CN111811434A - 曲率感知组件、曲率感知组件的安装方法以及感知系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲率感知组件、曲率感知组件的安装方法以及感知系统，其中，曲率感知组件应用于刮板机，包括：设置于所述刮板机上的电缆槽；柔性基材，沿着所述电缆槽的延伸方向布置；至少两个光纤光栅串，所述至少两个光纤光栅串与所述柔性基材相连接，并沿着所述柔性基材的延伸方向延伸，其中，所述至少两个光纤光栅串中相邻的两个光纤光栅串呈90度夹角。该曲率感知组件灵敏度高、结构简单，制造方便；该安装方法安装方便；该感知系统现实时监测刮板输送机的直线度，能够保证综采工作面的安全和正常生产。

Description

曲率感知组件、曲率感知组件的安装方法以及感知系统

技术领域

本发明涉及矿山机械设备领域，尤其涉及一种用于矿山刮板机的曲率感知组件、曲率感知组件的安装方法以及感知系统。

背景技术

煤炭高效智能开采具有减人、增效、促安等多重效益，是煤炭工业技术创新的重要方向，也是煤炭工业转型升级发展的必然要求。近年来，我国在煤炭智能化开发领域加大政策扶持、资金支持和科技创新的力度，煤炭智能化开发技术得以起步并不断取得突破。但是，当前我国煤炭智能化开发水平整体上仍处于初步阶段，煤炭开发技术装备在可靠性、稳定性、自动化和智能化等方面仍无法完全满足煤炭企业现场需求和煤炭工业转型升级发展的要求，仍存在大量的关键技术问题需要解决。

刮板输送机作为煤矿综采面众多设备中一个重要组成部分，不但承担着煤炭装载、运输的重要任务，还为采煤机提供运行轨道。对刮板输送机直线度的精准感知与控制，不仅关系着采煤机的运行轨迹、截割滚筒高度和截深的实时调整及采煤机对煤壁的直线切割，还关系着液压支架推溜的精确控制及液压支架直线度控制，影响着综采工作面的安全和正常生产。因此，如何保障工作面刮板输送机轨道的直线度，成为了实现智能化、无人化工作面的关键科学问题。

本发明内容

本发明旨在解决上述现有技术存在的问题之一，本发明一个目的在于提出一种曲率感知组件，该曲率感知组件可以实现实时监测刮板输送机的直线度，能够保证综采工作面的安全和正常生产，而且感应的灵敏度高、抗干扰能力强、环境适应性强。

为了实现上述目的，根据本发明第一方面的一种曲率感知组件，应用于刮板机，包括：设置于所述刮板机上的电缆槽；柔性基材，沿着所述电缆槽的延伸方向布置；至少两个光纤光栅串，所述至少两个光纤光栅串与所述柔性基材相连接，并沿着所述柔性基材的延伸方向延伸，其中，所述至少两个光纤光栅串中相邻的两个光纤光栅串呈90度夹角。

在该技术方案中，在刮板输送机上设置电缆槽，一旦刮板输送机发送变形，位于电缆槽内的柔性基材会与之同步变形，从而位于柔性基材上的至少两个光纤光栅串能够感知柔性基材的曲率变化，即实现实时监测刮板输送机的直线度，以保证综采工作面的安全和正常生产，而且该曲率感知组件感应的灵敏度高、结构简单，制造方便。

在本发明的一个示例中，沿着所述柔性基材延伸方向的外轮廓面上设有凹槽，所述光纤光栅串配置在所述凹槽内。

在本发明的一个示例中，所述柔性基材为管状结构，所述凹槽包括至少两个，且所述至少两个凹槽以所述柔性基材的中心轴线为中心均匀布置，其中，所述至少两个凹槽中，相邻两个凹槽之间的夹角为90度。

