本發(fā)明涉及一種采煤機搖臂位姿監(jiān)測方法，屬于礦井機械工況監(jiān)測領域，尤其適用于一種基于光纖光柵的采煤機搖臂位姿監(jiān)測裝置及方法。

背景技術：

在煤礦生產(chǎn)中，采煤機是煤炭綜合機械化開采中的關鍵設備，受地質(zhì)活動的影響，煤層厚度常具有較大的空間差異性，采煤機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。采煤機搖臂位姿監(jiān)測就是在采煤機進行開采時，對采煤機的搖臂位姿進行監(jiān)測，從而對采煤機的前后滾筒進行調(diào)高，前后滾筒高度能夠隨煤層厚度變化進行調(diào)整，以獲得最大采出率并避免切割到頂板和底板。

目前，采煤機搖臂位姿監(jiān)測在國內(nèi)外已經(jīng)有了多種方法，包括滾筒支臂振動監(jiān)測與特征頻譜分析、滾筒驅(qū)動電機電流值與采煤機行進速度監(jiān)測及比截割能量特征分析、雷達探測法等。這些監(jiān)測方法基本都是采用現(xiàn)場實時采集信號，其顯著的缺點是受采煤現(xiàn)場惡劣環(huán)境條件的干擾較大，信號采集不穩(wěn)定，識別結(jié)果的可靠性低，造成采煤機搖臂位姿監(jiān)測效果普遍不理想。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：針對上述技術目的，提供一種本質(zhì)安全，抗電磁干擾能力強，受環(huán)境影響小，可靠性高，測量精度高，能夠?qū)Σ擅簷C搖臂位姿進行及時監(jiān)測，可自動監(jiān)測及實時在線動態(tài)連續(xù)監(jiān)測的基于光纖光柵的采煤機搖臂位姿監(jiān)測裝置及方法。

技術方案：為實現(xiàn)上述局地目的，本發(fā)明的基于光纖光柵的采煤機搖臂位姿動態(tài)監(jiān)測系統(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)控計算機和光纖光柵解調(diào)設備，以及為兩者供電的供電電源，數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)設置在地面監(jiān)控室內(nèi)，光纖光柵解調(diào)設備通過礦用傳輸光纖與設置在井下采煤機上的位姿數(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搖臂位姿監(jiān)測傳感器，多個光纖接線盒與多個光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器之間分別通過匹配數(shù)量的光纖尾纖相互連接；

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

所述光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測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)測采煤機的工作環(huán)境溫度，并對光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵傾角傳感器監(jiān)測結(jié)果進行溫度補償。

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償方法為最小二乘擬合補償方法。

一種基于光纖光柵的采煤機搖臂位姿動態(tài)監(jiān)測監(jiān)測方法，步驟如下：

步驟一：在采煤機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搖臂位姿監(jiān)測傳感器，在采煤機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搖臂位姿監(jiān)測傳感器，在采煤機機身的位置安設光纖接線盒；

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

步驟三：利用供電電源對地面上監(jiān)控計算機和光纖光柵解調(diào)設備進行供電，礦用傳輸光纖與光纖光柵解調(diào)設備連接，光纖光柵解調(diào)設備將接收到的光信號解調(diào)為數(shù)字信號，光纖光柵解調(diào)設備通過網(wǎng)線將數(shù)字信號傳輸給監(jiān)控計算機；

步驟四：監(jiān)控計算機對采集到的數(shù)字信號通過最小二乘擬合補償方法對加速度傳感器和傾角傳感器的數(shù)據(jù)進行溫度補償，利用小波分析降噪技術對采煤機位姿信號進行降噪分離處理；

步驟五：處理之后的采煤機搖臂位姿數(shù)據(jù)通過監(jiān)控計算機分析軟件實現(xiàn)人機交互和實時動態(tài)顯示，實現(xiàn)對采煤機搖臂位姿的動態(tài)監(jiān)測。

有益效果：本發(fā)明與已有技術相比，可有如下優(yōu)點：

1、本申請在煤機搖臂上設置光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器，光纖光柵具有極其靈敏的傳感特性，煤機搖臂油缸活塞桿發(fā)生很小的伸縮和轉(zhuǎn)動時，都可以測量出來。

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

3、實現(xiàn)了采煤機搖臂位姿的自動監(jiān)測及實時在線動態(tài)連續(xù)測量，通過測得光纖光柵波長變化就可以計算出采煤機搖臂位姿狀態(tài)的信息。

4、可及時獲得采煤機搖臂位姿狀態(tài)的信息，監(jiān)測采煤機開采工作是否合理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的監(jiān)測系統(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)測傳感器組成；

圖中標號：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)控計算機；5-光纖光柵解調(diào)設備；6-供電電源；7-礦用傳輸光纖；8-光纖接線盒；9-光纖尾纖；10ab-光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器；11-地面監(jiān)測室；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-采煤機機身；15-滑靴。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的描述：

如圖1所示，本發(fā)明的基于光纖光柵的采煤機搖臂位姿動態(tài)監(jiān)測系統(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)控計算機4和光纖光柵解調(diào)設備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設置在地面監(jiān)控室11內(nèi)，光纖光柵解調(diào)設備5通過礦用傳輸光纖7與設置在井下采煤機上的位姿數(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搖臂位姿監(jiān)測傳感器10，多個光纖接線盒8與多個光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器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搖臂位姿監(jiān)測傳感器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)測采煤機的工作環(huán)境溫度，并對光纖光柵加速度傳感器和光纖光柵傾角傳感器監(jiān)測結(jié)果進行溫度補償。

