CN112033301B

CN112033301B - 一种刮板机弯曲度光纤测量系统

Info

Publication number: CN112033301B
Application number: CN202010790130.5A
Authority: CN
Inventors: 靳宝全; 延敏; 白清; 梁昌硕; 高妍; 张红娟; 王宇; 刘昕
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2040-08-07
Also published as: CN112033301A

Abstract

本发明涉及一种刮板机弯曲度光纤测量系统，属于分布式光纤传感技术领域。针对现有刮板机弯曲度测量方法无法准确实时检测到刮板机的弯曲角度，不利于及时调整刮板机行进方向。本发明将IQ循环调制法、双干涉回路和偏振分集接收技术相结合，来准确测量刮板机弯曲度。同时，本发明给出具体的光纤铺设方式，实现刮板机弯曲度实时监测，避免采煤机偏离轨道造成不必要的损失，具有测量准确，可靠性高，实时性好等优点。

Description

一种刮板机弯曲度光纤测量系统

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种刮板机弯曲度光纤测量系统。

背景技术

煤炭是我国一种重要的能量来源，煤炭开采也就尤为重要。开采时主要工具为采煤机，采煤机以刮板机为运行轨道，沿着煤壁反复行进，同时将煤壁上的煤切割下来，落煤装入刮板机中并且向外运输。因此，刮板机的运行轨迹决定采煤机是否能正常进行煤壁切割，故而急需一种刮板机弯曲度测量系统。现有的刮板机弯曲度测量系统大都繁琐复杂，且测量误差大，不能进行实时测量，不利于及时发现并纠正采煤机的行进方向，给采煤工作带来很多不便。刮板机弯曲度测量系统主要基于分布式光纤传感技术，适用于电磁干扰强、高压、强腐蚀等危险环境中。光频域反射技术作为分布式光纤传感技术的一种，具有空间分辨率高、实时性好、测量精度高等优点，并且可用作形状感知。传统的光频域反射技术大都采用内调制的单干涉回路，此方式易引入非线性问题，信噪比差，造成测量结果不准确，且成本高。在实际应用中，分布式光纤传感系统存在铺设方式不合理、不明确的问题。

发明内容

本发明提供了一种刮板机弯曲度光纤测量系统，结合IQ循环调制法、双干涉回路和偏振分集接收技术的优势，通过合理的系统融合，提高系统检测的准确性。在刮板机行进过程中，测量其弯曲角度，并在实际应用中给出具体的铺设方式，实现实时监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种刮板机弯曲度光纤测量系统，包括：

稳频激光器、第一光纤耦合器、IQ调制器、电桥、微波源、信号发生器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、延迟光纤、第四光纤耦合器、第一光电探测器、第五光纤耦合器、可调光衰减器、第一偏振分束器、第六光纤耦合器、第二光电探测器、光环行器、第二偏振分束器、第七光纤耦合器、第三光电探测器、计算机、光开关、左传感光纤和右传感光纤；

其中，稳频激光器的输出端连接第一光纤耦合器的输入端A端口，第一光纤耦合器的输出端H端口连接IQ调制器的输入端，IQ调制器的输出端连接电桥的输入端C端口，电桥的输出端D端口连接微波源的输入端，微波源的输出端连接信号发生器的输入端，信号发生器的输出端连接计算机的端口E；IQ调制器的另一输出端F端口连接第一光纤耦合器的输入端B端口；第一光纤耦合器的另一输出端G连接第二光纤耦合器的输入端，第二光纤耦合器的输出端I端口连接第三光纤耦合器的输入端，第三光纤耦合器的输出端K端口经延迟光纤连接至第四光纤耦合器的输入端M端口，第三光纤耦合器的输出端L端口连接第四光纤耦合器的输入端N端口，第四光纤耦合器的输出端O端口连接第一光电探测器的输入端，第一光电探测器的输出端连接计算机的端口P，第二光纤耦合器的输出端J端口连接第五光纤耦合器的输入端，第五光纤耦合器的输出端Q端口连接可调光衰减器的输入端，可调光衰减器的输出端连接第一偏振分束器的输入端S端口，第一偏振分束器的输出端T端口连接第七光纤耦合器的输入端b端口，第一偏振分束器的输出端U端口连接第六光纤耦合器的第一输入端，第六光纤耦合器的输出端连接第二光电探测器的输入端，第二光电探测器的输出端连接计算机的端口W，第五光纤耦合器的输出端R连接光环行器的输入端，光环行器的端口Y连接光开关的输入端，光开关的输出端f与左传感光纤连接，光开关的输出端e与右传感光纤连接，光环行器的端口X连接第二偏振分束器的输入端，第二偏振分束器的输出端a端口连接第六光纤耦合器的第二输入端V端口，第二偏振分束器的输出端Z端口连接第七光纤耦合器的输入端，第七光纤耦合器的输出端c端口连接第三光电探测器的输入端，第三光电探测器的输出端连接计算机的端口d。

