一种基于光纤光栅传感的煤矿罐道损伤变形在线监测系统及方法与流程

本发明涉及一种监测系统及方法，尤其适用于煤矿大型机械设备损伤变形监测的基于光纤光栅传感的煤矿罐道损伤变形在线监测系统及方法。

背景技术：

近年来，各种各样的煤矿事故时有发生，造成严重的经济损失和人员伤亡，虽然罐道变形造成的事故鲜有报道，但其故障率一直居高不下，经常需要专职人员进行检查和维修，成为制约煤矿正常生产的关键因素和极大的安全隐患。与此同时，为了适应现代社会对能源的需求，煤矿日趋自动化、高效化、绿色化、安全化，煤矿安全监测越来越受到人们的重视，而作为罐笼的导轨，罐道可以保证罐笼运行方向正确，避免在提升过程中产生横向摆动，因此成为立井井筒装备的重要组成部分。

针对罐道损伤变形这一问题，政府部门和相关科研人员都保持着高度关注。通过调查和研究，发现发生破坏的罐道有着共同的特点，大多数情况下，由于罐笼偏载、大件物体碰撞、地壳变化等原因，罐道不可避免地会受到损伤，具体的损伤形式可以分为罐道倾斜、弯曲、接头错动、松动和磨损，其中罐道倾斜和弯曲较为普遍，对立井的正常提升影响较大，极易造成重大事故。因此，采取有效的监测手段，对罐道的损伤变形进行监测、评定和跟踪，显得尤为重要。

目前，针对罐道损伤变形监测，国内外的研究还不是很充分，其主要的监测方法有几何测距法、专业仪器法、振动加速度法等，其中几何测距法是在井口、井底梁腿上各取四点，使对角线交点与井筒设计中心重合。下放四根钢丝作为固定基准线，上部固定在井口，下部固定在井底对应点上。沿井筒断面每隔若干组梁量取钢丝至罐道正、侧面的垂距，同时选取某段井筒，量取对角线方向与所测罐道正面方向的夹角，综合所测数据可判别罐道的变形程度。此种方法在现场应用较多，但是其主要是靠人工测量，不能实现实时在线监测，而且精度不高，费时费力；专业仪器法主要是采用断面测量仪或罐道测斜仪等常规仪器对罐道间距和偏斜进行连续监测。此种方法虽然精度有所提高，而且可以实现系统监测，但是监测仪器主要是采用电式传感，对井下环境适应性较差，抗干扰能力较弱，可靠性较低，且信号传输距离短，不能实现大范围长期在线实时监测；振动加速度法主要是将提升容器振动加速度及其速率的变化作为判别罐笼是否安全运行的基本准则，并初步建立了典型故障和信号特征的关系，进而间接反映罐道的安全状态。此种方法在系统运行平稳性方面得到极大改善，可以测试、分析罐道的平行度及运行平稳性，但不能确切给出罐道的垂直情况，而且只能间接反映罐道的状态，此外，将传感器固定在提升装置上面，需要采用无线传输，加大了系统的复杂性和成本，而且信号容易受到影响，传输不稳定。

技术实现要素：

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种方法简便，本质安全，全光纤传输，可实时在线实现煤矿罐道损伤变形监测的基于光纤光栅传感的煤矿罐道损伤变形在线监测系统及方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的基于光纤光栅传感的煤矿罐道损伤变形在线监测系统，包括监控计算机、光纤光栅静态解调仪、矿用传输光缆、光缆接线盒、感应膜盒，其中多个感应膜盒间隔设置在罐道两侧，所有感应膜盒分别与光缆接线盒相连接，光缆接线盒通过矿用传输光缆连接到设置在地面的光纤光栅静态解调仪上，光纤光栅静态解调仪与监控计算机相连接；

其中感应膜盒内设有光纤光栅位移传感器组、光纤光栅应变传感器组、光纤光栅加速度传感器组、横向光纤光栅温度传感器和分光器。

所述的光纤光栅位移传感器组包括；径向光纤光栅位移传感器和横向光纤光栅位移传感器；所述光纤光栅应变传感器组包括径向光纤光栅应变传感器、横向光纤光栅应变传感器和竖向光纤光栅应变传感器；光纤光栅加速度传感器组包括径向光纤光栅加速度传感器、横向光纤光栅加速度传感器和竖向光纤光栅加速度传感器。

所述感应膜盒采用焊接或粘贴的方式固定在预设监测测站相应位置，监测测站设置在罐道远离罐笼一侧间隔排列布置，间隔距离为100～150米。

所述感应膜盒中的光纤光栅位移传感器组、光纤光栅应变传感器组、光纤光栅加速度传感器组和横向光纤光栅温度传感器之间采用串联或并联的方式连接在一起，所有传感器的输出端尾纤与分光器相连接，通过光缆将每个分光器连接到固定在井壁或者罐道上的光缆接线盒，接线盒通过光缆和光纤光栅静态解调仪连接，用网线将监控计算机和解调仪连接在一起，从而形成煤矿罐道损伤变形监测系统，实现罐道倾斜和弯曲的监测。

