一种矿用顶板离层传感器的制作方法

本发明涉及煤矿安全检测技术领域，具体涉及一种矿用顶板离层传感器。

背景技术：

近年来，国民经济的高速发展，对煤炭的需求逐年成倍的增长，随着煤矿高效开采，矿井开采的地质环境也越来越复杂，深部开采的矿井越来越多，导致开采工艺复杂化、顶板管理难度加大；在对矿山压力监控的过程中，由于种种客观和主观的的原因，而造成采场下沉，局部顶板冒落等事故不断发生，严重影响了矿山的生产、运输，以及矿工的人身安全。有关资料表明，顶板事故是煤矿运输最严重的事故，所以搞好顶板事故的预防是目前煤矿生产技术管理和安全管理工作中一个十分重要的课题。

传统的矿压检测装置不完备，现有传感器现场回收及重复安装工艺复杂，成本较高，随着矿井的深部开采，对现场操作的要求越来越高，现有传感器无法满足现场实际需要。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足提供一种矿用顶板离层传感器，该传感器可现场安装钢丝绳，方便安全，重复使用成本低、工艺简单、精度高。

本发明的技术方案为：一种矿用顶板离层传感器，包括壳体、钢丝绳滚轮机构、应变测量机构；所述壳体设有前轴承支撑架、后轴承支撑架；前轴承支撑架上固定设置有支撑套，中间轴一端固定在支撑套内、另一端穿过后轴承支撑架，中间轴在支撑套内径向固定但可以轴向移动；所述应变测量机构包括第二齿轮，其特征在于：所述钢丝绳滚轮机构包括设置在中间轴上并可相对中间轴转动的滚轮、固定在滚轮一侧的第一齿轮；滚轮另一侧中间轴的一端设置锁紧轴，锁紧轴上设置旋转摇柄；通过旋转摇柄将滚轮、第一齿轮及中间轴拉出一定距离，使第一齿轮与第二齿轮脱离配合；操作完毕通过旋转摇柄将滚轮、第一齿轮、中间轴恢复原位。

进一步的，为了实现钢丝绳自动回弹缠绕，所述滚轮内部设有发条弹簧。

进一步的，为了实现钢丝绳滚轮机构的导向功能，和不同的传感器组合钢丝绳滚轮机构，确保两个组合的传感器模块的钢丝绳的缠绕方向一致，所述滚轮两侧各设有一组钢丝绳导向轴。

进一步的，为了使钢丝绳滚轮机构的齿轮更好、更容易与传递机构的齿轮啮合，分担轴向弹力，所述滚轮与锁紧轴之间的中间轴上还设有压缩弹簧。

进一步的，为了承担轴向压力，减少滚轮与弹簧间的摩擦，滚轮与压缩弹簧间的中间轴上设有平面轴承。

进一步的，为了起到支撑固定作用，锁紧轴固定在后端支撑板上。

进一步的，为了便于固定传感器内部结构，所述传感器的壳体上还设有位于第一齿轮另一侧的中间支撑板，中间轴通过中间支撑板。

进一步的，为了实现将钢丝绳的拉伸运动转换成光纤光栅应变片波长变化，实现数据实时上传；所述应变测量机构还包括一端与第二齿轮固定并随第二齿轮转动的精密丝杠，沿精密丝杠轴向运动的斜面滑块，固定在前轴承支撑架上的应变片固定方块；光纤光栅应变片一端由应变片固定方块固定，另一端为与斜面滑块的斜面接触并能相对滑动的自由端。

本发明的有益效果为：本发明主要解决了传感器钢丝绳的工程化安装及回收问题，利用独特的机械结构实现传感器的钢丝绳现场反复安装，提高了传感器的利用率，解决煤矿开采成本；还能实现将钢丝绳的拉伸运动转换成光纤光栅应变片波长变化，实现数据实时上传监测。

附图说明

图1为本发明提供的传感器平面结构示意图；

图2为本发明提供的传感器立体结构示意图；

图3为本发明提供的钢丝绳滚轮机构中发条弹簧结构示意图；

图4为本发明提供的传感器的钢丝绳导向轴的工作原理图；

图5为本发明提供的传感器的第三齿轮、精密丝杠及斜面滑块的结构示意图；

图6为本发明提供的传感器的斜面滑块的结构示意图。

图中，1.滚轮，2.钢丝绳，3.第一齿轮，4.第二齿轮，5.锁紧轴，6.旋转摇柄，7.钢丝绳导向轴，8.发条弹簧，9.平面轴承，10.压缩弹簧，11.发条弹簧盖，12.壳体，13.前轴承支撑架，14.中间轴承支撑架，15.后轴承支撑架，16.中间轴，17.支撑套，18.精密丝杠，19.斜面滑块，20.第一斜面，21.第二斜面，22.应变片固定方块，23.第一光纤光栅应变片，24.锁定螺丝，25.第二光纤光栅应变片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做详细说明。