在本发明的一个示例中，所述凹槽由所述柔性基材的轮廓面向其中心轴线处延伸，且所述凹槽在柔性基材的径向横截面表现为：

所述凹槽的轮廓跨度由靠近所述柔性基材外轮廓面向背离所述柔性基材的外轮廓面方向逐渐减小。

在本发明的一个示例中，还包括粘性胶，其填充于所述凹槽与所述光纤光栅串之间形成的缝隙处。

在本发明的一个示例中，所述光纤光栅串包括多个光纤光栅，且相邻两个光纤光栅的间隔相等。

在本发明的一个示例中，所述柔性基材包括橡胶管件。

本发明的另一个目的在于提出一种曲率感知组件的安装方法，

为了实现上述目的，根据本发明第二方面的一种曲率感知组件的安装方法，包括如下步骤：

S10：沿着柔性基材的延伸方向切割形成凹槽；

S20：使用粘结剂将所述光纤光栅串沿着所述凹槽的延伸方向粘结固定；

S30：将粘性胶填充至所述凹槽与所述光纤光栅串之间形成的缝隙处并自然晾干；

S40：使用胶带沿凹槽粘贴在柔性基材的外壁上固定。

在该技术方案中，通过上述方法，可以在刮板输送机上安装形成曲率感知组件，该方法安装方便，精度高，安全可靠。

本发明的再一个目的在于提出一种曲率感知系统，

为了实现上述目的，根据本发明第三方面的一种曲率感知系统，包括：曲率感知组件、光纤光栅静态解调仪和用于处理所述曲率感知组件获得的检测数据的地面数据处理子系统，所述曲率感知组件与所述光纤光栅静态解调仪相耦接，所述光纤光栅静态解调仪与所述地面数据处理子系统相耦接。

该感知系统能够实时监测刮板输送机的直线度，可靠性高、稳定性强、自动化和智能化高，以保证综采工作面的安全和正常生产，而且感应的灵敏度高、抗干扰能力强、环境适应性强、结构简单，制造方便。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。

附图说明

图1为根据本发明实施例的曲率感知组件横截面的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的曲率感知组件的连接结构示意图；

图3为根据本发明实施例的曲率感知系统的连接图；

图4为根据本发明实施例的曲率感知系统的结构示意图。

附图标记：

曲率感知组件100；

柔性基材10；

外轮廓面101；

凹槽102；

光纤光栅串20；

光纤光栅201；

粘性胶30；

曲率感知系统200；

电缆槽1；

光纤光栅静态解调仪2；

地面数据处理子系统3；

服务器31；

打印机32；

供电电源33；

客户端电脑34；

接线盒4；

接头5；

矿用多芯电缆6；

顺槽控制站7；

液压支架8。

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。

对本领域技术人员显而易见的是，提供对本发明的各种实施例的下列描述，仅是为了解释的目的，而不是为了限制由随附的权利要求所限定的本发明。

贯穿本申请文件的说明书和权利要求，词语“包括”和“包含”以及词语的变型，例如“包括有”和“包括”意味着“包含但不限于”，而不意在(且不会)排除其他部件、整体或步骤。

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。

应当理解的是，单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数的指代，除非上下文明确地另有其他规定。在本发明中所使用的表述“包含”和/或“可以包含”意在表示相对应的功能、操作或元件的存在，而非意在限制一个或多个功能、操作和/或元件的存在。此外，在本发明中，术语“包含”和/或“具有”意在表示申请文件中公开的特性、数量、操作、元件和部件，或它们的组合的存在。因此，术语“包含”和/或“具有”应当被理解为，存在一个或多个其他特性、数量、操作、元件和部件、或它们的组合的额外的可能性。

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。

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曲率感知组件100，应用于刮板机，如图1和图2所示，包括：

设置于所述刮板机上的电缆槽1，通过在刮板机上设置电缆槽1可以便于安装曲率感知组件100；

柔性基材10，沿着所述电缆槽1的延伸方向布置，柔性基材10能够伴随着电缆槽1的形变而变形，从而同刮板机同步变形；

至少两个光纤光栅串20，所述至少两个光纤光栅串20与所述柔性基材10相连接，并沿着所述柔性基材10的延伸方向延伸，

其中，所述至少两个光纤光栅串20中相邻的两个光纤光栅串20呈90度夹角。

具体地，光纤光栅串20包括光纤光栅201，根据光纤光栅201工作的原理可知光纤光栅201的中心波长可表示为：

λ_B＝2n_effΛ (1)

在温度保持不变的情况下：

Δλ_B/λ_B＝(1-P_ε)×ε (2)

当传感器发生纯弯曲条件时，圆截面弹性梁的轴向应变与弯曲处曲率之间存在的关系如下：

ε＝r/ρ＝r·K (3)

其中：λ_B为光纤在直线状态下的光纤光栅201初始波长；n_eff为光纤光栅201有效折射率；Λ为光纤光栅201周期；Δλ_B为光纤光栅201波长变化量；P_ε是光纤的有效弹光系数，其值一般约为0.22；r为光纤光栅201粘贴的固定位置与中性面之间的距离；ρ为传感器弯曲处曲率半径；K为该监测点所对应的曲率。

