矿用无源数显顶板离层光纤传感装置的制作方法

1.本实用新型涉及煤矿开采技术领域，特别涉及一种矿用无源数显顶板离层光纤传感装置。


背景技术：

2.目前，我国煤矿开采过度而且缺乏现有的保障措施，导致问题频发，主要表现在：被采煤掏空后下方形成空心层，上方大量的岩石层土在压力作用下发成位移和沉降，导致煤层沉降问题严重，严重时出现巷道坍塌，造成人员伤亡。
3.目前常用的预测煤层沉降的方法主要是对矿井下支柱变形量进行预测，以判断煤层和岩石层沉降情况。而矿井支柱的变形需要人工测量，测量存在误差，由于数据的测量和计算监测需要人工进行，就会存在检测人员未巡视至该区域而该区域发生了位移和沉降未被监测到，存在监管盲区。而且数据不能实时传输至中央控制室自动计算输出结果，需要后续的人工测算才能知道位移是否发生，数据处理比较复杂，滞后性较为严重，不能实时反应出煤矿井下煤层的状态。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本实用新型提供一种矿用无源数显顶板离层光纤传感装置，可以实时检测煤层及岩石层沉降情况。
5.本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种矿用无源数显顶板离层光纤传感装置，包括设置在岩石层的第一基点和设置在煤层的第二基点，所述第一基点和第二基点分别通过钢丝绳与其下方的检测模块的绳轮连接，所述绳轮通过齿轮传动单元与数显单元连接，所述齿轮传动单元还连接有形变单元，所述形变单元通过光纤与远程监测单元连接。
6.通过采用上述技术方案，设置第一基点、第二基点以及检测模块，通过钢丝绳的拉伸来检测煤层的位移，整个检测模块采用齿轮传动结构，通过煤层的位移带动钢丝绳的拉伸从而驱动齿轮转动并通过数显单元显示，能够实时显示煤层的位移情况，精确度高且不需要外接电源，可以保证煤矿巷道安全；再通过设置形变单元，利用光纤传输将形变单元的形变量传送到远程监测单元，可实现煤层的位移的远程监测，且光纤传输同样不需要电源，有效保证巷道安全。
7.进一步的，所述检测模块包括壳体，所述壳体设置在煤层下方且与煤层相对固定。
8.通过采用上述技术方案，将检测模块相对固定设置在煤层下方，即检测模块会随煤层的沉降同时向下位移，从而可通过两个基点下方对应的检测模块判断出煤层位移的位置。
9.进一步的，所述壳体上转动设置有绳轮轴，绳轮轴上设置有发条弹簧，绳轮固定在绳轮轴上且内部设有空腔与发条弹簧配合，钢丝绳的一端固定在第一基点或第二基点处，另一端固定缠绕在绳轮上。
10.通过采用上述技术方案，在绳轮内设置发条弹簧，钢丝绳缠绕在绳轮上后，发条弹簧可将钢丝绳预紧，降低测量误差。
11.进一步的，所述绳轮轴的一端伸出壳体设置有手柄，另一端固定设置有锁紧轮，齿轮传动单元包括齿套，齿套设有内齿与锁紧轮配合。
12.通过采用上述技术方案，在绳轮轴上设置手柄和锁紧轮，使用时通过手柄将绳轮轴及绳轮向外抽出使锁紧轮与齿套分离，然后将钢丝绳缠绕在绳轮上，同时对发条弹簧蓄力，最后再通过手柄将绳轮轴及绳轮向内推，使锁紧轮进入齿套内并与齿套啮合，从而实现绳轮与齿轮传动单元的连接。
13.进一步的，所述齿套远离绳轮的一端固定连接有第一齿轮，第一齿轮上啮合有第二齿轮，第二齿轮一侧同步转动设置有第三齿轮，第三齿轮上啮合有第四齿轮，第四齿轮与数显单元连接。
14.通过采用上述技术方案，在第一齿轮与数显单元之间设置第二齿轮、第三齿轮及第四齿轮，可通过设置各齿轮之间的齿数比来控制各齿轮之间的传动比，从而保证数显单元显示的数值与煤层沉降的位移值一致。
