本發(fā)明涉及一種采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)方法，屬于礦井機(jī)械工況監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其適用于一種基于光纖光柵的采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

在煤礦生產(chǎn)中，采煤機(jī)是煤炭綜合機(jī)械化開采中的關(guān)鍵設(shè)備，受地質(zhì)活動(dòng)的影響，煤層厚度常具有較大的空間差異性，采煤機(jī)滾筒需要沿工作面煤巖界面的高度不斷調(diào)整，以獲得最大的采出率，并盡量避免截割巖石。采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)就是在采煤機(jī)進(jìn)行開采時(shí)，對(duì)采煤機(jī)的搖臂位姿進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)采煤機(jī)的前后滾筒進(jìn)行調(diào)高，前后滾筒高度能夠隨煤層厚度變化進(jìn)行調(diào)整，以獲得最大采出率并避免切割到頂板和底板。

目前，采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了多種方法，包括滾筒支臂振動(dòng)監(jiān)測(cè)與特征頻譜分析、滾筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流值與采煤機(jī)行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)及比截割能量特征分析、雷達(dá)探測(cè)法等。這些監(jiān)測(cè)方法基本都是采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集信號(hào)，其顯著的缺點(diǎn)是受采煤現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境條件的干擾較大，信號(hào)采集不穩(wěn)定，識(shí)別結(jié)果的可靠性低，造成采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)效果普遍不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：針對(duì)上述技術(shù)目的，提供一種本質(zhì)安全，抗電磁干擾能力強(qiáng)，受環(huán)境影響小，可靠性高，測(cè)量精度高，能夠?qū)Σ擅簷C(jī)搖臂位姿進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)的基于光纖光柵的采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)裝置及方法。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述局地目的，本發(fā)明的基于光纖光柵的采煤機(jī)搖臂位姿動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)、位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)、位姿數(shù)據(jù)傳感采集子系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)通過礦用傳輸光纖與位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)相連接，位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)通過光纖尾纖與位姿數(shù)據(jù)傳感采集子系統(tǒng)相連接；

所述數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)包括相互連接的面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)和光纖光柵解調(diào)設(shè)備，以及為兩者供電的供電電源，數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)設(shè)置在地面監(jiān)控室內(nèi)，光纖光柵解調(diào)設(shè)備通過礦用傳輸光纖與設(shè)置在井下采煤機(jī)上的位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)相連接；

所述位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)包括多個(gè)相互連接的光纖接線盒；

所述位姿數(shù)據(jù)傳感采集子系統(tǒng)為光纖接線盒與數(shù)量匹配的光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器，多個(gè)光纖接線盒與多個(gè)光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器之間分別通過匹配數(shù)量的光纖尾纖相互連接；

所述多個(gè)光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器分為兩組，一組設(shè)置在采煤機(jī)前搖臂液壓油缸的活塞桿上，另一組設(shè)置在后搖臂液壓油缸的活塞桿上。

所述光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器包括光纖光柵加速度傳感器、光纖光柵傾角傳感器和光纖光柵溫度傳感器，所述的光纖光柵溫度傳感器監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的工作環(huán)境溫度，并對(duì)光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵傾角傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

所述的光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵傾角傳感器的溫度補(bǔ)償方法為最小二乘擬合補(bǔ)償方法。

一種基于光纖光柵的采煤機(jī)搖臂位姿動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)方法，步驟如下：

步驟一：在采煤機(jī)前搖臂液壓油缸的活塞桿的位置安裝一組光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器，在采煤機(jī)后搖臂液壓油缸的活塞桿的位置安裝一組光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器，在采煤機(jī)機(jī)身的位置安設(shè)光纖接線盒；

步驟二：每個(gè)光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器、通過光纖尾纖利用光纖接線盒與礦用傳輸光纖連接，將光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)到的光信號(hào)傳輸?shù)骄希?/p>

步驟三：利用供電電源對(duì)地面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)和光纖光柵解調(diào)設(shè)備進(jìn)行供電，礦用傳輸光纖與光纖光柵解調(diào)設(shè)備連接，光纖光柵解調(diào)設(shè)備將接收到的光信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，光纖光柵解調(diào)設(shè)備通過網(wǎng)線將數(shù)字信號(hào)傳輸給監(jiān)控計(jì)算機(jī)；

步驟四：監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)通過最小二乘擬合補(bǔ)償方法對(duì)加速度傳感器和傾角傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，利用小波分析降噪技術(shù)對(duì)采煤機(jī)位姿信號(hào)進(jìn)行降噪分離處理；

步驟五：處理之后的采煤機(jī)搖臂位姿數(shù)據(jù)通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)分析軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂位姿的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

