CN112798262A - 一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，包括激光光源，激光光源通过分光组件与多个并联的磨损监测传感器连接，所有磨损监测传感器通过光路组件与信号采集模块连接，在信号采集模块内设有光电探测器，通过通信系统与上位机主机连接。本发明将光纤光栅埋入陶瓷插芯内，陶瓷插芯封装于空心螺杆内，三者与盾构机刀头同时磨损，利用光纤光栅会因栅区长度缩短而导致功率下降的特性计算磨损量，并且为了提高磨损监测传感器的感应精度，采用在多根光纤上设置多个光栅且光栅按序交叠的结构，使多个光栅接力监测，每当一个光栅磨损至反射率较低的监测末位时，开始弃旧用新，启用下一只光栅进行监测，极大提高了磨损的监测精度。
Description
技术领域
本发明属于盾构机设备领域，特别是一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置。
背景技术
随着经济社会以及科学技术的发展，地铁隧道等地下工程施工建设越来越多，其中盾构机作为地下施工建设的主要机械，发挥着巨大的作用。盾构机刀头磨损量的检测是关系到地下工程建设盾构施工效率以及安全性的关键问题。盾构机的掘进刀头是一种消耗型的器件，刀头的磨损情况受到盾构机掘进参数、地质、温度等多种因素的影响，因此磨损速率不定，无法得知刀具需要更换的准确时间。而刀具更换过早，会造成刀具的浪费以及由于更换刀具频率增加而带来的操作危险可能性的增大，同时也会降低施工建设的工作效率；如果更换刀具过晚，不但可能造成盾构机设备的损坏，还可能产生严重的人员伤亡施工事故，同时更换刀具也会增加盾构机设备的危险。传统的预置磨损块油压检测手段并不能准确且实时地获得刀头的磨损量，精度不够高，存在温度波动和机械振动等环境因素造成的DCF(色散补偿)的扰动。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，该装置能够准确地实时获知盾构机刀头的磨损量。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，包括激光光源，所述激光光源通过分光组件与多个并联的磨损监测传感器连接，所述磨损监测传感器设有基体，在所述基体内设有编号分别为G1、G2、G3...Gn的n个纤芯，在每个所述纤芯上设有m个间隔布置的、长度方向与传感器监测磨损方向一致的、编号为fN的光栅，所述光栅的位置(i，j)满足N＝(j-1)×n+，i为纤芯的顺序标号，j为同一根纤芯上的光栅顺序编号，n是纤芯的数量，N为传感器所有光栅整体顺序编号，光栅f1的磨损端和传感器的磨损端平齐，所有光栅与传感器磨损端的距离按照由小到大的顺序依次递增，依次相邻交叠设置，光栅fN凸出光栅fN+1的长度为光栅fN的设定监测长度，每个所述纤芯封装在一个陶瓷插芯内，所有所述陶瓷插芯封装在所述基体内，每个所述纤芯均设有暴露在所述基体之外的尾纤，尾纤作为传感器接头；所有所述磨损监测传感器通过光路组件与信号采集模块连接，在所述信号采集模块内设有光电探测器，所述光电探测器将输入所述信号采集模块的反射光功率信号转换成电信号并进行调制，调制后的电信号通过通信系统传输给上位机主机，上位机主机采用以下公式按照光栅整体顺序编号依次计算光栅fN设定监测长度范围内的磨损量ΔlN：ΔlN＝lN0-lN，当光栅fN的温度小于等于90℃时，采用以下公式计算lN：RNP＝tanlN 2(klN0)，其中：RNP代表当前反射率，k代表常数0.3439，lN0代表光栅fN的初始长度，lN代表光栅fN的剩余长度；
其中：P代表当前反射攻率，由光电探测器测得；P0代表初始反射攻率，通过标定获得，RNP0代表初始反射率，通过标定获得；当光栅fN的温度大于90℃时，采用以下公式计算lN：S0/S＝lN0/lN，S＝ax(b1+b2...+bM)，其中：ax为激光光源的扫描步长，M为光栅fN反射峰光谱信号经信号采集模块采集得到的各离散采样点顺序编号，bM为各采样点对应的光功率值，，S0为光栅fN初始反射峰光谱面积，S为光栅fN当前反射峰光谱面积；上位机采用以下公式计算传感器的磨损量：
其中，ΔL代表传感器的磨损量。
所述基体是采用螺杆制成的。
所有光栅的中心反射波长按照编号从小到大依次递减。
所述激光光源为可调谐激光光源。
所述通信系统包括与所述信号采集模块连接的无线收发模块A和与所述无线收发模块A无线连接的无线收发模块B，所述无线收发模块B与上位机主机连接。
所述分光组件包括与所述激光光源连接的一个光纤耦合器、与所述光纤耦合器并联的多个环形器以及与多个所述环形器连接的一个光分线盒，在所述光分线盒上并联有多个所述磨损监测传感器；所述光路组件包括所述光分线盒以及与所述光分线盒连接的多个所述环形器，所有所述环形器与所述信号采集模块连接。