15.进一步的，所述数显单元包括与第四齿轮同步转动连接的第一数显轮，第一数显轮一侧同步转动设置有第一步进齿轮，第一步进齿轮与第一联动齿轮的半齿部啮合，第一联动齿轮的全齿部与第一随动齿轮啮合，第一随动齿轮侧边同步转动设置第二数显轮和第二步进齿轮，第二步进齿轮与第二联动齿轮的半齿部啮合，第二联动齿轮的全齿部与第二随动齿轮啮合，第二随动齿轮侧边同步转动设置第三数显轮，所述第一数显轮、第一步进齿轮、第一随动齿轮、第二数显轮、第二步进齿轮、第二随动齿轮、第三数显轮同轴设置，所述第一联动齿轮和第二联动齿轮同轴设置。
16.通过采用上述技术方案，设置数显轮、步进齿轮、联动齿轮和随动齿轮，实现3个数显轮之间的联动，使得数显单元所显示的数值能够达到三位数。
17.进一步的，所述第一齿轮远离第二齿轮的一侧啮合有第五齿轮，壳体的中间侧板上固定设置有套管，套管内螺纹连接有丝杆，所述丝杆的一端固定设置有转动轮，转动轮与第五齿轮啮合，壳体上还悬伸设置有弹簧片，所述丝杆的另一端与弹簧片贴合，所述弹簧片通过光纤与远程监测单元连接。
18.通过采用上述技术方案，设置丝杆和弹簧片，当煤层出现位移时，第一齿轮带动第五齿轮转动，第五齿轮带动转动轮转动，转动轮带动丝杆沿轴向运动顶推弹簧片使弹簧片发生形变，在通过光纤将弹簧片形变传动到远程监测单元，通过远程监测单元将弹簧片形变转化成煤层位移量并显示出来，实现煤层位移的远程监测。
19.综上所述，本实用新型具有以下有益效果：
20.1、本技术中，通过设置第一基点、第二基点以及检测模块，通过钢丝绳的拉伸来检测煤层的位移，整个检测模块采用齿轮传动结构，通过煤层的位移带动钢丝绳的拉伸从而驱动齿轮转动并通过数显单元显示，能够实时显示煤层的位移情况，精确度高且不需要外接电源，可以保证煤矿巷道安全；
21.2、本技术中，将检测模块相对固定设置在煤层下方，即检测模块会随煤层的沉降同时向下位移，从而可通过两个基点下方对应的检测模块判断出煤层位移的位置，若只有第一基点对应的检测模块数值发生变化，则说明是第一基点与第二基点之间的煤层发生沉
降；若第一基点和第二基点对应的检测模块数值都发生变化，则说明是第二基点以下的煤层发生位移；
22.3、本技术中，通过设置丝杆和弹簧片，当煤层出现位移时，第一齿轮带动第五齿轮转动，第五齿轮带动转动轮转动，转动轮带动丝杆沿轴向运动顶推弹簧片使弹簧片发生形变，在通过光纤将弹簧片形变传动到远程监测单元，通过远程监测单元将弹簧片形变转化成煤层位移量并显示出来，实现煤层位移的远程监测，且光纤传输同样不需要电源，有效保证巷道安全。
附图说明
23.图1是本实用新型实施例的整体结构示意图；
24.图2是本实用新型实施例检测模块的整体结构示意图；
25.图3是本实用新型实施例检测模块的剖面图；
26.图中：a、岩石层；b、煤层；1、第一基点；2、第二基点；10、钢丝绳；20、检测模块；21、壳体；30、绳轮；31、绳轮轴；32、发条弹簧；33、手柄；34、锁紧轮；40、齿轮传动单元；41、齿套；42、第一齿轮；43、第二齿轮；44、第三齿轮；45、第四齿轮；46、第五齿轮；50、数显单元；51、第一数显轮；52、第一步进齿轮；53、第一联动齿轮；54、第一随动齿轮；55、第二数显轮；56、第二步进齿轮；57、第二联动齿轮；58、第二随动齿轮；59、第三数显轮；60、形变单元；61、套管；62、丝杆；63、转动轮；64、弹簧片；70、远程监测单元。
具体实施方式