使用上述基于光纤光栅传感的煤矿罐道损伤变形在线监测系统的监测方法，包括如下步骤：

a、在煤矿罐道远离罐笼一侧的表面上每隔100～150米选定出3～5个监测测站，采用焊接或粘贴的方式将感应膜盒固定在监测测站相应位置；

b、采用焊接或粘贴的方式将光纤光栅位移传感器组、光纤光栅应变传感器、组光纤光栅加速度传感器组、横向光纤光栅温度传感器和分光器固定在感应膜盒上面；

c、光纤光栅位移传感器组、光纤光栅应变传感器组、光纤光栅加速度传感器组、横向光纤光栅温度传感器之间采用串联或并联的方式进行连接，将所有传感器输出单尾纤连接到分光器上面形成通路；

d、从分光器输出端通过传输光缆与光缆接线盒相连接，光缆接线盒通过矿用传输光缆与光纤光栅静态解调仪相连接，光纤光栅静态解调仪与监控计算机采用网线连接，从而构成一套传感网络；

e、光纤光栅位移传感器组监测罐道的横向和径向的位置偏移量，光纤光栅应变传感器组监测罐道的三向应变量，光纤光栅温度传感器实现温度补偿，光纤光栅加速度传感器组监测罐道的三维振动变形量，根据测得的数据可以监测罐道倾斜和弯曲状况；

f、将各传感器所采集的数据最终通过矿用传输光缆传输至光纤光栅静态解调仪，通过光纤光栅静态解调仪将光波信号解调为数字信号，最红传输至监控计算机，通过安装在监控计算机进行数据处理，获得罐道工作状态的三维云图，当有任何参量超过预设报警阈值时，则发出报警，从而实现罐道损伤变形监测。

所述监控计算机上还连接有局域网络和无线网络进行数据共享，同时允许个人手提式终端实现无线数据显示和监控。

有益效果：由于采用了上述方案，本发明具有以下优点：

本发明克服了现有煤矿罐道变形监测技术存在的主要是靠人工测量和不能实现异常预警的不足，构建了一套基于光纤光栅传感的罐道损伤变形监测系统，搭建了罐道工作状态传感网络，内置集成了智能化分析处理软件，可以实现罐道倾斜和弯曲实时在线监测，对异常实现预警和定位，大大减轻了劳动量，减少了维护成本；

本发明克服了现有技术中采用电式传感易受电磁干扰和存在安全隐患的不足，充分利用了光纤光栅抗电磁干扰、测量精度高、对微小量敏感性好的特点，而且光纤光栅不仅可以实现无源工作，本质安全，还可以实现感知和传输一体化，传输距离远，稳定性也比传统的电式传感好；

本发明克服了现有技术中只是测量罐道位移、应变、振动单一参量的不足，采用光纤光栅位移传感器监测罐道横向和径向位置偏移量(竖向位移量变化较小可不考虑)，采用光纤光栅应变传感器监测罐道三向应变量，采用光纤光栅加速度传感器监测罐道三维振动变形量，采用光纤光栅温度传感器进行温度补偿，对罐道损伤变形实现全方位的监测；

本发明克服了现有的罐道变形监测中只能将传感器固定在提升装置上面，然后采用无线传输，增加了整个测量过程复杂性和成本的弊端，通过设计一种感应膜盒，将其固定在罐道远离罐笼一侧的表面，可以直接反映罐道的倾斜、弯曲和垂直情况，系统简单，运行平稳性得到保障。此外，感应膜盒体积小，结构简单，便于制作和安装。

附图说明

图1为本发明的监测系统结构图。

图2为本发明感应膜盒结构示意图。

图中，1-监控计算机；2-光纤光栅静态解调仪；3-矿用传输光缆；4-光缆接线盒；5-感应膜盒；6-x-径向光纤光栅位移传感器；6-y-横向光纤光栅位移传感器；7-x-径向光纤光栅应变传感器；7-y-横向光纤光栅应变传感器；7-z-竖向光纤光栅应变传感器；8-x-径向光纤光栅加速度传感器；8-y-横向光纤光栅加速度传感器；8-z-竖向光纤光栅加速度传感器；9-横向光纤光栅温度传感器；10-分光器；11-罐道；12-罐笼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的基于光纤光栅传感的煤矿罐道损伤变形在线监测系统，包括包括监控计算机1、光纤光栅静态解调仪2、矿用传输光缆3、光缆接线盒4、感应膜盒5，其中多个感应膜盒5间隔设置在罐道11两侧，所有感应膜盒5分别与光缆接线盒4相连接，光缆接线盒4通过矿用传输光缆3连接到设置在地面的光纤光栅静态解调仪2上，光纤光栅静态解调仪2与监控计算机1相连接；