本发明具有的优点和积极效果是：将光纤光栅埋入陶瓷插芯内，陶瓷插芯封装于空心螺杆内，三者与盾构机刀头同时磨损，利用光纤光栅会因栅区长度缩短而导致功率下降的特性计算磨损量，并且为了提高磨损监测传感器的感应精度，采用在多根光纤上设置多个光栅且光栅按序交叠的结构，使多个光栅接力监测，每当一个光栅磨损至反射率较低的监测末位时，开始弃旧用新，启用下一只光栅进行监测，并且采用复合算法获得每个光栅的磨损量，极大提高了磨损的监测精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的磨损监测传感器的结构示意图；
图3为本发明的磨损监测传感器的光栅排列示意图；
图4为本发明的光栅在小于等于90℃时中心波长-反射功率曲线图；
图5为本发明的光栅在大于90℃时中心波长-反射功率曲线图。
图中：1、激光光源；2、光纤耦合器；3、环形器；4、光分线盒；5、磨损监测传感器；5-1、基体；5-2、陶瓷插芯；5-3、纤芯；5-4、光栅；6、信号采集模块；7、无线收发模块A；8、无线收发模块B；9、上位机主机。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1～图3，一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，包括激光光源1，所述激光源1通过分光组件与多个并联的磨损监测传感器5连接。
所述磨损监测传感器5设有基体5-1，在所述基体5-1内设有编号分别为G1、G2、G3...Gn的n个纤芯5-3，在每个所述纤芯5-3上设有m个间隔布置的、长度方向与传感器监测磨损方向一致的、编号为fN的光栅5-4，光栅fN的位置(i，j)满足N＝(j-1)×n+i，i为纤芯的顺序标号，j为同一根纤芯上的光栅顺序编号，n是纤芯的数量，N为传感器所有光栅的整体顺序编号，光栅f1的磨损端和传感器的磨损端平齐，所有光栅fN与传感器磨损端的距离按照由小到大的顺序依次递增，依次相邻交叠设置，光栅fN凸出光栅fN+1的长度为光栅fN的设定监测长度；编号分别为G1、G2、G3...Gn的n个纤芯5-3分别封装在n个陶瓷插芯5-2内，选取陶瓷插芯封装的原因是因为，陶瓷具有导热慢，强度高的特点。所有所述陶瓷插芯5-2封装在所述基体5-1内，编号分别为G1、G2、G3...Gn的n个所述纤芯5-3分别设有暴露在所述基体5-1之外的尾纤，尾纤作为传感器接头。上述n、m为大于等于1的整数。
所有所述磨损监测传感器5通过光路组件与信号采集模块6连接，在所述信号采集模块6内设有光电探测器，所述光电探测器将输入所述信号采集模块6的反射光功率信号转换成电信号并进行调制，调制后的电信号通过通信系统传输给上位机主机9。
上述分光组件包括与所述激光光源1连接的一个光纤耦合器2、与所述光纤耦合器2并联的多个环形器3以及与多个所述环形器3连接的一个光分线盒4，多个所述磨损监测传感器5并联在所述光分线盒4上；所述光路组件包括所述光分线盒4以及与所述光分线盒4连接的多个所述环形器3，所有所述环形器3与所述信号采集模块6连接。从激光光源1射出的光线依次经过光纤耦合器2、多个并联的环形器3和光分线盒4射入多个并联的磨损监测传感器5，磨损监测传感器5的反射光线依次经过光分线盒4和多个并联的环形器4射入信号采集模块6。上述光纤耦合器2将激光光源1产生的光分入多个通道，每个通道的光信号，经过一个与其相应的环形器3后、再经过磨损监测传感器5内部的光栅反射，反射光信号经过环形器3进入信号采集模块6进行光电转换及信号解调，然后通过通信系统传输给上位机9。上位机主机从磨损端开始，按照磨损方向，采用以下公式按照光栅整体顺序编号依次计算光栅fN设定监测长度范围内的磨损量ΔlN：
ΔlN＝lN0-lN，
当光栅fN的温度小于等于90℃时，采用以下公式计算lN：
RNP＝tanlN 2(klN0)，
其中，RNP代表当前反射率，k代表常数0.3439，lN0代表光栅fN的原始长度，lN代表光栅fN的剩余长度。
其中：P代表当前反射攻率，由光电探测器测得；P0代表初始反射攻率，通过标定获得，RNP0代表初始反射率，通过标定获得。
经反复试验获知，当光栅fN的温度大于90℃时，光栅的反射谱会出现坍缩，请参见图4-5，此时采用反射率计算光栅的剩余长度误差较大。但坍缩不会影响反射谱的总功率值，因此可采用计算反射谱面积的方法计算光栅的剩余长度，试验结果证明非常准确。
公式如下：
S0/S＝lN0/lN，
S＝ax(b1+b2...+bM)，
其中：ax为激光光源的扫描步长，M为光栅fN反射峰光谱信号经信号采集模块采集得到的各离散采样点顺序编号，bM为各采样点对应的光功率值，，S0为光栅fN初始反射峰光谱面积，S为光栅fN当前反射峰光谱面积。