27.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.如图1-3所示，本技术实施例公开矿用无源数显顶板离层光纤传感装置，包括设置在岩石层a的第一基点1和设置在煤层b的第二基点2，煤层b下方设置有检测模块20且检测模块20与煤层b相对固定。检测模块20包括壳体21，壳体21内设置有绳轮30、齿轮传动单元40、数显单元50以及形变单元60，第一基点1和第二基点2分别通过钢丝绳10与其下方对应的绳轮30连接，绳轮30通过齿轮传动单元40与数显单元50连接，通过煤层b的沉降使得钢丝绳10拉伸从而带动绳轮30，再通过齿轮传动单元40将煤层b沉降的位移信息传递到数显单元50并显示出来，整体采用齿轮传动结构，精确度高且不需要外接电源，可以保证煤矿巷道安全，通过数显单元50可以实时显示煤层b的位移情况。
29.形变单元60与齿轮传动单元40连接，并通过光纤与远程监测单元70连接。通过齿轮传动单元40带动形变单元60发生弹性形变，再利用光纤将弹性形变传送到远程监测单元70，由远程监测单元70将弹性形变转化成煤层b位移量并显示出来，实现煤层b位移的远程监测，且光纤传输同样不需要电源，有效保证巷道安全。
30.具体实施时，由于检测模块20与煤层b相对固定，从而可以根据两个基点下方对应的检测模块20数值来判定煤层b位移的位置，若只有第一基点1对应的检测模块20数值发生变化，则说明是第一基点1与第二基点2之间的煤层b发生沉降；若第一基点1和第二基点2对
应的检测模块20数值都发生变化，则说明是第二基点2以下的煤层b发生位移。
31.进一步的，所述壳体21上转动设置有绳轮轴31，绳轮轴31上设置有发条弹簧32，绳轮30固定在绳轮轴31上且内部设有空腔与发条弹簧32配合，绳轮轴31的一端伸出壳体21设置有手柄33，另一端固定设置有锁紧轮34，齿轮传动单元40包括齿套41，齿套41设有内齿与锁紧轮34配合。具体实施时，钢丝绳10的一端固定在第一基点1或第二基点2处，另一端固定缠绕在绳轮30上。安装时，先通过通过手柄33将绳轮轴31及绳轮30向外抽出使锁紧轮34与齿套41分离，然后将钢丝绳10缠绕在绳轮30上，同时对发条弹簧32蓄力，发条弹簧32可将钢丝绳10预紧，降低测量误差，最后再通过手柄33将绳轮轴31及绳轮30向内推，使锁紧轮34进入齿套41内并与齿套41啮合，实现绳轮30与齿轮传动单元40的连接。钢丝绳10的另一端则通过钻孔工艺将其穿过煤层b、岩石层a与第一基点1或第二基点2紧固连接。
32.进一步的，所述齿套41远离绳轮30的一端固定连接有第一齿轮42，第一齿轮42上啮合有第二齿轮43，第二齿轮43一侧同步转动设置有第三齿轮44，第三齿轮44上啮合有第四齿轮45，第四齿轮45与数显单元50连接。在第一齿轮42与数显单元50之间设置第二齿轮43、第三齿轮44及第四齿轮45，可通过设置各齿轮之间的齿数比来控制各齿轮之间的传动比，从而保证数显单元50显示的数值与煤层b沉降的位移值一致。
