一种采煤机机械状态光纤传感装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采煤机机械监测装置和监测方法，具体是一种采煤机机械状态光纤传感装置及方法，属于综采设备健康状态监测技术领域。
【背景技术】
[0002]煤炭是我国的主要消费能源和原料，我国是目前世界上最大的煤炭生产和消费国，鉴于我国“富煤、贫油、少气”的能源现状，在未来相当长的时期内，煤炭的主体能源地位不会发生改变，煤炭工业能否稳健发展与我国能源安全和经济可持续发展息息相关。
[0003]采煤机是重要的煤矿大型生产设备，是煤炭生产数字化、自动化和机械化的重要表征，采煤机能否正常运行直接关系到煤矿的安全生产，由于采煤机的工作环境非常恶劣，容易受到粉尘、煤层结构、高温和潮湿等复杂因素的影响，因此，需要对采煤机的健康状态进行实时准确监测。
[0004]采煤机的滚筒承担割煤和落煤的工作任务，具体表现为:当滚筒以一定的转速转动，采煤机以一定的牵引速度运行时，滚筒旋转并切入煤壁，滚筒上的截齿从煤壁上截割下煤体，破落下的煤在螺旋叶片的作用下被推入工作面的刮板输送机中。由于煤层物理、力学性能无规则变化和截割的截齿数量的变化，采煤机滚筒在工作中所承受的外载荷将发生随机变化，为了保障采煤机安全稳定运行，因此需要探寻采煤机滚筒机械状态的准确监测方法。
[0005]现有技术⑴(参见“基于采煤机滚筒截割振动特性的煤岩识别方法”，刘俊利等，《煤炭科学技术》，第41卷第10期)将振动传感器安装在滚筒转轴附近的摇臂下方，据此对采煤机滚筒的截割信号进行采集。
[0006]现有技术(2)(参见“无人工作面智能化采煤机监控系统的研发”，马洪礼等，《煤炭科学技术》，第42卷第9期)描述了一种基于滚筒永磁电机(即截割电动机)工作电流和滚筒调高油缸压力的滚筒机械状态监测方法。
[0007]从现有技术(1)、(2)中不难发现，采煤机滚筒机械状态的现有监测技术主要是测量与滚筒相关联的机械结构或动力装置的工作状态，以此来间接表征采煤机滚筒的机械状态；这种间接表征方法存在力传递信号延时或缺失等缺点，并不能实现采煤机滚筒机械状态的准确可靠测量。
[0008]通过检索公开的技术报告、学术论文及发明专利等文献，并未发现采煤机滚筒机械状态的直接监测方法，主要原因分析如下:1)用于监测的传感器不能破坏采煤机滚筒的正常工作状态，并且采煤机工作在煤矿综采面这种瓦斯等危险气体富集的环境，对传感器的质量、体积、安装方式和传感类型提出严格要求；
[0009]2)采煤机滚筒是旋转体，滚筒上的传感器与传感信号处理模块之间不能是有线连接，对传感信号的传输方式有严格要求；
[0010]3)采煤机滚筒的机械状态通过应变及温度等多参量共同表征，因此只有对滚筒应变及温度等多参量进行多点同步测量，才能准确表征采煤机滚筒的机械状态。
[0011]同时，中国专利(公开号:CN101373558B)描述了一种高速转轴传感数据的无线光传输及拾取方法，该专利中:转轴模块包含光信号发射MCU、触发信号接收器、光信号发射器、传感器、电源和A/D转换等组成单元；固定模块包含光信号接收MCU、触发激光器、光信号接收器、电源和通信接口等组成单元；当固定模块的触发激光器发出的激光信号被转轴模块的触发信号接收器感应时，转轴模块将缓存数据通过光信号发射器发送至固定模块的光信号接收器，完成传感信号的“点对点”传输，转轴旋转一周完成一次“点对点”信号传输。
[0012]如果将现有技术(3)用于采煤机滚筒的机械状态监测，将会出现的技术问题主要有:
[0013]1)在现有技术(3)中，转轴模块属于有源传感器，用于采煤机滚筒机械状态监测之前，需要进行严格的防爆设计，这会导致转轴模块的体积和质量显著增加，如果将其安装在采煤机滚筒上，会对采煤机滚筒的正常工作状态产生负面影响；
[0014]2)煤矿井下综采工作面属于强电磁干扰环境，在现有技术(3)中，转轴模块的光信号发射MCU和A/D转换单元难以直接在强电磁干扰环境中正常工作；