图3中的“0”位为磨损起始端。
上位机采用以下公式计算传感器的磨损量：
其中，ΔL代表传感器的磨损量，为所有磨损光栅计算磨损量的累加值。
在本实施例中，所述基体5-1是采用螺杆制成的，便于安装使用。所有光栅fN的中心反射波长按照编号从小到大依次递减，方便制作、方便应用。所述通信系统包括与所述信号采集模块6连接的无线收发模块A7和与所述无线收发模块A7无线连接的无线收发模块B8，所述无线收发模块B8与上位机主机9连接，方便监测装置在盾构机上应用。但所述通信系统并不限于采用上述的无线通信方式，也可以采用有线通信方式。所述激光光源1为可调谐激光光源，具有输出光功率高、窄线宽、波长精度高、功率稳定性好等特点。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，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，并不是限制性的，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的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，其特征在于，包括激光光源，所述激光光源通过分光组件与多个并联的磨损监测传感器连接，
所述磨损监测传感器设有基体，在所述基体内设有编号分别为G1、G2、G3...Gn的n个纤芯，在每个所述纤芯上设有m个间隔布置的、长度方向与传感器监测磨损方向一致的、编号为fN的光栅，所述光栅的位置(i，j)满足N＝(j-1)×n+i，i为纤芯的顺序标号，j为同一根纤芯上的光栅顺序编号，n是纤芯的数量，N为传感器所有光栅整体顺序编号，光栅f1的磨损端和传感器的磨损端平齐，所有光栅与传感器磨损端的距离按照由小到大的顺序依次递增，依次相邻交叠设置，光栅fN凸出光栅fN+1的长度为光栅fN的设定监测长度，每个所述纤芯封装在一个陶瓷插芯内，所有所述陶瓷插芯封装在所述基体内，每个所述纤芯均设有暴露在所述基体之外的尾纤，尾纤作为传感器接头；
所有所述磨损监测传感器通过光路组件与信号采集模块连接，在所述信号采集模块内设有光电探测器，所述光电探测器将输入所述信号采集模块的反射光功率信号转换成电信号并进行调制，调制后的电信号通过通信系统传输给上位机主机，上位机主机采用以下公式按照光栅整体顺序编号依次计算光栅fN设定监测长度范围内的磨损量ΔlN：
ΔlN＝lN0-lN，
当光栅fN的温度小于等于90℃时，采用以下公式计算lN：
RNP＝tanlN 2(klN0)，
其中：RNP代表当前反射率，k代表常数0.3439，lN0代表光栅fN的初始长度，lN代表光栅fN的剩余长度；
其中：P代表当前反射攻率，由光电探测器测得；P0代表初始反射攻率，通过标定获得，RNP0代表初始反射率，通过标定获得；
当光栅fN的温度大于90℃时，采用以下公式计算lN：
S0/S＝lN0/lN，
S＝ax(b1+b2...+bM)，
其中：ax为激光光源的扫描步长，M为光栅fN反射峰光谱信号经信号采集模块采集得到的各离散采样点顺序编号，bM为各采样点对应的光功率值，，S0为光栅fN初始反射峰光谱面积，S为光栅fN当前反射峰光谱面积；
上位机采用以下公式计算传感器的磨损量：
其中，ΔL代表传感器的磨损量。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，其特征在于，所述基体是采用螺杆制成的。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，其特征在于，所有光栅的中心反射波长按照序号从小到大依次递减。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，其特征在于，所述激光光源为可调谐激光光源。
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，其特征在于，所述通信系统包括与所述信号采集模块连接的无线收发模块A和与所述无线收发模块A无线连接的无线收发模块B，所述无线收发模块B与上位机主机连接。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的盾构机刀头磨损监测装置，其特征在于，所述分光组件包括与所述激光光源连接的一个光纤耦合器、与所述光纤耦合器并联的多个环形器以及与多个所述环形器连接的一个光分线盒，在所述光分线盒上并联有多个所述磨损监测传感器；所述光路组件包括所述光分线盒以及与所述光分线盒连接的多个所述环形器，所有所述环形器与所述信号采集模块连接。
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