又根据式(2)可知，当光纤传感器在轴向方向发生变化时，其轴向应变ε和光栅的中心波长改变量Δλ_B之间呈线性关系，所以曲率K也与Δλ_B呈线性相关，所以基于式(2)、式(3)能够得到曲率K与Δλ_B之间的关系：

其中定义M为光纤光栅201的有效曲率灵敏度系数，由公式可知它是一个定值，与r呈线性相关。由式(4)知：

以此就可以得到，光纤光栅201波长改变量与柔性基材10弯曲处曲率半径的关系。

本发明通过离散的空间点曲率来拟合重建刮板输送机实际三维弯曲形状。但是曲率作为一个矢量，不仅具有大小还带有方向，矢量方向主要代表了曲线平面弯曲的方向，矢量的大小主要表示曲线平面弯曲段弯曲程度。因此，如果要准确确定三维空间曲线上某一点处的曲率矢量，则需要监测出该检测点处两个正交方向上的曲率矢量的大小值，从而进行曲率合成，最终求得曲率矢量的大小值和方向。但是单独一根光栅只能监测出某一弯曲点处一个方向的曲率大小值。因此，为了测出某点处的三维空间曲率，至少需要两根光纤光栅串20来合成。为了进行两个方向曲率的有效合成，在本发明的一个研究示例中，将两根光纤光栅串20呈 90°正交布置在沿圆截面型基材轴向表面，如下图1所示。

根据图1传感器柔性基材10光纤光栅串20布置横截面示意图，当传感器基材绕MM'轴在NN'Z平面内发生曲率半径大小为ρ的平面弯曲时，图中MM'轴就是传感器中性轴，则X方向传感器表面光纤光栅串20与中性层的间隔为D_x＝r·cosβ，Y方向的传感器表面光纤光栅串20与中性层的间隔为D_y＝r·sinβ。根据式(3)，X和Y两个方向传感器内置光纤光栅串20的应变量各为：

其中：εx为X方向传感器内置光纤光栅串20的应变量；εy为Y方向传感器内置光纤光栅串20的应变量。

分别将公式(6)和公式(7)代入到公式(2)可得：

其中：Δλ_x为X方向的光纤光栅201的波长变化量；Δλ_y为Y方向的光纤光栅201的波长变化量；λ_Bx、λ_By为两个方向光纤光栅201的初始波长。

由公式(8)和公式(9)，可得：所以合成曲率与Y轴的夹角β为：

其中：β为合成曲率与Y轴的夹角

在上述公式(10)里面，λ_Bx、λ_By是定值，且Δλ_x、Δλ_y的值在传感器发生弯曲时不断发生变化，光纤光栅201波长变化量Δλ_x、Δλ_y的值能够通过光纤光栅静态解调仪2进行解调获得，于是可以求得合成曲率与Y轴的夹角β。然后将Δλ_x、Δλ_y的值分别代入到公式(8)，可以求得此时空间曲率半径的大小为：

由公式(10)和公式(11)能够得出，当在圆形截面光纤光栅类传感器表面呈90°布置光纤光栅串20时，通过柔性基材10表面光纤光栅串20光栅栅区感知该检测点处的两个正交方向曲率大小，并进一步合成求得其空间曲率。同理，将多组光纤光栅串20封装在柔性基材10表面上来感知空间曲率与上述类似。

具体地，在刮板输送机上设置电缆槽1，一旦刮板输送机发送变形，位于电缆槽1内的柔性基材10会与之同步变形，从而位于柔性基材10上的至少两个光纤光栅串20能够感知柔性基材10的曲率变化，即实现实时监测刮板输送机的直线度，以保证综采工作面的安全和正常生产，而且该曲率感知组件100感应的灵敏度高、抗干扰能力强、环境适应性强、结构简单，制造方便。

在本发明的一个示例中，沿着所述柔性基材10延伸方向的外轮廓面101上设有凹槽 102，所述光纤光栅串20配置在所述凹槽102内；

具体地，沿着柔性基材10的长度方向且位于其外轮廓面101通过切割机切割出适配所述光纤光栅串20的凹槽102，这样可以使得光纤光栅串20与柔性基材10的一体性更高，便于提高光纤光栅串20感知的准确度。

在本发明的一个示例中，所述柔性基材10为管状结构，所述凹槽102包括至少两个，且所述至少两个凹槽102以所述柔性基材10的中心轴线为中心均匀布置，其中，所述至少两个凹槽102中，相邻两个凹槽102之间的夹角为90度，这样可以便于安置所述光纤光栅串20，以便于求得柔性基材10某一点处的曲率矢量，使得曲率感知组件100 的监测准确度、可靠度更高。作为本发明的一个优选的实施例，所述柔性基材10可以为橡胶管件。

