一种基于码盘与光纤光栅结合的矿用围岩位移传感装置的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于码盘与光纤光栅结合的矿用围岩位移传感装置。

背景技术：

随着社会的不断发展，科技的不断进步，对于矿场的施工作业安全，越来越受到人们的关注。施工设施的安全运行需要实时监测，监测设备的需求量越来越多。

煤矿巷道围岩的沉降监测一直是煤矿安全的重要监测内容，如果顶板围岩下沉没有被及时发现处理，会导致巷道坍塌的重大事故。目前，用于监测煤矿巷道顶板围岩下沉的传感装置多为纯机械式或有源传感装置。其中纯机械式传感装置无法提供实时的数据输出，并需要工人定期现场观察记录，不仅无法保证数据的及时性，而且人工观测会加入人为误差，也无法保证数据的准确性。有源传感装置需要提供电源进行井下监控，对于类似煤矿等特殊的工作环境必定会产生安全隐患，甚至造成人员和财产的损失。而光纤传感装置凭借特有的无需供电、经久耐用、精度高、灵敏度高、本质安全等特性，逐渐地进入了煤矿行业。

目前市场上使用的光纤光栅矿用围岩位移传感装置多采用将光纤光栅应变传感装置安装在围岩位移传感装置之中，顶板围岩如出现下沉会拉伸光纤光栅应变传感装置，应变传感装置中的光纤光栅产生拉伸形变，反射的中心波长会产生变化，从而得出拉伸量与中心波长变化量的对应关系，该装置能够实时获取顶板围岩的下沉量，但围岩传感装置所使用的应变传感装置存在一个问题：温度变化会影响光栅的中心波长变化，因此需要区分光纤光栅反射中心波长的变化是由拉伸导致的，还是由温度导致。为了消除温度影响，通常需要加入一只光纤光栅温度传感装置进行温度补偿，但实际情况是虽然加入了温度补偿，由于需要进行二次运算，其中一个变量出现误差就会导致结果的不准确，所以此类传感装置在长时间使用过程中，会出现不规则的数据跳动，不能真实反应当前顶板围岩的位移量。并且现有应变传感装置制作工艺复杂，需要进行反复的标定测试。

技术实现要素：

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于码盘与光纤光栅结合的矿用围岩位移传感装置，该装置工作性能稳定，精度高，不受外界温度变化及电磁干扰的影响，便于生产和使用。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于码盘与光纤光栅结合的矿用围岩位移传感装置，包括主机盒、与所述主机盒固接的、竖直设置的过绳管以及至少一个位移传感机构，所述过绳管，上端固接有密封接头，下端与所述主机盒连通，外侧上端设有锚爪，所述位移传感机构包括从上至下依次连接的基点锚头、锚固钢丝绳、联动连接块和传动钢丝绳，所述传动钢丝绳缠绕在线轴上，所述线轴固装在转轴上，所述转轴安装在支撑座上，所述支撑座固定在所述主机盒内；在所述转轴上固装有码盘，在所述码盘上设有多个按照设定规则布置的光道，所述码盘设置在码盘通道内，所述码盘通道设置在光开关信号发生器内，所述光开关信号发生器包括准直器底座，所述准直器底座，设置在所述码盘的外侧，纵断面为“凹”字形，中部凹槽为所述码盘通道，在所述准直器底座的两侧分别安装有成对同轴设置的接收准直器和发射准直器，所述码盘通道设置在所述接收准直器和所述发射准直器之间，所述码盘在所述码盘通道内运动时按照设定间隔遮挡或导通所述接收准直器和所述发射准直器之间的光路，所述接收准直器通过光纤ⅰ与分光器连接，在所述发射准直器上连接有光纤光栅，所述分光器、所述准直器底座和所述码盘设置在所述主机盒内；所述锚固钢丝绳穿越所述密封接头，二者活动连接；在所述过绳管的外侧下部连接有位置可调的顶板托盘。