33.进一步的，所述数显单元50包括设置在壳体21两侧板之间的第一轮轴，第一轮轴上自临近齿轮传动单元40向远离齿轮传动单元40端依次套设有第一数显轮51、第一步进齿轮52、第一随动齿轮54、第二数显轮55、第二步进齿轮56、第二随动齿轮58、第三数显轮59，其中第一数显轮51和第一步进齿轮52同步转动，第一随动齿轮54、第二数显轮55和第二步进齿轮56同步转动，第二随动齿轮58和第三数显轮59同步转动，第一轮轴旁侧平行设置有第二轮轴，第二轮轴上套设有第一联动齿轮53和第二联动齿轮57，第一联动齿轮53的半齿部与第一步进齿轮52啮合，第一联动齿轮53的全齿部与第一随动齿轮54啮合，第二联动齿轮57的半齿部与第二步进齿轮56啮合，第二联动齿轮57的全齿部与第二随动齿轮58啮合。具体的，第一步进齿轮52和第二步进齿轮56上只设置有一个齿，第一步进齿轮52和第二步进齿轮56转动一圈带动第一联动齿轮53和第二联动齿轮57转动一格，从而带动第二数显轮55和第三数显轮59转动一格，第二数显轮55和第三数显轮59转动十格为一圈。即，第一数显轮51转动一圈时，第一步进齿轮52随之转动一圈并带动第一联动齿轮53和第一随动齿轮54、第二数显轮55转动一格；第一数显轮51转动十圈时，第二数显轮55转动十格即为一圈，第二步进齿轮56随即转动一圈并带动第二联动齿轮57、第二随动齿轮58和第三数显轮59转动一格。通过设置数显轮、步进齿轮、联动齿轮和随动齿轮，实现3个数显轮之间的联动，使得数显单元所显示的数值能够达到三位数，本实施例的矿用无源数显顶板离层光纤传感装置量程可达0—500mm。
34.进一步的，所述第一齿轮42远离第二齿轮43的一侧啮合有第五齿轮46，壳体21的中间侧板上固定设置有套管61，套管61内螺纹连接有丝杆62，所述丝杆62的一端固定设置有转动轮63，转动轮63与第五齿轮46啮合，壳体21上还悬伸设置有弹簧片64，所述丝杆62的另一端与弹簧片64贴合，所述弹簧片64通过光纤与远程监测单元70连接。通过设置丝杆62和弹簧片64，当煤层b出现位移时，第一齿轮42带动第五齿轮46转动，第五齿轮46带动转动轮63转动，转动轮63带动丝杆62在套管61内螺旋转动并沿轴向运动顶推弹簧片64使弹簧片64发生形变，在通过光纤将弹簧片64形变传动到远程监测单元70，通过远程监测单元70将
弹簧片64形变转化成煤层b位移量并显示出来，实现煤层b位移的远程监测，且光纤传输同样不需要电源，有效保证巷道安全。
35.本实施例中矿用无源数显顶板离层光纤传感装置的使用原理为：将检测模块20的壳体21安装在煤层b下方的巷道顶部，通过手柄33将绳轮轴31及绳轮30向外抽出使锁紧轮34与齿套41分离，然后将钢丝绳10的一端缠绕在绳轮30上，同时对发条弹簧32蓄力，发条弹簧32可将钢丝绳10预紧，降低测量误差，最后再通过手柄33将绳轮轴31及绳轮30向内推，使锁紧轮34进入齿套41内并与齿套41啮合，实现绳轮30与齿轮传动单元40的连接。再将钢丝绳10的另一端则通过钻孔工艺将其穿过煤层b、岩石层a与第一基点1紧固连接。第二基点2及对应检测模块20的钢丝绳10连接方式与上述一致。当第一基点1与第二基点2之间的煤层b发生沉降时，第二基点2对应的检测模块20无变化，第一基点1对应的检测模块20发生变化，其装置内的钢丝绳10拉伸带动绳轮30转动，通过锁紧轮34、齿套41、第一齿轮42、第二齿轮43、第三齿轮44、第四齿轮45将位移信息传递到数显单元50并通过第一数显轮51、第二数显轮55、第三数显轮59显示数值，同时，形变单元60内的弹簧片64发生形变，通过光纤将形变量传送到远程监测单元70并在远程监测单元70的显示终端显示位移数值，从而实现煤层b沉降的现场及远程实时监测。当第二基点2以下的煤层b发生沉降时，第一基点1和第二基点2对应的检测模块20均会发生变化，远离同上。
36.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。