在本发明的一个示例中，所述凹槽102由所述柔性基材10的轮廓面向其中心轴线处延伸，且所述凹槽102在柔性基材10的径向横截面表现为：

所述凹槽102的轮廓跨度由靠近所述柔性基材10外轮廓面101向背离所述柔性基材10的外轮廓面101方向逐渐减小；

具体地，凹槽102的横截面可以为一倒梯形结构，即该凹槽102的顶端跨度小于其低端跨度，这样一方面可以便于安装光纤光栅串20，另一方面能够使得光纤光栅串20 在安装至凹槽102内后能够与凹槽102之间充分接触，以提高两者之间的一体性，从而提高光纤光栅串20感知的灵敏度、准确度。

在本发明的一个示例中，还包括粘性胶30，其填充于所述凹槽102与所述光纤光栅串20之间形成的缝隙处，也就是说，通过在凹槽102内填充粘性胶30，可以将光纤光栅串20更好地固定在凹槽102内，以使得柔性基材10与光纤光栅串20之间的一体性更高，从而提高光纤光栅串20的感知可靠性。可选地，粘性胶30可以为硅胶；当然需要指出的是，粘性胶30在填充后需要将粘性胶30进行晾晒，以凝固粘性胶30。

在本发明的一个示例中，所述光纤光栅串20包括多个光纤光栅201，且相邻两个光纤光栅201的间隔相等，这样可以提高光纤光栅串20的测量精度；作为一个具体地实施例，每个光纤光栅串20包括10个光纤光栅201，且相邻两个光纤光栅201之间的间隔为50cm。

本发明的另一个目的在于提出一种曲率感知组件100的安装方法，

为了实现上述目的，根据本发明第二方面的一种曲率感知组件100的安装方法，包括如下步骤：

S10：沿着柔性基材10的延伸方向切割形成凹槽102；具体地，采用切割机在柔性基材10的外壁表面正交方向上沿两条直线切割宽2mm，深2.5mm的凹槽(102)；

S20：使用粘结剂将所述光纤光栅串20沿着所述凹槽102的延伸方向粘结固定；

S30：将粘性胶30填充至所述凹槽102与所述光纤光栅串20之间形成的缝隙处并自然晾干；例如,可以采用502胶将光纤光栅串20粘贴在柔性基材10的凹槽102内，其中光纤光栅串20采用10点串光纤光栅串，为尽可能提高测量精度，光栅间隔设置为50cm。需要注意的是，粘性胶30可以为硅胶，将硅胶填充到凹槽102并自然晾干24小时以保护光纤光栅串20。

S40：使用胶带沿凹槽102粘贴在柔性基材10的外壁上固定。例如，利用胶带沿凹槽(19) 粘贴在柔性基材(6)的外壁上，在光纤光栅串20与接线盒4相耦接的一端连接FC/APC接头5，完成传感器的设计与封装。

通过上述方法，可以在刮板输送机上安装形成曲率感知组件100，该方法安装方便，精度高，安全可靠。

本发明的再一个目的在于提出一种曲率感知系统200，如图3和图4所示，

为了实现上述目的，根据本发明第三方面的一种曲率感知系统200，包括：曲率感知组件100、光纤光栅静态解调仪2和用于处理所述曲率感知组件100获得的检测数据的地面数据处理子系统3，所述曲率感知组件100与所述光纤光栅静态解调仪2相耦接，所述光纤光栅静态解调仪2与所述地面数据处理子系统3相耦接；

具体地，光纤光栅静态解调仪2位于顺槽控制站7中，即运输顺槽，相对应的另一侧为回风顺槽；光纤光栅静态解调仪2通过矿用多芯光缆和曲率感知组件100中的光纤光栅串20相耦接；

所述地面数据处理子系统3包括服务器31、客户端电脑34、打印机32及供电电源33，所述的服务器31的输入端与光纤光栅静态解调仪2通过网线连接，服务器31的输出端与打印机32连接，供电电源33为服务器31和打印机32供电，客户端电脑34中安装有Matlab 数据处理与拟合软件及刮板输送机可视化模型输出软件；其中Matlab数据处理与拟合软件用于处理刮板输送机三维弯曲曲率信息，并进行曲线拟合，同时为刮板输送机可视化模型输出软件提供图形输出接口；刮板输送机可视化模型输出软件用于集成Matlab数据处理与拟合软件，实现对Matlab拟合曲线的调用与刮板输送机三维弯曲形态的显示。所述服务器31接有供电电源33及打印机34，可用于日常报表信息打印及刮板输送机三维弯曲形态图形打印。沿着与刮板机的延伸方向相垂直的方向设有多个液压支架8，所述服务器31与客户端电脑34相连接，用于客户端用户操控工作面液压支架8进行刮板输送机调直。