本发明提供的矿用顶板离层传感器，包括传感器本体、壳体，钢丝绳滚轮机构、应变测量机构。

参照说明书附图1和2，传感器的壳体12包括前轴承支撑架13、后轴承支撑架15，壳体12主要起封闭和固定作用。

前轴承支撑架13上固定设置有支撑套17，中间轴16一端固定在支撑套17内、另一端穿过后轴承支撑架，中间轴在支撑套17内径向固定但可以轴向移动。满足当中间轴被拉出一段距离时，仍能被支撑套支撑固定。

所述应变测量机构包括第二齿轮4，所述钢丝绳滚轮机构包括设置在中间轴上并可相对中间轴转动的滚轮1、固定在滚轮一侧的第一齿轮3；滚轮另一侧中间轴的一端设置锁紧轴5，锁紧轴上设置旋转摇柄6；通过旋转摇柄将滚轮、第一齿轮3及中间轴16拉出一定距离，使第一齿轮3与第二齿轮4脱离配合；操作完毕通过旋转摇柄将滚轮、第一齿轮、中间轴恢复原位。

滚轮位于壳体内部，滚轮一侧的第一齿轮与滚轮刚性固定，能随滚轮转动。滚轮上缠绕着钢丝绳2，滚轮、第一齿轮经中间轴16固定在一个轴上。

锁紧轴固定在后端支撑板15上，锁紧轴一部分位于后端支撑板的外侧，也就是壳体的外侧。

旋转摇柄也位于壳体的外侧，旋转摇柄6类似操作把手。

第一齿轮3与第二齿轮4是啮合关系，第一齿轮带动第二齿轮的转动。

传感器的壳体上还设有中间支撑板，中间支撑板位于第一齿轮的另一侧、与第一齿轮不接触。中间支撑板不影响第一齿轮和第二齿轮的转动。

中间轴另一端穿过中间轴承支撑板14和后轴承支撑板。

传感器正常工作时，旋转摇柄与锁紧轴锁定，第一齿轮与第二齿轮啮合，钢丝绳的拉伸运动可以带动滚轮、第一齿轮转动。

需要更换钢丝绳时，将旋转摇柄与锁紧轴解除锁定，通过旋转摇柄作用于中间轴，将滚轮及第一齿轮、中间轴拉出一定距离，使第一齿轮3与第二齿轮2脱离配合；中间轴在支撑套17内轴向移动、但仍由支撑架固定支撑着；此时钢丝绳滚轮机构为独立的结构，滚轮可以随意旋转缠绕钢丝绳，不会影响传感器内部的其他机构，能保证应变测量机构等相关机构不随之变动，实现传感器的钢丝绳现场工程化反复安装。缠绕装置不受钢丝绳长度限制，钢丝绳可以从1米扩展到20米。

缠绕钢丝绳操作完毕后，通过旋转摇柄将滚轮、第一齿轮及中间轴恢复原位。第一齿轮与第二齿轮啮合，中间轴回到支撑套原位置。

后端支撑板15主要起支撑固定、封闭作用，固定住锁紧轴5，还可以支撑中间轴16。

钢丝绳滚轮机构现场工程化钢丝绳2反复安装，通过旋转摇柄往外部用力，作用于中间轴上，将滚轮、第一齿轮、中间轴同时拉出一定距离，此时齿轮间脱离啮合，旋转摇柄也退出与锁紧轴的锁定，此时可以旋转滚轮对钢丝绳进行缠绕，缠绕指定的量程后，将旋转摇柄旋转到与锁紧轴平行方向，推动旋转摇柄将滚轮推进去，齿轮间啮合，恢复原位。

作为优选方案，压缩弹簧10设在滚轮与锁紧轴之间的中间轴上，位于壳体内部，压缩弹簧就是套在中间轴上的弹簧，有伸缩功能。可理解的，压缩弹簧能分担一部分轴向弹力，使钢丝绳滚轮机构的活动部件更容易恢复原位，第一齿轮啮合第二齿轮。

为了承担轴向压力，减少滚轮与弹簧的摩擦，滚轮与压缩弹簧间的中间轴上设有平面轴承9。

参照图3，作为优选技术方案，实现了钢丝绳自动回弹缠绕，通过滚轮1内部的发条弹簧8，当钢丝绳2受到直线拉力带动滚轮1旋转运动时，滚轮1沿着中间轴16旋转，发条弹簧8进行预紧受力；当钢丝绳2受到的直线拉力撤除，发条弹簧反弹带动滚轮1回转把钢丝绳缠绕回滚轮。