有益效果：本發(fā)明與已有技術(shù)相比，可有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本申請(qǐng)?jiān)诿簷C(jī)搖臂上設(shè)置光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器，光纖光柵具有極其靈敏的傳感特性，煤機(jī)搖臂油缸活塞桿發(fā)生很小的伸縮和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，都可以測(cè)量出來。

2、光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器利用了光纖光柵的核心技術(shù)，光纖光柵本質(zhì)安全，無源工作，可實(shí)現(xiàn)井下現(xiàn)場(chǎng)直接采集數(shù)據(jù)，方便靈活，抗電磁干擾能力強(qiáng)；同時(shí)，利用光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高，測(cè)量范圍大。

3、實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)搖臂位姿的自動(dòng)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量，通過測(cè)得光纖光柵波長(zhǎng)變化就可以計(jì)算出采煤機(jī)搖臂位姿狀態(tài)的信息。

4、可及時(shí)獲得采煤機(jī)搖臂位姿狀態(tài)的信息，監(jiān)測(cè)采煤機(jī)開采工作是否合理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體布置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的光纖光柵搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器的安裝示意圖；

圖3為本發(fā)明的光纖光柵搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器組成；

圖中標(biāo)號(hào)：1-數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)；2-位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)；3-位姿數(shù)據(jù)傳感采集子系統(tǒng)；4-地面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)；5-光纖光柵解調(diào)設(shè)備；6-供電電源；7-礦用傳輸光纖；8-光纖接線盒；9-光纖尾纖；10ab-光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器；11-地面監(jiān)測(cè)室；12-前搖臂液壓油缸的活塞桿；13-后搖臂液壓油缸的活塞桿；14-采煤機(jī)機(jī)身；15-滑靴。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的描述：

如圖1所示，本發(fā)明的基于光纖光柵的采煤機(jī)搖臂位姿動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：它包括數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)1、位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)2、位姿數(shù)據(jù)傳感采集子系統(tǒng)3，其中數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)1通過礦用傳輸光纖7與位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)2相連接，位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)2通過光纖尾纖9與位姿數(shù)據(jù)傳感采集子系統(tǒng)3相連接；

所述數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)1包括相互連接的面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)4和光纖光柵解調(diào)設(shè)備5，以及為兩者供電的供電電源6，數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)1設(shè)置在地面監(jiān)控室11內(nèi)，光纖光柵解調(diào)設(shè)備5通過礦用傳輸光纖7與設(shè)置在井下采煤機(jī)上的位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)2相連接；

所述位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)2包括多個(gè)相互連接的光纖接線盒8；

如圖3所示，所述位姿數(shù)據(jù)傳感采集子系統(tǒng)3為與光纖接線盒8數(shù)量匹配的光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10，多個(gè)光纖接線盒8與多個(gè)光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10之間分別通過匹配數(shù)量的光纖尾纖相互連接；所述光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10包括光纖光柵加速度傳感器、光纖光柵傾角傳感器和光纖光柵溫度傳感器，所述的光纖光柵溫度傳感器監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的工作環(huán)境溫度，并對(duì)光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵傾角傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

如圖2所示，所述光纖接線盒8設(shè)置在采煤機(jī)機(jī)身14上，采煤機(jī)機(jī)身14底部設(shè)有滑靴15

多個(gè)光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10分為兩組，設(shè)置在采煤機(jī)前搖臂液壓油缸的活塞桿12上的為光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10a，設(shè)置在后搖臂液壓油缸的活塞桿13上為光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10b。

一種基于光纖光柵的采煤機(jī)搖臂位姿動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法，其步驟如下：

步驟一：在采煤機(jī)前搖臂液壓油缸的活塞桿12的位置安裝一組光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10，在采煤機(jī)后搖臂液壓油缸的活塞桿13的位置安裝一組光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10，在采煤機(jī)機(jī)身14的位置安設(shè)光纖接線盒8；

步驟二：每個(gè)光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10、通過光纖尾纖9利用光纖接線盒8與礦用傳輸光纖7連接，將光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10監(jiān)測(cè)到的光信號(hào)傳輸?shù)骄希?/p>

步驟三：利用供電電源6對(duì)地面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)4和光纖光柵解調(diào)設(shè)備5進(jìn)行供電，礦用傳輸光纖7與光纖光柵解調(diào)設(shè)備5連接，光纖光柵解調(diào)設(shè)備5將接收到的光信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，光纖光柵解調(diào)設(shè)備5通過網(wǎng)線將數(shù)字信號(hào)傳輸給監(jiān)控計(jì)算機(jī)4；

步驟四：監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)通過最小二乘擬合補(bǔ)償方法對(duì)加速度傳感器和傾角傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，利用小波分析降噪技術(shù)對(duì)采煤機(jī)位姿信號(hào)進(jìn)行降噪分離處理；