其中，IQ调制器的另一输出端F端口与第一光纤耦合器的输入端B端口连接的线路上依序设置光放大器和光滤波器。

其中，稳频激光器的输出端与第一光纤耦合器的输入端A端口连接的线路上设置第一偏振控制器；光滤波器的输出端与第一光纤耦合器的输入端B端口之间设置第二偏振控制器；可调光衰减器的输出端与第一偏振分束器的输入端S端口之间设置第三偏振控制器。

区别于现有技术，本发明的刮板机弯曲度光纤测量系统，采用光频域反射技术，在精确检测的同时，可实时得到刮板机弯曲角度大小，便于矿工及时做出改善，减小损失，解决了现有刮板机弯曲度测量系统中，矿工无法第一时间得到刮板机行进方向的准确信息的问题；本发明采用IQ循环调制法、双干涉回路和偏振分集接收技术同时运用，融合后的系统兼具三者优势，可以提高系统的扫频范围，进而优化空间分辨率，同时降低系统相位噪声，提高信噪比，进而提升系统测量准确度，便于更好的进行弯曲度实时监测；本发明在设计的实时检测系统的基础上，给出了具体铺设方式，增强了系统的适用性与可操作性，避免了分布式光纤传感系统在实际应用中，存在的铺设方式不合理、不正确的问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种刮板机弯曲度光纤测量系统的结构示意图。

图2是本发明提供的一种刮板机弯曲度光纤测量系统在刮板机上铺设的俯视示意图。

图3是本发明提供的一种刮板机弯曲度光纤测量系统在刮板机上铺设的左右示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

参阅图1，本发明提供了一种刮板机弯曲度光纤测量系统，包括：稳频激光器1、第一光纤耦合器3、IQ调制器4、电桥5、微波源6、信号发生器7、第二光纤耦合器11、第三光纤耦合器12、延迟光纤13、第四光纤耦合器14、第一光电探测器15、第五光纤耦合器16、可调光衰减器17、第一偏振分束器19、第六光纤耦合器20、第二光电探测器21、光环行器22、第二偏振分束器23、第七光纤耦合器24、第三光电探测器25、计算机26、光开关27、左传感光纤28和右传感光纤29；

其中，稳频激光器1的输出端连接第一光纤耦合器3的输入端A端口，第一光纤耦合器3的输出端H端口连接IQ调制器4的输入端，IQ调制器4的输出端连接电桥5的输入端C端口，电桥5的输出端D端口连接微波源6的输入端，微波源6的输出端连接信号发生器7的输入端，信号发生器7的输出端连接计算机26的端口E；IQ调制器4的另一输出端F端口连接第一光纤耦合器3的输入端B端口；第一光纤耦合器3的另一输出端G连接第二光纤耦合器11的输入端，第二光纤耦合器11的输出端I端口连接第三光纤耦合器12的输入端，第三光纤耦合器12的输出端K端口经延迟光纤13连接至第四光纤耦合器14的输入端M端口，第三光纤耦合器12的输出端L端口连接第四光纤耦合器14的输入端N端口，第四光纤耦合器14的输出端O端口连接第一光电探测器15的输入端，第一光电探测器15的输出端连接计算机26的端口P，第二光纤耦合器11的输出端J端口连接第五光纤耦合器16的输入端，第五光纤耦合器16的输出端Q端口连接可调光衰减器17的输入端，可调光衰减器17的输出端连接第一偏振分束器19的输入端S端口，第一偏振分束器19的输出端T端口连接第七光纤耦合器24的输入端b端口，第一偏振分束器19的输出端U端口连接第六光纤耦合器20的第一输入端，第六光纤耦合器20的输出端连接第二光电探测器21的输入端，第二光电探测器21的输出端连接计算机26的端口W，第五光纤耦合器16的输出端R连接光环行器22的输入端，光环行器22的端口Y连接光开关27的输入端，光开关27的输出端f与左传感光纤28连接，光开关27的输出端e与右传感光纤29连接，光环行器22的端口X连接第二偏振分束器23的输入端，第二偏振分束器23的输出端a端口连接第六光纤耦合器20的第二输入端V端口，第二偏振分束器23的输出端Z端口连接第七光纤耦合器24的输入端，第七光纤耦合器24的输出端c端口连接第三光电探测器25的输入端，第三光电探测器25的输出端连接计算机26的端口d。