在上述方案的基础上，本实用新型还做了如下改进：

在所述线轴上设有螺旋绕线槽，所述螺旋绕线槽为反扣单根螺旋槽，所述码盘采用螺钉紧固在所述转轴的端面上。

所述密封接头包括扣固在所述过绳管上端的密封管帽、固定在所述密封管帽上端的防水接头，在所述防水接头内锁紧有橡胶堵，所述橡胶堵贯穿所述密封管帽，在所述橡胶堵内设有过绳孔，在所述过绳孔内以及所述密封管帽上部打注有密封润滑脂，所述锚固钢丝绳穿越所述过绳孔。

所述锚固钢丝绳设有外包橡胶套。

所述防水接头为格兰头。

所述联动连接块设有两个竖直设置的过绳孔，其中一个为锚固钢丝绳的过绳孔，另一个为传动钢丝绳的过绳孔，所述锚固钢丝绳的下端部穿装在所述锚固钢丝绳的过绳孔内，并采用顶丝ⅰ固定，所述传动钢丝绳的上端部穿装在所述传动钢丝绳的过绳孔内，并采用顶丝ⅱ固定；在所述过绳管上设有与所述顶丝ⅰ对应的操作孔。

所述位移传感机构有两个，分属于两个所述位移传感机构的两个所述联动连接块对接为一圆柱，所述联动连接块的横断面为半圆形。

所述位移传感机构有两个，分属于两个所述位移传感机构的两个所述基点锚头的锚爪长度不同。

所述码盘为栅格码盘，所述栅格码盘的边缘设有多个沿周向均布的光道，所述接收准直器和所述发射准直器有一对，在所述准直器底座上的安装位置与栅格码盘光道位置对应的。

所述码盘为格雷码盘，所述接收准直器和所述发射准直器的对数与所述格雷码盘的位数相同，成对同轴设置的所述接收准直器和所述发射准直器的安装位置与所述格雷码盘上的光道位置对应。

本实用新型具有的优点和积极效果是：通过采用在过绳管上端设置防水接头、在防水接头和密封管帽内设置橡胶堵，以及在橡胶堵的过绳孔和密封管帽内上部打注密封润滑脂和锚固钢丝绳采用包胶钢丝的结构，使该传感装置的防水防尘等级可达到ip67级，保证传感装置工作性能稳定；通过采用码盘与光纤光栅结合，使该传感装置具有较高的精度。同时本实用新型不受外界温度变化及电磁干扰的影响，便于安装。每只传感装置可定制不同深度的锚固基点对顶板围岩进行位移测试，并且可以通过增加矿用围岩位移传感机构数量达到监测单个、双个、三个以及更多基点位移量的目的。并且本实用新型便于生产和使用，生产难度低，具有回退功能，此功能采用左螺旋结构不仅便于拆卸，而且在使用过程中不会出现螺钉松脱。

附图说明

图1为本实用新型的外部结构示意图；

图2-1为本实用新型采用的栅格码盘结构示意图；

图2-2为本实用新型采用的格雷码盘结构示意图；

图3-1为本实用新型采用栅格码盘的光开关信号发生器结构示意图；

图3-2为本实用新型采用格雷码盘的光开关信号发生器结构示意图；

图4为本实用新型的主机盒内部结构示意图；

图5为本实用新型的密封接头结构示意图；

图6为本实用新型的联动连接块结构示意图；

图7为图6的俯视图。

图中：1、基点锚头；2、锚固钢丝绳；3、密封接头；3-1、密封管帽；3-2、防水接头；3-3、橡胶堵；3-4、过绳孔；3-5、密封润滑脂；4、过绳管；4-1、锚爪；5、顶板托盘；6、主机盒；7、联动连接块；7-1、锚固钢丝绳的过绳孔；7-2、传动钢丝绳的过绳孔；7-3、顶丝ⅰ；7-4、顶丝ⅱ；8、传动钢丝绳；9、码盘；9-1、光道；10、转轴；11、准直器底座；11-1、码盘通道；12、光纤光栅；13、发射准直器；14、接收准直器；15、光纤ⅰ；16、支撑座；17、螺钉；18、线轴；19、分光器。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅附图，一种基于码盘与光纤光栅结合的矿用围岩位移传感装置，包括主机盒6、与所述主机盒6固接的、竖直设置的过绳管4以及至少一个位移传感机构，所述过绳管4，上端固接有密封接头3，下端与所述主机盒6连通，外侧上端设有锚爪4-1。