其中感应膜盒5内设有光纤光栅位移传感器组、光纤光栅应变传感器组、光纤光栅加速度传感器组、横向光纤光栅温度传感器9和分光器10，所述的光纤光栅位移传感器组包括；径向光纤光栅位移传感器6-x和横向光纤光栅位移传感器6-y；所述光纤光栅应变传感器组包括径向光纤光栅应变传感器7-x、横向光纤光栅应变传感器7-y和竖向光纤光栅应变传感器7-z；光纤光栅加速度传感器组包括径向光纤光栅加速度传感器8-x、横向光纤光栅加速度传感器8-y和竖向光纤光栅加速度传感器8-z。

所述感应膜盒5采用焊接或粘贴的方式固定在预设监测测站相应位置，监测测站设置在罐道11远离罐笼12一侧间隔排列布置，间隔距离为100～150米。

所述感应膜盒5中的光纤光栅位移传感器组、光纤光栅应变传感器组、光纤光栅加速度传感器组和横向光纤光栅温度传感器9之间采用串联或并联的方式连接在一起，所有传感器的输出端尾纤与分光器10相连接，通过光缆将每个分光器10连接到固定在井壁或者罐道上的光缆接线盒4，接线盒4通过光缆和光纤光栅静态解调仪2连接，用网线将监控计算机2和解调仪1连接在一起，从而形成煤矿罐道损伤变形监测系统，实现罐道倾斜和弯曲的监测。

一种基于光纤光栅传感的煤矿罐道损伤变形在线监测装置的监测方法，其步骤如下：

a、在煤矿罐道11远离罐笼12一侧的表面上每隔100～150米选定出3～5个监测测站，采用焊接或粘贴的方式将感应膜盒5固定在监测测站相应位置；

b、采用焊接或粘贴的方式将光纤光栅位移传感器组、光纤光栅应变传感器、组光纤光栅加速度传感器组、横向光纤光栅温度传感器9和分光器10固定在感应膜盒上面；

c、光纤光栅位移传感器组、光纤光栅应变传感器组、光纤光栅加速度传感器组、横向光纤光栅温度传感器9之间采用串联或并联的方式进行连接，将所有传感器输出单尾纤连接到分光器10上面形成通路；

d、从分光器10输出端通过传输光缆与光缆接线盒4相连接，光缆接线盒4通过矿用传输光缆3与光纤光栅静态解调仪2相连接，光纤光栅静态解调仪2与监控计算机1采用网线连接，从而构成一套传感网络；

e、光纤光栅位移传感器组监测罐道11的横向和径向的位置偏移量，光纤光栅应变传感器组监测罐道11的三向应变量，光纤光栅温度传感器实现温度补偿，光纤光栅加速度传感器组监测罐道11的三维振动变形量，根据测得的数据可以监测罐道11倾斜和弯曲状况；

f、将各传感器所采集的数据最终通过矿用传输光缆3传输至光纤光栅静态解调仪2，通过光纤光栅静态解调仪2将光波信号解调为数字信号，最红传输至监控计算机1，通过安装在监控计算机1进行数据处理，获得罐道11工作状态的三维云图，当有任何参量超过预设报警阈值时，则发出报警，从而实现罐道11损伤变形监测。

所述监控计算机1上还连接有局域网络和无线网络进行数据共享，同时允许个人手提式终端实现无线数据显示和监控。所述的光纤光栅静态解调仪2内置服务器，可以实现位移、应变、加速度、温度等信号的解调，也可以将信号传输到监控计算机，还可以通过手机app在线监控各信号的变化情况，实现智能监控；

分析处理软件基于linux系统，采用人机交互式界面，既可动态显示整套系统各个硬件的工作状态，还可以对每个监测参量的变化情况实现三维云图显示，对每个参量设置阈值，用红、黄、绿三种颜色区分显示其预警状态、异常状态和正常工作状态。

根据光纤光栅传感原理的波长表达式为：

λb＝2neffλ

式中：neff为光纤传播时纤芯的有效折射率，λ为光栅的周期。

在均匀轴向应力下，光纤光栅波长变化与应变的关系式为：

式中：pe为灵敏度系数，ε为光纤轴向应变。

弹性系统中加速度与应变关系为：

因此，光纤光栅波长改变量与加速度的关系为：

由此可以通过光纤光栅加速度传感器组的波长改变量实现振动的测量。

系统和方法克服了现有方法的不足，本质安全、抗电磁干扰、测量精度高，不仅能够实现实时在线监测，实现异常预警，还能够实现智能监控，大大有利于降低故障率，适应了煤矿安全高效生产的趋势，可以产生一定的社会效益。