CN116495429A - 一种全光纤拉绳开关及传送设备故障定位预警系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种全光纤拉绳开关及传送设备故障定位预警系统，所述全光纤拉绳开关包括单波长激光器、光脉冲调制器、光探测器、光纤耦合器、信号处理器和微结构光纤；单波长激光器与所述光脉冲调制器的一端连接，所述光脉冲调制器的另一端与所述光纤耦合器的输入端连接，光纤耦合器的第一输出端与所述微结构光纤连接、第二输出端与光探测器的一端连接；光探测器的另一端与所述信号处理器连接；其中，微结构光纤沿传送方向布设在所述传送设备的两侧。本发明采用微结构光纤，降低了系统的复杂度和成本；具有稳定性好、耐腐蚀等特性，能够用于极端环境，且无电传送，不易产生安全风险；能够快速确定传送设备的工作状态，对故障点进行精确定位。

Description

一种全光纤拉绳开关及传送设备故障定位预警系统

技术领域

本发明属于光纤传感及自动化控制技术领域，具体涉及一种全光纤拉绳开关及传送设备故障定位预警系统。

背景技术

皮带输送机等传送设备是各种材料、器件长距离运输的关键设备，在矿产、土木、工业等领域被广泛应用，由于其长期处于高速重载的工况，因此传送设备容易产生运输故障，比如皮带破损、跑偏、过热等等。为了保证运输状态的安全，通常会在皮带输送机等传送设备的两侧安装拉绳开关，并安排巡检人员沿着运输线进行人工巡检。巡检过程中，一旦遇到传送设备发生故障或者紧急状况，巡检人员可以通过随手拉动传送设备两端的拉绳，触发对皮带开关的控制信号，从而对皮带输送机等传送设备进行报警和紧急制动，同时对故障发生的位置信息进行上报。

现有的皮带输送机等传送设备两侧通常安装的都是电学式的拉绳开关，其存在以下问题：第一，电学式的拉绳开关需要全通电来保持工作状态，因此运用在具有高浓度瓦斯气体等高危环境下的传送设备时，事故风险很高；第二，出于对成本和布线复杂度的考虑，电学式拉绳开关一般按照50米的间距进行布设，其空间定位的分辨率不高，不能准确定位到传送设备真正的故障地点；第三，对于几十甚至上百公里的传送设备，需要布设大量的电学式拉绳开关，存在复杂的布线方式和控制信号，增加了系统和现场的复杂度及安全风险。

因此，需要提出一种全光纤拉绳开关及传送设备故障定位预警系统，解决现有技术中皮带输送机等传送设备监控系统使用电学式拉绳开关存在的电磁干扰大、故障定位精度低、系统复杂以及成本高昂等技术问题。

发明内容

本发明提供一种全光纤拉绳开关及传送设备故障定位预警系统，用以解决现有技术中电学式拉绳开关存在的电磁干扰大、使用风险高、故障定位精度低、布线复杂以及成本高昂等技术问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种全光纤拉绳开关，应用于传送系统中，包括：单波长激光器、光脉冲调制器、光探测器、光纤耦合器、信号处理器和微结构光纤；所述单波长激光器与所述光脉冲调制器的一端连接，所述光脉冲调制器的另一端与所述光纤耦合器的输入端连接，所述光纤耦合器的第一输出端与所述微结构光纤连接、第二输出端与所述光探测器的一端连接；所述光探测器的另一端与所述信号处理器连接；其中，所述微结构光纤沿传送方向布设在所述传送设备的两侧；

所述单波长激光器用于发射单波长的连续光；

所述光脉冲调制器用于将所述连续光调制成脉冲光；

所述光纤耦合器用于将所述脉冲光传输至所述微结构光纤、接收所述微结构光纤反射的反射光信号，并将所述反射光信号传输给所述光探测器；

所述光探测器用于将所述反射光信号转换为电信号；

所述信号处理器用于对所述电信号进行检测，根据检测结果确定所述传送设备的工作状态、定位故障地点。

进一步的，所述微结构光纤包含沿光信号传输方向分布的多个等距微结构光反射点，每个微结构光反射点用于对入射光进行反射；所述微结构光纤将所述脉冲光反射为多个反射光信号。

