块(11)的位移量为x，滑块(11)的位移x与摇臂(14)的摆动角Δα之间的关系为：

其中，x为滑块(11)的位置到支架(12)的滑槽右端初始位置的距离；l₁为第一连杆(9)的长度；l₂为连接座(8)在摇臂(14)上的位置中心点到销轴(15)的距离；α₀为摇臂(14)的初始位置的中轴线所在直线的方向向量与第二连杆(10)长度方向所在直线的方向向量的夹角；Δα为摇臂(14)的摆动角度，顺时针为正，逆时针为负；

D：第一准直透镜(3)和第二准直透镜(5)随着滑块(11)在沿第二连杆(10)长度方向沿直线运动，第一准直透镜(3)输出的线偏振光通过渐变折射率介质板(4)的位置也随之变化，通过渐变折射率介质板后线偏振光的偏振面旋转角也随之变化，滑块(12)在不同位置时的信号处理模块(7)得到的相位角

与摇臂(15)的摆动角度Δα函数关系为：

因此相位角

与摆动角度Δα成一一对应关系，即通过得到的线偏振光的相位角可以确定摇臂的摆动角度。

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