基于光纤惯性技术的煤矿巷道连续线形检测装置及方法与流程

本发明涉及光纤检测领域，尤其涉及一种基于光纤惯性技术的煤矿巷道连续线形检测装置及方法。

背景技术：

煤炭是我国的主体能源，在我国一次能源结构中占据70％左右。在未来相当长的时期内，煤炭作为主体能源的地位将不会改变，煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基础产业。据统计，我国煤矿开采深度以8～12m/a的速度增加，东部矿井增速则高达20～25m/a。随着煤矿开采深度的不断增加，影响煤矿生产的一系列问题诸如岩层压力增大、巷道围岩变形显著、围岩收敛变形速度加快、支架损坏严重等也日益严重，甚至有可能引发顶板垮落等围岩事故。

巷道围岩的变形和破坏是煤矿开采中需要重点考虑的问题。巷道围岩变形是指巷道在外部因素作用下产生的形状和尺寸的改变，破坏则是指围岩结构改组和结构联合丧失的现象。巷道变形会阻断井下交通，损坏生产设备，造成人员伤亡，严重威胁煤矿安全生产，因此及时合理地监测巷道变形，准确掌握围岩状态及发展趋势，对于保障煤矿安全生产具有十分重要的意义。

国内外现有的巷道围岩变形测量方法及仪器有很多，按其工作原理可以分为机械式测量仪器、电测式测量仪器、声波测距法、激光测距法、光学测绘仪器、近景摄影测量法等。机械式测量仪器是最早应用于巷道变形监测的观测仪器，它是基于机械传动学原理，利用金属构件受力后产生弹性变形，通过传动系统进行放大后将数值显示出来。由于操作简单、设备成本低，如测枪、测杆、顶板动态监测仪、收敛计、位移计等测量仪器仍在工程实践中普遍使用。这类仪器可以达到较高的测量精度，但易受设备安装及断面过大等因素影响，重复性不好，且只能求得一点相对另一点的位移，无法测得断面的不对称变形。电测类仪器利用传感器将巷道变形转化为电信号，进而进行测量，主要包括电阻式位移传感器、应变梁式位移传感器、电子倾角仪、沉降仪等，可以实现断面收敛的自动测量，但也只能测量有限离散点。

超声波测距是利用超声波在空气中的传播速度和发射、接收的时间差来计算出发射点到障碍物的实际距离，此类仪器可用于断面收敛测量，但测量精度普遍不高。激光测距法是利用激光对目标距离进行准确测定的方法，用于围岩变形测量时可实现高精度非接触式测量。激光测距法可分为点间距测量、平面变形测量和空间点位移场测量，工程中经常使用的激光测距仪即是一维的点间距测量仪器，激光周边位移监测仪器可实现断面收敛测量；瑞士的tms系统采用三维激光扫描仪进行断面测试，空区监测系统(cms)采用三维激光扫描技术对地下采场和空区进行测量与监测。

全站仪、经纬仪、水准仪等是专业的光学测绘仪器，广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测，特别是随着矿用经纬仪、水准仪、全站仪的出现，该技术也逐渐在巷道变形观测领域得到普及。该方法具有自由设站、灵活性强、非接触测量、精度高等特点，日本宾得全站仪pts-v系列在特殊功能菜单中率先设立了断面测量专用功能。冯仲科、陈于恒设计了一种可以用于巷道大断面测绘的自动化系统，该系统通过全站仪野外采集断面特征点数据，可在电子记录手簿上实时记录并处理数据，最终在四色打印机上打印出巷道断面图。

上述测量方法及手段均属于有限离散点测量范畴，其测量范围小，难以实现区域性观测；测量耗费时间长，实时响应差，且均通过为数不多的测点来拟合检测对象的连续形变，难以观测到巷道的非连续性变形、突发性变形，难以判断巷道变形的转折点以及破坏的初始位置，而这些信息对于预警围岩失稳至为关键。

既有专利(公开号：cn10348695a)发明的装置用于煤矿巷道两帮移近量和顶板下沉量的测量，该方法克服了一般方法测量精度不够且耗时、费工的缺陷，但仅限于小范围的局部形变测量，不适合长距离、大范围巷道的连续形变测量。

既有专利(公开号：cn203891934u)涉及一种煤矿井下巷道变形报警装置，包括固定在巷道一煤壁和巷道顶板上的矿用激光测距传感器和固定在巷道另一煤壁和巷道底板的对应位置的反射装置，属于点式激光测距方法。激光测距传感器易受测量环境的影响，且仅能测量有限离散点，整套系统实施起来价格昂贵。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于光纤惯性技术的煤矿巷道连续线形检测装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于光纤惯性技术的煤矿巷道连续线形检测装置，该装置的载体为刚性轮式检测车，该检测车沿着待测巷道结构表面预设的轨道运行，该检测车的前、后轮与待测巷道结构表面形成接触点；该刚性轮式检测车上设有光纤陀螺、加速度传感器、里程仪、位置传感器、信号处理器和计算机；其中：

光纤陀螺和加速度传感器固定在刚性轮式检测车的中部轴心位置，分别用于测量实时感知刚性轮式检测车沿巷道表面运行时相对惯性空间的转动角速度和线加速度沿刚性轮式检测车坐标系的分量；