在本发明的一个示例中，还包括光纤光栅接线盒4，其中光纤光栅接线盒4的一端与矿用多芯电缆6相耦接，其另一端与曲率感知组件100的光栅光纤串相耦接；需要指出的是，在光纤光栅串20与接线盒4相耦接的一端配置有FC/APC接头5，通过曲率感知组件100通过FC/APC接头5与接线盒4相耦接。

由曲率感知组件100感知刮板机三维弯曲曲率信息，并将三维弯曲曲率信息通过接线和传输至光纤光栅静态解调仪中，由光纤光栅静态解调仪对三维弯曲曲率信息进行解调处理并上传至服务器31，由客户端电脑34中的Matlab数据处理与拟合软件对三维弯曲曲率信息处理并进行曲线拟合，同时为刮板输送机可视化模型输出软件提供图形输出接口。该感知系统能够实时监测刮板输送机的直线度，以保证综采工作面的安全和正常生产，而且感应的灵敏度高、结构简单，制造方便。

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)

1.一种曲率感知组件，应用于刮板机，其特征在于，包括：

设置于所述刮板机上的电缆槽(1)；

柔性基材(10)，沿着所述电缆槽(1)的延伸方向布置；

至少两个光纤光栅串(20)，所述光纤光栅串(20)与所述柔性基材(10)相连接，并沿着所述柔性基材(10)的延伸方向延伸，

其中，至少两个光纤光栅串(20)中相邻的两个光纤光栅串(20)呈90度夹角。

2.根据权利要求1所述的曲率感知组件，其特征在于，沿着所述柔性基材(10)延伸方向的外轮廓面(101)上设有凹槽(102)，所述光纤光栅串(20)配置在所述凹槽(102)内。

3.根据权利要求2所述的曲率感知组件，其特征在于，所述柔性基材(10)为管状结构，所述凹槽(102)包括至少两个，且所述至少两个凹槽(102)以所述柔性基材(10)的中心轴线为中心均匀布置，其中，所述至少两个凹槽(102)中，相邻两个凹槽(102)之间的夹角为90度。

4.根据权利要求2所述的曲率感知组件，其特征在于，所述凹槽(102)由所述柔性基材(10)的轮廓面向其中心轴线处延伸，且所述凹槽(102)在柔性基材(10)的径向横截面表现为：

所述凹槽(102)的轮廓跨度由靠近所述柔性基材(10)外轮廓面(101)向背离所述柔性基材(10)的外轮廓面(101)方向逐渐减小。

5.根据权利要求2所述的曲率感知组件，其特征在于，还包括粘性胶(30)，其填充于所述凹槽(102)与所述光纤光栅串(20)之间形成的缝隙处。

6.根据权利要求1所述的曲率感知组件，其特征在于，所述光纤光栅串(20)包括多个光纤光栅(201)，且相邻两个光纤光栅(201)的间隔相等。

7.根据权利要求1所述的曲率感知组件，其特征在于，所述柔性基材(10)包括橡胶管件。

8.一种曲率感知组件的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10：沿着柔性基材(10)的延伸方向切割形成凹槽(102)；

S20：使用粘结剂将所述光纤光栅串(20)沿着所述凹槽(102)的延伸方向粘结固定；

S30：将粘性胶(30)填充至所述凹槽(102)与所述光纤光栅串(20)之间形成的缝隙处并自然晾干；

S40：使用胶带沿凹槽(102)粘贴在柔性基材(10)的外壁上固定。

9.根据权利要求8所述的曲率感知组件的安装方法，其特征在于，在所述步骤S20中，所述光纤光栅串(20)包括多个光纤光栅(201)，且相邻的光纤光栅(201)之间的间隔相等。

10.一种曲率感知系统，其特征在于，包括：如权利要求1至权利要求6中任一项所述的曲率感知组件(100)、光纤光栅静态解调仪(2)和用于处理所述曲率感知组件(100)获得的检测数据的地面数据处理子系统(3)，所述曲率感知组件(100)与所述光纤光栅静态解调仪(2)相耦接，所述光纤光栅静态解调仪(2)与所述地面数据处理子系统(3)相耦接。

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