[0015]3)在现有技术(3)中，转轴模块与固定模块之间的传感信号传输方式为“点对点”传输，限制了传感数据的传输容量，不可能实现采煤机滚筒的多点多参量同步监测，此外，对转轴模块及固定模块的响应能力及数据传输过程中环境稳定性也提出了极高要求；
[0016]综上分析，现有技术(3)无法与采煤机技术领域结合，进而不适用于采煤机滚筒机械状态的监测。
【发明内容】
[0017]针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种采煤机机械状态光纤传感装置及方法，能够实现对采煤机滚筒机械状态的准确测量，从而保障采煤机安全稳定运行。
[0018]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种采煤机滚筒机械状态光纤传感装置，它包括:
[0019]宽带光源、2X 1光纤親合器、光纤光栅解调模块、1 X4光开关、光纤親合器集群
1、光纤耦合器集群I1、光纤耦合器集群II1、光纤耦合器集群IV、准直透镜集群1、准直透镜集群I1、准直透镜集群II1、准直透镜集群IV、环形孔盘、磁性接近开关1、磁性接近开关I1、磁性接近开关II1、磁性接近开关IV、触发信号调理模块、工控机、滚筒转轴、滚筒、光纤光栅传感器、永磁铁、光纤光栅传感器的准直透镜；
[0020]所述宽带光源的输出尾纤与2X1光纤耦合器的输入尾纤I熔接，光纤光栅解调模块的输入尾纤与2X1光纤耦合器的输入尾纤II熔接，2X1光纤耦合器的输出尾纤与1X4光开关的输入尾纤熔接；
[0021]所述1X4光开关的输出尾纤1、输出尾纤I1、输出尾纤II1、输出尾纤IV依次分别与光纤耦合器集群1、光纤耦合器集群I1、光纤耦合器集群II1、光纤耦合器集群IV的输入尾纤熔接；
[0022]所述光纤耦合器集群I的输出尾纤与准直透镜集群I的尾纤熔接，光纤耦合器集群II的输出尾纤与准直透镜集群II的尾纤熔接，光纤耦合器集群III的输出尾纤与准直透镜集群III的尾纤熔接，光纤耦合器集群IV的输出尾纤与准直透镜集群IV的尾纤熔接，准直透镜集群1、准直透镜集群I1、准直透镜集群III和准直透镜集群IV沿着环形孔盘均匀分布，磁性接近开关1、磁性接近开关I1、磁性接近开关III和磁性接近开关IV全部通过螺钉紧固在环形孔盘，并且通过矿用通信电缆与触发信号调理模块连接；
[0023]触发信号调理模块与工控机通过GPIB数据线连接，1 X4光开关与工控机通过RS232数据线连接，光纤光栅解调模块与工控机通过RS232数据线连接；
[0024]其中，滚筒与滚筒转轴连接，光纤光栅传感器采用光纤油膏固定于滚筒，光纤光栅传感器的准直透镜镶嵌于滚筒，永磁铁吸附于滚筒；
[0025]所述的宽带光源为ASE宽带光源，工作波长范围为1525nm至1565nm，8小时的输出功率稳定度< ±0.0ldB，输出光波的偏振度< 0.01，输出光波的光谱平坦度< 0.5dB，输出光功率彡20mff ；
[0026]所述的2X1光纤親合器的親合比为50:50，输入尾纤1、输入尾纤II和输出尾纤均采用单模光纤SMF-28 ;
[0027]所述的光纤光栅解调模块的输入功率范围为_70dBm至_30dBm，波长范围为1525nm至1565nm，波长分辨率为1pm，波长精度为±40pm，功率分辨率为0.ldBm，具有RS232通信接口，输入尾纤采用单模光纤SMF-28 ；
[0028]所述的1 X 4光开关的波长范围为1260nm至1650nm，相邻光通道的切换时间(1ms，插入损耗<0.5dBm，具有RS232通信接口，输入尾纤、输出尾纤1、输出尾纤I1、输出尾纤III和输出尾纤IV全部采用单模光纤SMF-28。
[0029]所述的光纤親合器集群I由五个親合比均为25:25:25:25的1X4光纤親合器构成，1X4光纤耦合器I的输入尾纤作为光纤耦合器集群I的输入尾纤，1X4光纤耦合器I的四根输出尾纤分别与IX4光纤親合器I1、1X4光纤親合器II1、1X4光纤親合器IV和1X4光纤親合器V的输入尾纤恪接，1X4光纤親合器I1、1X4光纤親合器II1、1X4光纤親合器
IV和1X4光纤耦合器V的输出尾纤作为光纤耦合器集群I的输出尾纤，光纤耦合器集群I的输出尾纤数目为16