其中，IQ调制器4的另一输出端F端口与第一光纤耦合器3的输入端B端口连接的线路上依序设置光放大器8和光滤波器9。

其中，稳频激光器1的输出端与第一光纤耦合器3的输入端A端口连接的线路上设置第一偏振控制器2；光滤波器9的输出端与第一光纤耦合器3的输入端B端口之间设置第二偏振控制器10；可调光衰减器17的输出端与第一偏振分束器19的输入端S端口之间设置第三偏振控制器18。

具体的，波长为1550nm的稳频激光器1发出的光通过第一偏振控制器2进入第一光纤耦合器3，第一光纤耦合器3将连续光分为两路，第一光纤耦合器3的H端口输出光功率占比为10%的光，经过IQ调制器4进行调制，将微波源6的端口接到电桥5的端口D，用来提供正弦信号，将电桥5的端口C接到IQ调制器4的端口中，用来给IQ调制器4输入两路相互正交的信号。将调制后的线性扫频光信号输入光放大器8中进行放大，再通过光滤波器9滤波，通过第二偏振控制器10调整光的偏振态后，再输入到第一光纤耦合器3的B端口中，第一光纤耦合器3的输出端H将光信号再次输入到IQ调制器4中，如此循环往复进行循环调制，可扩大光源的扫频范围，提高系统空间分辨率。第一光纤耦合器3的输出端口G将90%的光信号输入到第二光纤耦合器11的输入端，第二光纤耦合器11的输出端I将光功率占比为1%的光输入到第三光纤耦合器12的输入端，第三光纤耦合器12将光等分为两路，一路从输出端K经延迟光纤13接到第四光纤耦合器14的输入端口M，第三光纤耦合器12的另一路直接接到第四光纤耦合器14的输入端口N，构成一个辅助干涉回路，可减小相位噪声，通过第四光纤耦合器14将从端口M和N进来的两路光按1:1合起来，送入第一光电探测器15中进行拍频干涉，得到的电信号输入到计算机26的端口P进行分析。所述第二光纤耦合器11的输出端J输出的光功率占比为99%的光进入第五光纤耦合器16的输入端，第五光纤耦合器16的输出端口Q输出1%的光信号进入可调光衰减器17中进行衰减，通过第三偏振控制器18调整光的偏振态后，输入到第一偏振分束器19的输入端口S；第五光纤耦合器16的输出端口R输出99%的光信号进入到光环行器22，光环行器22的端口X将光信号输入到第二偏振分束器23的输入端，光环行器22的端口Y将后向散射回来的光信号输入到光开关27中，光开关交替连接左传感光纤28和右传感光纤29。所述第一偏振分束器19将调整好偏振态的光分为两路，一路从输出端口T进入到50:50的第七光纤耦合器24中，另一路通过输出端口U进入到50:50的第六光纤耦合器20中；第二偏振分束器23将光信号分为两路，一路从输出端口a进入到50:50的第六光纤耦合器20中，另一路通过输出端口Z进入到50:50的第七光纤耦合器24中，构成偏振分集接收，可提高系统信噪比。所述第六光纤耦合器20和第七光纤耦合器24分别将两路光合起来，并分别送入第二光电探测器21和第三光电探测器25中进行拍频处理，最后将得到的电信号分别输入到计算机26的端口W和d进行分析。所述信号发生器7的第一端口与微波源6的输出端口相连，信号发生器7的第二端口与计算机26的端口E相连，为微波源6和计算机26提供同步触发信号。

图2和图3是本发明所述一种刮板机弯曲度光纤测量系统在刮板机上的具体铺设方式。具体为刮板机的俯视图和左右侧视图，包括机头电机30、左光纤31、左箱体32、机尾电机33、左弹性结构34、左固定片35、右光纤36、右箱体37、右弹性结构38、右固定片39、中部槽40、刮板41和链条42。