所述位移传感机构包括从上至下依次连接的基点锚头1、锚固钢丝绳2、联动连接块7和传动钢丝绳8，

所述传动钢丝绳8缠绕在线轴18上，所述线轴18固装在转轴10上，所述转轴10安装在支撑座16上，所述支撑座16固定在所述主机盒6内。

在所述转轴10上固装有码盘9，在所述码盘9上设有多个按照设定规则布置的光道9-1，所述码盘9设置在码盘通道11-1内，所述码盘通道11-1设置在光开关信号发生器内，所述光开关信号发生器包括准直器底座11，所述准直器底座11，设置在所述码盘9的外侧，纵断面为“凹”字形，中部凹槽为所述码盘通道11-1，在所述准直器底座11的两侧分别安装有成对同轴设置的接收准直器14和发射准直器13，所述码盘通道11-1设置在所述接收准直器14和所述发射准直器13之间，所述码盘9在所述码盘通道11-1内运动时按照设定间隔遮挡或导通所述接收准直器14和所述发射准直器13之间的光路，所述接收准直器14通过光纤ⅰ15与分光器19连接，在所述发射准直器13上连接有光纤光栅12。

所述分光器19、所述准直器底座11和所述码盘9设置在所述主机盒6内。

所述锚固钢丝绳2穿越所述密封接头3，二者活动连接。

在所述过绳管4的外侧下部连接有位置可调的顶板托盘5。

上述传感装置是利用光纤准直器原理，所开发的一款光信号处理传感装置，光纤准直器是由尾纤与自聚焦透镜组成的，作用是将光纤内传输的光信号转换为平行光，然后耦合至单模光纤内。利用此原理开发的光开关信号发生器将光纤准直器集成组装在准直器座之中。

上述码盘通道11-1的结构型式应与码盘9的结构型式适配，在本实施例中，所述码盘9为栅格码盘，所述栅格码盘的边缘设有多个沿周向均布的所述光道9-1，所述接收准直器14和所述发射准直器13有一对，在所述准直器底座11上的安装位置与栅格码盘光道位置对应的。上述所述码盘9还可以采用格雷码盘，请参见图2-2。这种情况下，准直器底座11上的中部凹槽需要加深，准直器的对数需要根据格雷码盘的位数确定，具体说明如下：当所述码盘9为格雷码盘时，所述接收准直器14和所述发射准直器13的对数与所述格雷码盘的位数相同，成对同轴设置的所述接收准直器14和所述发射准直器13的安装位置与所述格雷码盘上的光道位置对应。

在本实施例中，在所述线轴18上设有螺旋绕线槽，所述螺旋绕线槽为反扣单根螺旋槽，左旋螺旋槽，断面尺寸与一根传动钢丝绳的断面尺寸适配，只能缠绕一圈钢丝，便于提高监测精度。所述码盘9采用螺钉17紧固在所述转轴10的端面上。因为螺旋绕线槽采用反扣结构，通过旋紧螺钉17，可以实现传动钢丝绳的回退缠绕，以避免因传动钢丝绳8的回退造成螺钉17的松动。

在本实施例中，所述密封接头3包括扣固在所述过绳管4上端的密封管帽3-1、固定在所述密封管帽3-1上端的防水接头3-2，在所述防水接头3-2内锁紧有橡胶堵3-3，所述橡胶堵3-3贯穿所述密封管帽3-1，在所述橡胶堵3-3内设有过绳孔3-4，在所述过绳孔3-4内以及所述密封管帽3-1上部打注有密封润滑脂3-5，所述锚固钢丝绳2穿越所述过绳孔3-4。这种密封接头的密封性非常好，能够有效防止过绳管4的上端进水。为了进一步增强过绳管4上端的密封，防止锚固钢丝绳2锈蚀，所述锚固钢丝绳2设有外包橡胶套。所述防水接头3-2为格兰头，能够加强过绳管4上端的密封。制作时，先将锚固钢丝绳2穿过橡胶堵3-3，然后采用防水格兰头将橡胶堵3-3锁紧。密封管帽3-1采用密封胶粘固在过绳管4上端。