步驟五：處理之后的采煤機(jī)搖臂位姿數(shù)據(jù)通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)分析軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂位姿的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

實(shí)施例1：

當(dāng)采煤機(jī)的前搖臂液壓油缸的活塞桿12和后搖臂液壓油缸的活塞桿13位姿發(fā)生變化時(shí)，引起光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10內(nèi)部光柵柵距變化，從而使光柵反射回來的光信號(hào)的中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移；所述的位姿數(shù)據(jù)傳遞子系統(tǒng)由礦用傳輸光纖7、光纖接線盒8和光纖尾纖9組成，光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10通過自身的光纖尾纖9將反射回來的光信號(hào)傳輸?shù)降V用傳輸光纖7，光纖尾纖9與礦用傳輸光纖7通過光纖接線盒8連接；所述的數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)安裝在地面監(jiān)控室內(nèi)，數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)4、光纖光柵解調(diào)設(shè)備5和供電電源6組成，供電電源6為地面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)4和光纖光柵解調(diào)設(shè)備5提供額定的電源，礦用傳輸光纖7將光信號(hào)傳輸?shù)焦饫w光柵解調(diào)設(shè)備5，光纖光柵解調(diào)設(shè)備5將光信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)并傳輸至監(jiān)控計(jì)算機(jī)4保存，監(jiān)控計(jì)算機(jī)4對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理分析，并通過屏幕和鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)搖臂位姿的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

所述的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地面和井下相互連接的方式為，位姿數(shù)據(jù)傳感采集子系統(tǒng)的兩組光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10通過光纖尾纖9和光纖接線盒8將采集監(jiān)測(cè)的采煤機(jī)搖臂位姿的波長(zhǎng)信息數(shù)據(jù)傳至礦用傳輸光纖9，然后以礦用傳輸光纖7的有線通訊方式傳送至地面監(jiān)控室的光纖光柵解調(diào)設(shè)備5，光纖光柵解調(diào)設(shè)備5將波長(zhǎng)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)為數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)線將數(shù)字信號(hào)傳至地面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)4，地面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)4對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，并及時(shí)的將數(shù)據(jù)反饋至井下，實(shí)現(xiàn)地面與井下的相互通訊。

所述的地面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)4內(nèi)嵌采煤機(jī)搖臂位姿數(shù)據(jù)分析處理軟件。

所述的光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感10器為不銹鋼封裝，采用單端出光纖的方式。

通過以上的具體實(shí)施，本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵的采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)方法，該方法實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)搖臂位姿的自動(dòng)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)，采用的光纖光柵具有極其靈敏的傳感特性，同時(shí)本質(zhì)安全，井下現(xiàn)場(chǎng)直接采集數(shù)據(jù)，抗電磁干擾能力強(qiáng)；利用光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高，測(cè)量范圍大；可及時(shí)獲得采煤機(jī)搖臂位姿狀態(tài)的信息，對(duì)采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)具有重要意義。

本發(fā)明的工作原理是：首先簡(jiǎn)要地了解采煤機(jī)搖臂的工作原理：采煤機(jī)搖臂是在液壓油缸系統(tǒng)的帶動(dòng)下進(jìn)行工作的；當(dāng)向密閉油缸內(nèi)注油時(shí)，油缸內(nèi)的活塞桿伸出；反之當(dāng)出油口出油時(shí)，活塞桿縮進(jìn)。正是由于在油缸活塞的伸縮帶動(dòng)下?lián)u臂才能升高或下降，即活塞桿的伸縮長(zhǎng)度與搖臂高度之間有種對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如果知道了活塞桿的伸縮長(zhǎng)度時(shí)，通過這種對(duì)應(yīng)關(guān)系也就獲得了搖臂的高度。因此采用間接法監(jiān)測(cè)搖臂高度時(shí)，可先通過傳感器監(jiān)測(cè)油缸活塞桿的伸縮長(zhǎng)度，然后再根據(jù)它們之間的關(guān)系計(jì)算搖臂的高度。本發(fā)明采用間接的方法監(jiān)測(cè)采煤機(jī)搖臂位姿狀態(tài)，當(dāng)油缸活塞桿伸縮時(shí)即采煤機(jī)搖臂位姿發(fā)生變化，光纖光柵采煤機(jī)搖臂位姿監(jiān)測(cè)傳感器10內(nèi)的光纖光柵發(fā)生應(yīng)變，使得光纖光柵的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，利用光纖光柵解調(diào)設(shè)備5將波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，傳至地面上監(jiān)控計(jì)算機(jī)4，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示采煤機(jī)搖臂位姿狀態(tài)變化，這一技術(shù)的應(yīng)用對(duì)采煤機(jī)搖臂位姿的監(jiān)測(cè)具有重要意義。