进一步的，所述微结构光纤根据所述微结构光反射点的间距在所述传送设备的两侧进行固定。

进一步的，所述微结构光反射点为弱反射光纤光栅，相邻两个所述微结构光反射点的间距为所述光探测器能处理的光信号分辨率的两倍以上。

进一步的，所述连续光的波长范围满足所述微结构光纤中单模传输和低损耗传输方式支持的所有光波长，且所述波长范围在所述微结构光反射点的反射波长带宽内。

进一步的，所述信号处理器包括计算模块和判断模块；

所述计算模块用于确定所述电信号中反射光的数量和脉冲间隔；

所述判断模块用于根据所述反射光的数量和脉冲间隔，判断所述传送设备是否发生故障。

进一步的，所述信号处理器还包括定位模块；

所述定位模块用于当所述传送设备发生故障时，根据所述反射光的数量和脉冲间隔确定所述传送设备的故障位置。

进一步的，所述信号处理器还与所述光脉冲调制器连接，用于对所述光脉冲调制器进行控制。

进一步的，所述单波长激光器、光脉冲调制器、光探测器和光纤耦合器之间采用普通单模光纤连接。

本发明还提供一种传送设备故障定位预警系统，包括：传送设备、拉绳开关、状态控制开关和报警器，所述拉绳开关采用上述技术方案所述的任一种全光纤拉绳开关：

所述拉绳开关的信号处理器与所述传送设备、状态控制开关和所述报警器电连接，所述状态控制开光与所述传送设备电连接；

所述拉绳开关用于接收故障信号、确定所述传送设备的故障定位信息、向所述状态控制开关发出关停信号和启动信号，还用于向所述报警器发送报警信号；

所述状态控制开关用于根据所述关停信号对所述传送设备进行关停操作，还用于根据所述启动信号对所述传送设备进行启动操作；

所述报警器用于显示所述故障定位信息，并根据所述报警信号发出声光报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明提供的全光纤拉绳开关将微结构光纤沿传送方向布设在传送设备的两侧，通过单波长激光器产生单波长的连续光，通过光脉冲调制器将连续光调制成脉冲光，微结构光纤对脉冲光进行反射，生产反射光信号，通过光探测器接收反射光，将其转换成电信号，最后通过信号处理器对电信号进行分析，判断传送设备是否故障，并定位故障地点。本发明将传统拉绳开关系统中一个个独立的电学式拉绳开关和成千上万根电线用一整根微结构光纤光缆进行替代，大大降低了系统的复杂度、降低了使用成本；拉绳开关采用微结构光纤，具有稳定性好、耐腐蚀等特性，能够用于极端环境，且无电传送，不易产生安全风险；通过信号处理器对微结构光纤产生的反射光信号进行分析，能够快速确定传送设备的工作状态，对故障点进行精确定位。

附图说明

图1为本发明提供的一种全光纤拉绳开关一实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的微结构光纤光缆一实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的一种全光纤拉绳开关一实施例的工作流程示意图；

图4为本发明提供的一种传送设备故障定位预警系统在设备发生故障时检修人员拉动光缆前后的反射光信号图；

其中，1-单波长激光器，2-光脉冲调制器，3-光探测器，4-信号处理器，5-光纤耦合器，6-微结构光纤，7-传送设备，61-光反射点，62-光纤纤芯，63-光纤包层，64-铠装和塑料保护层。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在实施例描述之前，首先对本申请的发明构思进行说明。

现有的皮带传输机等传送设备中通常是在两侧安装电学式拉绳开关，出于对成本和布线复杂度的考虑，一般每隔50米布设一个电学式拉绳开关，一旦遇到传送设备发生故障或者紧急状况，巡检人员需要拉动两个相邻开关间的钢丝拉绳，触发对皮带运行状态进行控制的信号，从而对传送设备进行报警和紧急制动。但这种电学式开关需要保持全程通电，在高浓度瓦斯气体等环境下容易发生安全事故，且拉绳开关之间的布设距离较远，故障定位分辨率较低，对于大型传送设备进行控制时，开关布设复杂、成本高。

本发明基于光纤光栅原理，提供了一种全光纤拉绳开关，将传统的多个独立电学式拉绳开关和成千上万根电线替换为一整根微结构光纤，大大降低了传送设备控制系统的复杂度，且本发明无需供电，系统稳定性好、安全系数高、故障定位准确度高、成本低。

本发明实施例提供了一种全光纤拉绳开关，应用于传送系统中，如图1所示，包括：

单波长激光器1、光脉冲调制器2、光探测器3、光纤耦合器5、信号处理器4和微结构光纤6；所述单波长激光器1与所述光脉冲调制器2的一端连接，所述光脉冲调制器2的另一端与所述光纤耦合器5的输入端连接，所述光纤耦合器5的第一输出端与所述微结构光纤6连接、第二输出端与所述光探测器3的一端连接；所述光探测器3的另一端与所述信号处理器4连接；其中，所述微结构光纤6沿传送方向布设在所述传送设备7的两侧；