在本实施例中，所述联动连接块7设有两个竖直设置的过绳孔，其中一个为锚固钢丝绳的过绳孔7-1，另一个为传动钢丝绳的过绳孔7-2，所述锚固钢丝绳2的下端部穿装在所述锚固钢丝绳的过绳孔7-1内，并采用顶丝ⅰ7-3固定，所述传动钢丝绳8的上端部穿装在所述传动钢丝绳的过绳孔7-2内，并采用顶丝ⅱ7-4固定，在所述过绳管4上设有与所述顶丝ⅰ7-3对应的操作孔，用于实施顶丝ⅰ7-3锁紧操作。在传感装置安装时，顶丝ⅰ7-3拧入锁紧孔但不紧固，保证锚固钢丝绳2在基点锚头1固定前能够上下移动，在基点锚头1固定后，再紧固顶丝ⅰ7-3锁紧锚固钢丝绳2。

上述联动连接块结构简单，便于调整、安装。本实施例有两个位移传感机构，分属于两个所述位移传感机构的两个所述联动连接块7对接为一圆柱，所述联动连接块7的横断面为半圆形，结构紧凑性好。分属于两个所述位移传感机构的两个所述基点锚头1的锚爪长度不同，一长一短，传感装置采用两只基点固定，分别为深基点与浅基点，锚爪固定于巷道顶部岩层之中的不同位置。本实施例以双基点为例，但并不局限于保护双基点传感装置，上述传感装置可以包括3个或更多个位移传感机构。

上述光纤光栅为bragg光纤光栅，在传感装置中起到标识作用，当它返回的光信号被遮挡时标识消失，光路导通时标识出现，按照此原理进行信号处理。

上述码盘是由不锈钢圆盘经过激光等分切割或镂空切割而成的结构件，分为透光部分和不透光部分，透光部分为光道，中间留有螺钉孔用于与转轴固定。当转轴转动时会带动码盘旋转，码盘利用不透光部分来遮挡光信号，是一种将直线位移转化为角度变化，再进行光路遮挡与导通的结构。

上述分光器19，在传感装置中，起到将入射光分光的作用，是光无源器件，能够达到深基点、浅基点及多基点的分立测试，在光路中可以达到单根光纤引入传感装置，深浅两基点或多基点分立测试的作用。

上述传感装置的安装、使用方法与电子式围岩传感器相同，将基点锚头1锚固在监测区之外的稳固岩层中，将分光器19通过光纤ⅱ与外部光源连接，将顶板托盘5安装在顶板上并固定，使用内六角扳手将图6中的顶丝ⅰ7-3锁紧，将锚固钢丝绳2固定在联动连接块7上，此时传感装置处于相对静止状态。如果监测区出现下沉，会带动传感装置一同下降，而固定在岩层中的基点锚头1不动，所以锚固钢丝绳会带动联动连接块7和传动钢丝绳8向上运动，进而带动线轴18、转轴10和码盘9转动，线轴18和码盘9安装在一根转轴10上，两者的角速度一致，线速度成比例变化。在码盘9旋转的过程中，对由准直器底座11、接收准直器14和发射准直器13构成的光开关信号发生器的光路进行遮挡或导通，与发射准直器13连接的光纤光栅12反射回来的光信号被遮挡时会记录一次遮挡，导通时会记录一次导通，这样外部数据处理单元根据光纤光栅的回光有无来计算码盘旋转角度，根据码盘9的旋转角度和线轴直径就能计算出传动钢丝绳8的上移量-监测区当前的下沉量。

尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型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实用新型的启示下，在不脱离本实用新型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，这些均属于本实用新型的保护范围之内。