其中，刮板机由机头电机30、中部槽40、刮板41、链条42和机尾电机33组成。在左箱体32和右箱体37表面各铺设一根光纤，左光纤31首端与图1左传感光纤28连接，右光纤36首端与图1右传感光纤29连接，可检测出刮板机弯曲方向，其中，左光纤31尾端与左弹性结构34相连，并通过左固定片35进行固定；右光纤36尾端与右弹性结构38相连，并通过右固定片39进行固定，其目的是当刮板机弯曲时，拉伸一侧的光纤末端弹性材料伸展，压缩一侧的光纤末端弹性材料进行压缩，确保左右两侧光纤紧贴刮板机两侧箱体，并防止刮板机弯曲过大拉断光纤。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种刮板机弯曲度光纤测量系统，其特征在于，包括：

稳频激光器（1）、第一光纤耦合器（3）、IQ调制器（4）、电桥（5）、微波源（6）、信号发生器（7）、第二光纤耦合器（11）、第三光纤耦合器（12）、延迟光纤（13）、第四光纤耦合器（14）、第一光电探测器（15）、第五光纤耦合器（16）、可调光衰减器（17）、第一偏振分束器（19）、第六光纤耦合器（20）、第二光电探测器（21）、光环行器（22）、第二偏振分束器（23）、第七光纤耦合器（24）、第三光电探测器（25）、计算机（26）、光开关（27）、左传感光纤（28）和右传感光纤（29）；

其中，稳频激光器（1）的输出端连接第一光纤耦合器（3）的输入端A端口，第一光纤耦合器（3）的输出端H端口连接IQ调制器（4）的输入端，IQ调制器（4）的输出端连接电桥（5）的输入端C端口，电桥（5）的输出端D端口连接微波源（6）的输入端，微波源（6）的输出端连接信号发生器（7）的输入端，信号发生器（7）的输出端连接计算机（26）的端口E；IQ调制器（4）的另一输出端F端口连接第一光纤耦合器（3）的输入端B端口；第一光纤耦合器（3）的另一输出端G连接第二光纤耦合器（11）的输入端，第二光纤耦合器（11）的输出端I端口连接第三光纤耦合器（12）的输入端，第三光纤耦合器（12）的输出端K端口经延迟光纤（13）连接至第四光纤耦合器（14）的输入端M端口，第三光纤耦合器（12）的输出端L端口连接第四光纤耦合器（14）的输入端N端口，第四光纤耦合器（14）的输出端O端口连接第一光电探测器（15）的输入端，第一光电探测器（15）的输出端连接计算机（26）的端口P，第二光纤耦合器（11）的输出端J端口连接第五光纤耦合器（16）的输入端，第五光纤耦合器（16）的输出端Q端口连接可调光衰减器（17）的输入端，可调光衰减器（17）的输出端连接第一偏振分束器（19）的输入端S端口，第一偏振分束器（19）的输出端T端口连接第七光纤耦合器（24）的输入端b端口，第一偏振分束器（19）的输出端U端口连接第六光纤耦合器（20）的第一输入端，第六光纤耦合器（20）的输出端连接第二光电探测器（21）的输入端，第二光电探测器（21）的输出端连接计算机（26）的端口W，第五光纤耦合器（16）的输出端R连接光环行器（22）的输入端，光环行器（22）的端口Y连接光开关（27）的输入端，光开关（27）的输出端f与左传感光纤（28）连接，光开关（27）的输出端e与右传感光纤（29）连接，光环行器（22）的端口X连接第二偏振分束器（23）的输入端，第二偏振分束器（23）的输出端a端口连接第六光纤耦合器（20）的第二输入端V端口，第二偏振分束器（23）的输出端Z端口连接第七光纤耦合器（24）的输入端，第七光纤耦合器（24）的输出端c端口连接第三光电探测器（25）的输入端，第三光电探测器（25）的输出端连接计算机（26）的端口d。

2.根据权利要求1所述的刮板机弯曲度光纤测量系统，其特征在于，IQ调制器（4）的另一输出端F端口与第一光纤耦合器（3）的输入端B端口连接的线路上依序设置光放大器（8）和光滤波器（9）。

3.根据权利要求2所述的刮板机弯曲度光纤测量系统，其特征在于，稳频激光器（1）的输出端与第一光纤耦合器（3）的输入端A端口连接的线路上设置第一偏振控制器（2）；光滤波器（9）的输出端与第一光纤耦合器（3）的输入端B端口之间设置第二偏振控制器（10）；可调光衰减器（17）的输出端与第一偏振分束器（19）的输入端S端口之间设置第三偏振控制器（18）。