所述单波长激光器1用于发射单波长的连续光；

所述光脉冲调制器2用于将所述连续光调制成脉冲光；

所述光纤耦合器5用于将所述脉冲光传输至所述微结构光纤6、接收所述微结构光纤6反射的反射光信号，并将所述反射光信号传输给所述光探测器3；

所述光探测器3用于将所述反射光信号转换为电信号；

所述信号处理器4用于对所述电信号进行检测，根据检测结果确定所述传送设备7的工作状态、定位故障地点。

本实施例提供的全光纤拉绳开关的工作原理如下：

单波长激光器1发出发射单波长的连续光，之后连续光被光脉冲调制器2调制成脉冲光。脉冲光通过光纤耦合器5的第一输出端进入到微结构光纤6中，被微结构光纤6反射为反射光，反射光通过光纤耦合器5的第二输出端进入光探测器3，由光探测器3转化为电信号，将电信号发送到信号处理器4，信号处理器4对传送设备7的状态进行分析，当检测到故障信号时，定位故障所在地点。

本实施例提供的一种全光纤拉绳开关，将微结构光纤沿传送方向布设在传送设备的两侧，通过单波长激光器产生单波长的连续光，通过光脉冲调制器将连续光调制成脉冲光，微结构光纤对脉冲光进行反射，生产反射光信号，通过光探测器接收反射光，将其转换成电信号，最后通过信号处理器对电信号进行分析，判断传送设备是否故障，并定位故障地点。本实施例提供的全光纤拉绳开关，将传统拉绳开关系统中一个个独立的电学式拉绳开关和成千上万根电线用一整根微结构光纤光缆进行替代，大大降低了系统的复杂度、降低了使用成本；拉绳开关采用微结构光纤，具有稳定性好、耐腐蚀等特性，能够用于极端环境，且无电传送，不易产生安全风险；通过信号处理器对微结构光纤产生的反射光信号进行分析，能够快速确定传送设备的工作状态，对故障点进行精确定位。

作为优选的实施例，所述微结构光纤6包含沿光信号传输方向分布的多个等距微结构光反射点，每个微结构光反射点用于对入射光进行反射；所述微结构光纤6将所述脉冲光反射为多个反射光信号。

作为一个具体的实施例，所述微结构光纤6包含沿光纤分布的N个等距微结构光反射点，每个微结构光反射点会将光纤中的入射信号光调制为特定的反射信号光，在传送设备运行状态正常的情况下总共产生N个反射信号光，对反射信号光光谱监测会形成一个验证距离分布的一个个反射峰。

为了提升光纤拉绳开关的抗拉性能以及保护所述微结构光纤，作为一个具体的实施例，将所述微结构光纤通过紧套、铠装等工艺制作成微结构光纤光缆。如图2所示，图2为本实例中全光纤拉绳开关及定位预警系统的微结构光纤光缆细节图，包括微结构光反射点61，用于将入射信号光调制为反射信号光；光纤纤芯62、光纤包层63，共同用于将入射信号光和反射信号光束缚在光纤中传输；铠装和塑料保护层64，用于增强微结构光纤光缆的韧性，防止微结构光纤光缆在传送机工作过程中断裂。

作为优选的实施例，所述微结构光纤根据所述微结构光反射点的间距在所述传送设备的两侧进行固定。

作为优选的实施例，所述微结构光反射点为弱反射光纤光栅，相邻两个所述微结构光反射点的间距为所述光探测器能处理的光信号分辨率的两倍以上。

作为一个具体的实施例，所述的微结构光纤的微结构光反射点可为弱反射光纤光栅，或者高掺杂光纤段，通过激光曝光的方式将弱反射光纤光栅连续刻写在光纤上，相邻微结构光反射点的间距一般要大于1米。