发条弹簧8两端分别固定在中间轴16和滚轮1上，中间轴承、锁紧轴及后端轴承支撑架设为一个整体，中间轴、锁紧轴不能旋转，发条弹簧的外部、滚轮的侧面还设有发条弹簧盖。

图4所示，作为更优的技术方案，实现钢丝绳滚轮机构的导向功能，通过两组钢丝绳导向轴7实现，钢丝绳导向轴7固定在壳体12上，具体固定在中间支撑板和后端支撑板之间，位于滚轮的左右两侧，钢丝绳导向轴是中空的管状结构，中间能使钢丝绳通过，起到导向的作用。传感器分为深基点测量传感器和浅基点测量传感器，深基点测量传感器和浅基点测量传感器的内部结构一致，二者组合使用。单个传感器的滚轮的左右两侧分别设有一个钢丝绳导向轴，滚轮1上的钢丝绳的缠绕方向都是顺时针方向，这样当两个传感器组合使用时，钢丝的出线口一个在滚轮左侧，一个在滚轮右侧，通过钢丝绳导向轴7分别从两个滚轮的左侧和右侧垂直出绳，达到了多组传感器组合滚轮，确保组合使用的传感器模块的钢丝绳的缠绕方向一致。装配时不用考虑哪个传感器放左面，哪个传感器放右面，每个传感器有两个导向轴，两个传感器随便转配，最后钢丝绳垂直出线，到达传感器本体的外部构件，再结合两个固定锚爪分别把一路安装到顶板的岩体内（深基点），另外一路安装到煤体内（浅基点）。

传感器的应变测量机构，还包括一端与第二齿轮固定并随第二齿轮转动的精密丝杠18，沿精密丝杠轴向运动的斜面滑块19，固定在前轴承支撑架上的应变片固定方块22；第一光纤光栅应变片23一端由应变片固定方块固定，另一端为与斜面滑块的斜面接触并能相对滑动的自由端。

精密丝杠的一端与第二齿轮固定，另一端为自由端，长度大于斜面滑块的轴向运动距离，满足斜面滑块沿精密丝杠的轴向运动。

作为优选方案，如图5所示，精密丝杠与第二齿轮过盈配合，具体为，精密丝杆的一端作为轴，第二齿轮套在精密丝杆的一端上，通过紧定螺丝24将第二齿轮4和精密丝杆18固定成为一个整体，第二齿轮靠近斜面滑块19的一侧、紧靠第二齿轮安装有轴承，轴承与中间轴承支撑板14固定在一起；实现精密丝杠与第二齿轮同步转动，二者没有位移差。

如图6所示，斜面滑块，具体为将其一侧楞切成斜面的四方螺母，这样斜面滑块具有一个斜面第一斜面，斜面滑块套在精密丝杠靠近第二齿轮的一端，只能沿精密丝杠轴向运动，不能沿精密丝杠旋转。斜面滑块内孔有螺纹与精密丝杠18配合；

优选方案，所述的斜面滑块设有两个斜面，两个斜面倾斜角度反向对称，第一斜面20由低到高，第二斜面21面由高到低。相应的，斜面滑块为将其两个侧楞切成斜面的四方螺母。可理解的，斜面滑块有两个斜面，如果设置一个斜面，只将四方螺母一侧楞切成第一斜面即可。

在斜面滑块的一个或者两个斜面与对应的固定方块的一个或者两侧面之间均设有光纤光栅应变片，光纤光栅应变片上贴有光纤光栅。

固定在前轴承支撑架上的应变片固定方块22，应变片固定方块的位置与斜面滑块19相对应，在斜面滑块的第一斜面与对应的固定方块的侧面之间设有第一光纤光栅应变片23，第一光纤光栅应变片一端由应变片固定方块22固定，另一端为与斜面滑块的第一斜面接触并能相对自由滑动的自由端。

相应的，在斜面滑块的第二斜面与对应的固定方块的侧面之间设有第二光纤光栅应变片25，第二光纤光栅应变片25的一端由应变片固定方块固定，另一端为与斜面滑块的第二斜面接触并能相对滑动的自由端，光纤光栅应变片上贴有光纤光栅。

具体的，第一光纤光栅应变片23和第二光纤光栅应变片25自由端的起始位置分别在斜面滑块的第一斜面20左端和第二斜面21中间位置，其目的当斜面滑块轴向移动时，第一斜面20一侧的第一光纤光栅应变片变形由小到大，第二斜面21一侧面的第二光纤光栅应变片变形由大到小；这样的差分形变可以补偿温度带来误差。

传感器安装固定好后，当顶板发生变形拉动钢丝绳带动滚轮运动，滚轮与第一齿轮刚性配合在一起，滚轮转动与第一齿轮转动同步。

第一齿轮3啮合第二齿轮4，第二齿轮4带动丝杠转动，斜面滑块轴向运动推动光纤光栅应变片径向变形，将钢丝绳滚轮机构的钢丝绳拉伸运动传递给光纤光栅应变片波长变化，实现数据实时上传。

所应理解的是，本发明创造将不限于本文所示的这些实例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。