里程仪上设有旋转编码器，旋转编码器与刚性轮式检测车的轮轴固定连接，该旋转编码器通过检测脉冲数量来计量检测车行走的距离；

位置传感器安装在刚性轮式检测车的前端，用于在测试过程中给参考点位置进行打标；

信号处理器安装在刚性轮式检测车后端部分，与车体表面固定连接，并与各个传感器连接，用于收集和处理刚性轮式检测车上所有传感器的信号并发送给计算机；

计算机，与信号处理器无线连接，用于根据接收的信号处理器发送的信号采用捷联矩阵及积分运算方法推导出刚性轮式检测车的运动轨迹，并将运动轨迹的展示出来。

进一步地，该刚性轮式检测车上还设有减振器，用来缓解或克服因轨道不平整给检测小车带来的颠簸。

本发明还提供了一种检测方法，包括以下步骤：

标定待测巷道线形检测的起点、终点坐标；

让煤矿巷道连续线形检测装置在起点处提前预热一段时间，并与轨道前进的方向静态对准一定时间；

启动煤矿巷道连续线形检测装置的刚性轮式检测车，让其沿着巷道铺设的轨道运行，直至到达终点；

通过计算机获取对检测的数据进行解算、推演，具体根据接收的信号处理器发送的信号采用捷联矩阵及积分运算方法推导出刚性轮式检测车的运动轨迹，并将运动轨迹的展示出来。

本发明产生的有益效果是：本发明采用高灵敏度的光纤陀螺替代普通的倾角传感器来感知运载体行驶过程中角速度的微小变化；用载体运动的轨迹来表征待测巷道结构表面线形曲线。与传统技术相比，该装置具有快速、连续测量的特点，不会遗漏结构任何病害处，且测量精度较高；测量便捷，无需在待测巷道内安装任何传感装置，不受煤矿开采区域恶劣环境(如灰尘、光线、气候等)影响；该装置适合有轨测量，可以与矿井日常用的运输车进行无缝对接，实现车辆运输与轨道监测的同步进行。

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是本发明所提到的刚性轮式检测车与待测巷道结构表面曲线的位置关系；

图2是本发明所提到的基于光纤惯性传感的煤矿巷道连续线形检测装置；

图3是本发明所提到的基于光纤惯性传感的煤矿巷道连续线形检测方法；

图4是本发明所提到的基于光纤惯性传感的煤矿巷道连续线形检测误差处理方法；

图5-1是本发明所提到的误差处理前的线形曲线图；

图5-2是本发明所提到的误差处理后的线形曲线图。

图1中：1为刚性轮式检测车，2为待测巷道结构表面实际线形，3为线形检测装置测试推演出的巷道结构表面线形曲线。

图2中：4为光纤陀螺(fog)、5为加速度计、6为里程仪、7为位置传感器、8为信号处理器、9为计算机、10为减振器、11为检测车前轮、12为检测车后轮、13为刚性轮式检测车。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明刚性轮式检测车与待测巷道结构表面曲线的位置关系如图1所示。将所涉及到的传感器及设备集成在刚性轮式检测车13上，让检测车沿着待测结构表面预制的轨道运行，已知待测巷道结构表面实际线形为2a；线形检测车测试完毕后，通过所检测到的数据进行推演，可以得到巷道结构表面线形曲线为3a。

本发明的一个具体实施例中，基于光纤惯性传感的煤矿巷道连续线形检测装置如图2所示。该煤矿巷道连续线形检测装置包括光纤陀螺(fog)4、加速度计5、里程仪6、位置传感器7、信号处理器8、计算机9、减振器10、前轮11、后轮12以及刚性轮式检测车13。

装置中的fog和加速度传感器安装、固定在刚性轮式检测车的中部轴心位置，分别用于测量检测车相对惯性空间的转动角速度和线加速度沿运载体坐标系的分量；采用旋转编码器作为里程仪的核心器件，将旋转编码器与车轮轮轴进行硬连接，通过检测脉冲数量来计量检测车行走的距离；位置传感器安装在检测车前端右侧，用于测试过程中给参考点位置进行打标；信号处理器安装在检测车后端部分，与车体表面进行牢固连接，用于收集和处理检测车上所有传感器的信号；计算机用于实时解算系统采集到的信号，并将其以轨迹的形式展示出来。刚性轮式检测车将光纤陀螺(fog)、加速度计、里程仪、位置传感器、信号处理器和计算机等设备全部集成于一体，让检测车沿着待测巷道结构表面预设的轨道运行，利用光纤陀螺可精确测量载体运动姿态角的特点，采集载体运动时陀螺仪和加速度计相对惯性空间的转动角速度和线加速度沿运载体坐标系分量，结合里程仪的输出信息，采用积分运算方法即可推导出载体沿待测结构表面运动轨迹，其运动轨迹即代表巷道结构表面线形。