作为优选的实施例，所述单波长的连续光的波长范围满足所述微结构光纤中单模传输和低损耗传输方式的所有光波长，且所述波长范围在所述微结构光反射点的反射波长带宽内。

作为一个具体的实施例，所述的单波长激光器的带宽范围小于1nm，并且在微结构光纤光缆微结构光反射点的反射带宽范围内。

作为优选的实施例，所述信号处理器包括计算模块和判断模块；

所述计算模块用于确定所述电信号中反射光的数量和脉冲间隔；

所述判断模块用于根据所述反射光的数量和脉冲间隔，判断所述传送设备是否发生故障。

作为优选的实施例，所述信号处理器还包括定位模块；

所述定位模块用于当所述传送设备发生故障时，根据所述反射光的数量和脉冲间隔确定所述传送设备的故障位置。

作为优选的实施例，所述信号处理器4还与所述光脉冲调制器2和所述传送设备7连接，用于对所述光脉冲调制器2进行控制，并对所述传送设备7的运行状态进行控制。

作为一个具体的实施例，当巡检人员发现正在工作的传送设备发生故障时，拉动微结构光纤光缆，微结构光反射点因为受到应力，其反射波长会发生漂移并脱离反射工作范围，不在入射激光的波长范围内，此时故障处的微结构光反射点不会产生脉冲反射光信号，通过对脉冲反射光的计数和脉冲间隔进行分析，即可判断传送设备故障，并实现定位、预定和紧急制动。

下面用一个具体的数值实施例对上述过程进行进一步说明。

本实例中单波长激光器1发出的入射光中心波长为1550nm，其3dB带宽为0.5nm，微结构光纤6的微结构传感单元中心反射波长为1550nm，3dB反射带宽为2nm。微结构光纤光缆布设在皮带机的两侧，固定的间距与微结构光反射点间距一致，当传送机正常工作时，微结构光反射点始终能够反射1550nm的光信号，每个传感单元处都会将调制后脉冲入射光反射回去，产生一个脉冲反射光信号，因此各个反射峰均存在。当传送机发生故障时，通过拉动微结构光纤光缆，所述微结构光反射点会受到应力，其反射工作波长会发生漂移，从而不在入射光的波长范围内，此时故障处的微结构光反射点不会产生脉冲反射光信号，对应点的反射峰会消失，通过对脉冲反射光的计数和脉冲间隔进行分析，即可通过信号处理器判断传送设备故障，并实现定位、预定和紧急制动。

作为优选的实施例，所述单波长激光器、光脉冲调制器、光探测器和光纤耦合器之间采用普通单模光纤连接。

本发明还提供一种传送设备故障定位预警系统，包括：传送设备、拉绳开关、状态控制开关和报警器，所述拉绳开关采用上述技术方案所述的任一种全光纤拉绳开关：

所述拉绳开关的信号处理器与所述传送设备、状态控制开关和所述报警器电连接，所述状态控制开光与所述传送设备电连接；

所述拉绳开关用于接收故障信号、确定所述传送设备的故障定位信息、向所述状态控制开关发出关停信号和启动信号，还用于向所述报警器发送报警信号；

所述状态控制开关用于根据所述关停信号对所述传送设备进行关停操作，还用于根据所述启动信号对所述传送设备进行启动操作；

所述报警器用于显示所述故障定位信息，并根据所述报警信号发出声光报警。

如图3所示，图3为本实例中传送设备故障定位预警系统的工作流程图。单波长激光器产生激光，光脉冲调制器将其调制成脉冲光，之后光探测器接收到脉冲反射光，在信号处理器中对单次时间内接收到的所有脉冲进行寻峰处理，寻得脉冲数目为n，若脉冲数目n等于微结构光纤中的微结构传感单元数目N，则显示皮带机正常工作。反之，则说明皮带机出现故障，信号处理器对皮带机发送停止指令，开始寻找故障位置。计算第m个脉冲和第m+1个脉冲之间的距离间隔δ_m，将其与正常工作情况下定标得到的距离间隔Δ_m进行比较，若δ_m与Δ_m之间的差值大于设置的阈值d，则说明该位置存在故障，报警器对其进行故障显示，并显示故障位置信息。若此脉冲对应的不是最后一个微结构传感单元，及m不等于n，则对下一个位置进行故障检测，直至m等于n时结束检测，报警器显示所有故障信息。

当皮带运输机等传送设备发生故障，检修人员拉动光缆。如图4所示，图4为信号处理器在检修人员拉动拉绳开关前后的反射光信号图。故障前所有反射光信号间隔相同，故障后原本位于580m处的反射光信号消失，通过对比相邻反射光信号的距离，可判断出该处存在故障。