如圖2所示，所述光纖接線盒8設置在采煤機機身14上，采煤機機身14底部設有滑靴15

多個光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器10分為兩組，設置在采煤機前搖臂液壓油缸的活塞桿12上的為光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器10a，設置在后搖臂液壓油缸的活塞桿13上為光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器10b。

一種基于光纖光柵的采煤機搖臂位姿動態(tài)監(jiān)測方法，其步驟如下：

步驟一：在采煤機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搖臂位姿監(jiān)測傳感器10，在采煤機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搖臂位姿監(jiān)測傳感器10，在采煤機機身14的位置安設光纖接線盒8；

步驟二：每個光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器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，將光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器10監(jiān)測到的光信號傳輸?shù)骄希?/p>

步驟三：利用供電電源6對地面上監(jiān)控計算機4和光纖光柵解調(diào)設備5進行供電，礦用傳輸光纖7與光纖光柵解調(diào)設備5連接，光纖光柵解調(diào)設備5將接收到的光信號解調(diào)為數(shù)字信號，光纖光柵解調(diào)設備5通過網(wǎng)線將數(shù)字信號傳輸給監(jiān)控計算機4；

步驟四：監(jiān)控計算機對采集到的數(shù)字信號通過最小二乘擬合補償方法對加速度傳感器和傾角傳感器的數(shù)據(jù)進行溫度補償，利用小波分析降噪技術對采煤機位姿信號進行降噪分離處理；

步驟五：處理之后的采煤機搖臂位姿數(shù)據(jù)通過監(jiān)控計算機分析軟件實現(xiàn)人機交互和實時動態(tài)顯示，實現(xiàn)對采煤機搖臂位姿的動態(tài)監(jiān)測。

實施例1：

當采煤機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，引起光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器10內(nèi)部光柵柵距變化，從而使光柵反射回來的光信號的中心波長發(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，光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器10通過自身的光纖尾纖9將反射回來的光信號傳輸?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)控計算機4、光纖光柵解調(diào)設備5和供電電源6組成，供電電源6為地面上監(jiān)控計算機4和光纖光柵解調(diào)設備5提供額定的電源，礦用傳輸光纖7將光信號傳輸?shù)焦饫w光柵解調(diào)設備5，光纖光柵解調(diào)設備5將光信號解調(diào)為數(shù)字信號并傳輸至監(jiān)控計算機4保存，監(jiān)控計算機4對數(shù)字信號進行進一步處理分析，并通過屏幕和鍵盤實現(xiàn)人機交互，實現(xiàn)對采煤機搖臂位姿的動態(tài)監(jiān)測。

所述的監(jiān)測系統(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搖臂位姿監(jiān)測傳感器10通過光纖尾纖9和光纖接線盒8將采集監(jiān)測的采煤機搖臂位姿的波長信息數(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)設備5，光纖光柵解調(diào)設備5將波長信息數(shù)據(jù)進行解調(diào)為數(shù)字信號數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)線將數(shù)字信號傳至地面上監(jiān)控計算機4，地面上監(jiān)控計算機4對數(shù)據(jù)進行后期處理，并及時的將數(shù)據(jù)反饋至井下，實現(xiàn)地面與井下的相互通訊。

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

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

通過以上的具體實施，本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵的采煤機搖臂位姿監(jiān)測方法，該方法實現(xiàn)了采煤機搖臂位姿的自動監(jiān)測及實時在線動態(tài)連續(xù)監(jiān)測，采用的光纖光柵具有極其靈敏的傳感特性，同時本質(zhì)安全，井下現(xiàn)場直接采集數(shù)據(jù)，抗電磁干擾能力強；利用光纖進行信號傳輸，傳輸距離遠，可靠性高，測量范圍大；可及時獲得采煤機搖臂位姿狀態(tài)的信息，對采煤機搖臂位姿監(jiān)測具有重要意義。

本發(fā)明的工作原理是：首先簡要地了解采煤機搖臂的工作原理：采煤機搖臂是在液壓油缸系統(tǒng)的帶動下進行工作的；當向密閉油缸內(nèi)注油時，油缸內(nèi)的活塞桿伸出；反之當出油口出油時，活塞桿縮進。正是由于在油缸活塞的伸縮帶動下?lián)u臂才能升高或下降，即活塞桿的伸縮長度與搖臂高度之間有種對應的關系，如果知道了活塞桿的伸縮長度時，通過這種對應關系也就獲得了搖臂的高度。因此采用間接法監(jiān)測搖臂高度時，可先通過傳感器監(jiān)測油缸活塞桿的伸縮長度，然后再根據(jù)它們之間的關系計算搖臂的高度。本發(fā)明采用間接的方法監(jiān)測采煤機搖臂位姿狀態(tài)，當油缸活塞桿伸縮時即采煤機搖臂位姿發(fā)生變化，光纖光柵采煤機搖臂位姿監(jiān)測傳感器10內(nèi)的光纖光柵發(fā)生應變，使得光纖光柵的中心波長產(chǎn)生漂移，利用光纖光柵解調(diào)設備5將波長信號解調(diào)為數(shù)字信號，傳至地面上監(jiān)控計算機4，可實時動態(tài)顯示采煤機搖臂位姿狀態(tài)變化，這一技術的應用對采煤機搖臂位姿的監(jiān)測具有重要意義。