光纤陀螺(fog)用来实时感知运载体沿巷道表面运行时的角速度信号；加速度计用来测量光纤陀螺(fog)线加速度沿运载体坐标系分量；里程仪结合信号处理器检测到的脉冲信号实时输出运载体沿巷道表面运行时的线速度值；位置传感器用来给系统提供参考点坐标校正信息，从而有效地抑制光纤陀螺(fog)的发散性误差。

信号处理器用于收集光纤陀螺的角速度信息、加速度信息、载体运行线速度信息以及位置传感器脉冲信息，将其汇总后通过rs-232串传送给计算机；计算机用于实时解算系统采集到的各种传感器信号，并将其以轨迹的形式展示出来；

刚性轮式检测车即运载体的前、后轮与待测巷道结构表面形成接触点，检测系统通过接触点沿着待测巷道结构表面运行，巷道结构表面线形等同于其表面运行时的轨迹；

利用光纤陀螺可精确测量载体运动姿态角的特点，结合里程仪的输出信息，采用积分运算方法即可推导出载体的运动轨迹。

该刚性轮式检测车上还设有减振器，用来缓解或克服因轨道不平整给检测小车带来的颠簸。

本发明基于上述实施例的煤矿巷道连续线形检测装置的检测方法，包括以下步骤：

标定待测巷道线形检测的起点、终点坐标；

让煤矿巷道连续线形检测装置在起点处提前预热一段时间，并与轨道前进的方向静态对准一定时间；

启动煤矿巷道连续线形检测装置的刚性轮式检测车，让其沿着巷道铺设的轨道运行，直至到达终点；

通过计算机获取对检测的数据进行解算、推演，具体根据接收的信号处理器发送的信号采用捷联矩阵及积分运算方法推导出刚性轮式检测车的运动轨迹，并将运动轨迹的展示出来。

假设运载体从i点运动到i+1点，根据积分极限相似理论，当其运行时间间隔t极限小时，第i+1点的坐标(xi+1,yi+1)可以近似表示为：

将式(2)代入式(1)可得：

其中，ωi+1、vi+1分别代表陀螺仪和加速度计相对惯性空间的转动角速度和线速度沿运载体坐标系分量；θi代表运载体与待测结构表面的初始夹角；δθ、δl分别代表运载体从i点运动到i+1点时的角度变化量和行走的距离。假设运载体的物理尺寸相对于待测结构表面线形是可以忽略不计的，即可将运载体视为一个质点，根据式(1)、(2)建立起来的递推函数关系式(3)，即可开展运载体沿待测结构表面运行时的连续线形轨迹计算，陀螺在运载体上运行的轨迹即为待测结构表面线形曲线。

本发明采用高灵敏度的光纤陀螺替代普通的倾角传感器来感知运载体行驶过程中角速度的微小变化；用载体运动的轨迹来表征待测巷道结构表面线形曲线。与传统技术相比，该装置具有快速、连续测量的特点，不会遗漏结构任何病害处，且测量精度较高；测量便捷，无需在待测巷道内安装任何传感装置，不受煤矿开采区域恶劣环境(如灰尘、光线、气候等)影响；该装置适合有轨测量，可以与矿井日常用的运输车进行无缝对接，实现车辆运输与轨道监测的同步进行。

基于光纤惯性传感的煤矿巷道连续线形检测方法如图3所示。测试前，先用传统水准方法标定待测巷道线形检测的起点、终点坐标；然后，让线形检测装置在起点处提前预热20min，并与轨道前进的方向静态对准120s；启动检测车的动力装置，让其沿着巷道铺设的轨道运行，直至到达终点；通过计算机对检测的数据进行解算、推演，从而得到待测巷道的连续线形曲线；

基于光纤惯性传感的煤矿巷道连续线形检测误差处理方法如图4所示。由于线形检测装置测量的只是相对变形量，要想获取巷道形变的绝对值，必须代入已知参考点坐标方可获取全线的绝对变形值，本算法代入待测巷道的起始点、结束点(即首尾点)参考坐标，其目的在于：既可以解算全线绝对坐标信息，又可以对陀螺的发散性误差进行有效控制；由于光纤陀螺的固有特性，其输出值误差随着时间呈发散趋势，故可以采取代入固定点坐标的方法来约束其测试过程中的发散性误差，即将沿途若干固定点坐标信息代入到经过首尾约束后的连续线形曲线，从而进一步减小发散性误差；当检测的轨迹较长时，轨道之间难免有物理接缝或微小不平整度，这些不平整度与轨道本体结构健康状况并无关联，但检测小车经过时可能会产生颠簸，给线形检测系统带来较大误差，故需要采取小波滤波方法对外界干扰数据进行剔除，并采取数据重构的方法对剔除后的数据段进行填充，从而确保线形轨迹的完整性；通过最终得到的巷道连续线形曲线，结合轨道健康评定标准，即可对煤矿巷道结构健康状况进行评估。

线形检测结果误差处理前、后线形曲线如图5-1和图5-2所示。图5-1为误差处理前的线形曲线，其中*代表水准仪是土建领域一种常规的测量工具，测量的参考标记点，7条连续曲线代表线形检测装置多次测量结构表面线形，其重复性较差；图5-2为误差处理后的线形曲线，多次测量结构表面线形重复性明显改善，且与参考标记点基本重合。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。