本实施例提供了一种全光纤拉绳开关及传送设备故障定位预警系统，将微结构光纤沿传送方向布设在传送设备的两侧，通过单波长激光器产生单波长的连续光，通过光脉冲调制器将连续光调制成脉冲光，微结构光纤对脉冲光进行反射，生产反射光信号，通过光探测器接收反射光，将其转换成电信号，最后通过信号处理器对电信号进行分析，判断传送设备是否故障，并定位故障地点。

本实施例提供的传送设备故障定位预警系统，将传统拉绳开关系统中一个个独立的电学式拉绳开关和成千上万根电线用一整根微结构光纤光缆进行替代，大大降低了系统的复杂度、降低了使用成本；拉绳开关采用微结构光纤，具有稳定性好、耐腐蚀等特性，能够用于极端环境，且无电传送，不易产生安全风险；通过信号处理器对微结构光纤产生的反射光信号进行分析，能够快速确定传送设备的工作状态，对故障点进行精确定位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全光纤拉绳开关，应用于传送系统中，其特征在于，包括：单波长激光器、光脉冲调制器、光探测器、光纤耦合器、信号处理器和微结构光纤；所述单波长激光器与所述光脉冲调制器的一端连接，所述光脉冲调制器的另一端与所述光纤耦合器的输入端连接，所述光纤耦合器的第一输出端与所述微结构光纤连接、第二输出端与所述光探测器的一端连接；所述光探测器的另一端与所述信号处理器连接；其中，所述微结构光纤沿传送方向布设在所述传送设备的两侧；

所述单波长激光器用于发射单波长的连续光；

所述光脉冲调制器用于将所述连续光调制成脉冲光；

所述光纤耦合器用于将所述脉冲光传输至所述微结构光纤、接收所述微结构光纤反射的反射光信号，并将所述反射光信号传输给所述光探测器；

所述光探测器用于将所述反射光信号转换为电信号；

所述信号处理器用于对所述电信号进行检测，根据检测结果确定所述传送设备的工作状态、定位故障地点。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤拉绳开关，其特征在于，所述微结构光纤包含沿光信号传输方向分布的多个等距微结构光反射点，每个微结构光反射点用于对入射光进行反射；所述微结构光纤将所述脉冲光反射为多个反射光信号。

3.根据权利要求2所述的一种全光纤拉绳开关，其特征在于，所述微结构光纤根据所述微结构光反射点的间距在所述传送设备的两侧进行固定。

4.根据权利要求2所述的一种全光纤拉绳开关，其特征在于，所述微结构光反射点为弱反射光纤光栅，相邻两个所述微结构光反射点的间距为所述光探测器能处理的光信号分辨率的两倍以上。

5.根据权利要求2所述的一种全光纤拉绳开关，其特征在于，所述连续光的波长范围满足所述微结构光纤中单模传输和低损耗传输方式支持的所有光波长，且所述波长范围在所述微结构光反射点的反射波长带宽内。

6.根据权利要求1所述的一种全光纤拉绳开关，其特征在于，所述信号处理器包括计算模块和判断模块；

所述计算模块用于确定所述电信号中反射光的数量和脉冲间隔；

所述判断模块用于根据所述反射光的数量和脉冲间隔，判断所述传送设备是否发生故障。

7.根据权利要求6所述的一种全光纤拉绳开关，其特征在于，所述信号处理器还包括定位模块；

所述定位模块用于当所述传送设备发生故障时，根据所述反射光的数量和脉冲间隔确定所述传送设备的故障位置。

8.根据权利要求1所述的一种全光纤拉绳开关，其特征在于，所述信号处理器还与所述光脉冲调制器连接，用于对所述光脉冲调制器进行控制。

9.根据权利要求1所述的一种全光纤拉绳开关，其特征在于，所述单波长激光器、光脉冲调制器、光探测器和光纤耦合器之间采用普通单模光纤连接。

10.一种传送设备故障定位预警系统，其特征在于，包括：传送设备、拉绳开关、状态控制开关和报警器，所述拉绳开关采用如权利要求1-9所述的任一种全光纤拉绳开关：

所述拉绳开关的信号处理器与所述传送设备、状态控制开关和所述报警器电连接，所述状态控制开光与所述传送设备电连接；

所述拉绳开关用于接收故障信号、确定所述传送设备的故障定位信息、向所述状态控制开关发出关停信号和启动信号，还用于向所述报警器发送报警信号；

所述状态控制开关用于根据所述关停信号对所述传送设备进行关停操作，还用于根据所述启动信号对所述传送设备进行启动操作；

所述报警器用于显示所述故障定位信息，并根据所述报警信号发出声光报警。