三维姿态检测用缆式传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种三维姿态检测用缆式传感器，包括线缆形式的载体和内置并相对固定在所述载体中的至少两组分布式光纤传感器，每组分布式光纤传感器由多个间隔布置的光纤传感器以及将它们顺次连接起来的光纤组成，每组分布式光纤传感器呈螺旋状延伸布置，同一载体内的所述分布式光纤传感器按多头螺旋形式布置，所述载体的外形呈实心柱状或空心管状。采用本发明专利技术能对采煤机三维姿态和运行轨迹、工作面直线度等进行在线实时监测，较其他测量方式更经济，且适宜自动化生产。

Cable Sensor for Three-Dimensional Attitude Detection

【技术实现步骤摘要】
三维姿态检测用缆式传感器
本专利技术涉及一种可以检测三维位姿的传感器，尤其可用于实时监测采煤机三维姿态和运行轨迹，以满足自动化采煤需求。
技术介绍
随着煤矿自动化智能化技术的发展，综采工作面基本实现了以采煤机记忆割煤为主、液压支架跟机自动控制的工作面设备自动化生产模式。在该种生产模式下，工作面直线度的自动控制和采煤机自动沿煤层截割是连续正常生产的重要保证。而工作面设备的三维姿态和运行轨迹检测是实现上述功能的基础，特别是采煤机的三维姿态检测和工作面直线度检测。现有的工作面直线度检测方法有基于视觉、编码器、张力传感器等的工作面直线度检测和校正方法，但都没有投入实用。在采煤机的三维姿态检测和工作面直线度检测方面真正实用的是基于惯性导航系统的检测方法，但是该方法实施成本很高，限制了其推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种三维姿态检测用缆式传感器，能以较低的投入实现对采煤机的三维姿态和运行轨迹、工作面的直线度等进行在线实时监测，且操作简单，适宜自动化生产模式。本专利技术的主要技术方案有：一种三维姿态检测用缆式传感器，包括线缆形式的载体和内置并相对固定在所述载体中的至少两组分布式光纤传感器，每组分布式光纤传感器由多个间隔布置的光纤传感器以及将它们顺次连接起来的光纤组成，每组分布式光纤传感器呈螺旋状延伸布置。所述载体的外形可以呈实心柱状或空心管状。所述缆式传感器的横截面外部轮廓可以为圆形、多边形或椭圆形。所述载体为经过塑形和加强处理的柔性材料。所述载体可进一步采用内置钢丝编织加强层的橡胶材料制成。所述载体的表面经柔性铠装。同一载体内的所述分布式光纤传感器按多头螺旋形式布置。同一载体内的所述分布式光纤传感器优选有两组，它们旋向相同，相位相差90度。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用螺旋形式布置的分布式光纤传感器制成缆式传感器，能非常方便地检测综采工作面设备的三维形变，进而确定相关设备的三维姿态、采煤机的实际运行轨迹、工作面直线度等。本专利技术可实现相关指标的自动、实时监测，非常适宜自动化生产模式。由于采用内置分布式光纤传感器的一体式结构的缆式传感器，不仅传感器的安装固定更加简单方便，而且检测过程不受外部环境影响，因此检测可靠，检测结果可信度高。本专利技术结构简单，安装方便，即使在采煤工作环境中也能保持高可靠性，因此相比惯性导航系统投资更少，维护费用也低，非常适于推广应用。附图说明图1是本专利技术在初始状态综采工作面设备上安装布置的俯视示意图；图2是图1所示实施例的综采工作面设备在刮板运输机变形后的状态示意图；图3是本专利技术的一个实施例的局部结构示意图。具体实施方式本专利技术公开了一种三维姿态检测用缆式传感器(简称为缆式传感器)，如图3所示，包括线缆形式的载体32和内置并相对固定在所述载体中的至少两组分布式光纤传感器31，每组分布式光纤传感器由多个间隔布置的光纤传感器以及将它们顺次连接起来的光纤组成，每组分布式光纤传感器呈螺旋状延伸布置。所述载体的实体材料将各组分布式光纤传感器包裹于其中，使分布式光纤传感器上各处都牢固地固定在所述载体内，形成一体式的缆式传感器结构，只要固定了所述载体，就等于固定了所述分布式光纤传感器，因此所述缆式传感器的安装固定更加简单方便。所述缆式传感器属于应变检测类型的传感器，所述分布式光纤传感器随载体的变形而同步发生变形。由于载体对分布式光纤传感器能起到有效的保护作用，因此分布式光纤传感器的检测过程可以不受外部环境影响，因此检测可靠，检测结果可信度高。所述载体的外形可以呈实心柱状(如图3所示)或空心管状。所述载体的横截面外部轮廓形状不限，可以为圆形、多边形(例如矩形)或椭圆形，或其他各种形状。出于方便制造的目的，优选为圆形或矩形。所述载体采用柔性材料，且经过塑形和加强处理，可以有效保护分布式光纤传感器。进一步地，所述载体可以采用内置钢丝编织加强层的橡胶材料。所述载体的表面最好经过柔性铠装，防止所述载体及分布式光纤传感器在缆式传感器的运输和安装过程中损坏。同一载体内的所述分布式光纤传感器按照多头螺旋形式布置。作为优选的实施例，如图3所示，同一载体内的所述分布式光纤传感器有两组，它们旋向相同，相位相差90度。以下为所述缆式传感器在采煤机三维姿态和运行轨迹检测方面的一个应用举例。图1、2所示是以本专利技术的缆式传感器为核心的采煤机三维姿态和运行轨迹监测系统，包括依次连接的激光信号发生装置、缆式传感器3和激光信号接收与处理装置4，激光信号从激光信号发生装置发出，经过缆式传感器及光纤后，由激光信号接收和处理装置接收、处理。所述缆式传感器全长范围内各处均相对采煤机所运行的轨道固定安装，即缆式传感器全长各处与所述轨道之间均不能有相对运动。所述缆式传感器可用于监测所述轨道上任意位置处的形变。所述缆式传感器沿自然状态下的所述轨道的直线延伸方向敷设，该方向也是所述采煤机的理想运行轨迹方向。通常，敷设前所述轨道已经过人工调直，该状态即为所述轨道的初始状态。敷设时只要使其中的所述光纤传感器设置在目标物的目标检测位置即可。目标检测位置越多，需要用到的光纤传感器就越多，对于目标物的三维变形的检测精度也越高。由于将分布式光纤传感器设置成螺旋状这样一种简单、有规律的空间结构，目标物发生空间变形时，分布式光纤传感器在空间三个维度上也都会产生变形，因此可以直接实现三维变形的检测，并且相比设置成其他空间结构无论是硬件制作还是数据处理与运算都相对简单。在多组分布式光纤传感器中，可将任意一组分布式光纤传感器作为参考组，相当于提供度量形变的参照，其他组与参考组之间相位不同，由此可以确定各目标检测位置相对某个基准的三维变形的大小和方向。采煤机1在轨道2上做往复运动，每一个时刻都是处在轨道上的一个特定位置。只要知道采煤机在某一时刻位于轨道的哪个位置，就可以根据该位置处轨道的三维姿态计算出采煤机的三维姿态。而整条轨道的三维姿态，也就是采煤机的运行轨迹。采煤过程中，随着开采的深入，隔上一段时间就需要利用推移油缸将所述轨道向煤壁推移一段距离。现有的轨道主要是由多节相同的刚性单体连接而成的，由于推移油缸动作不到位或者轨道所在处底板凹凸不平，推移过程中相邻两节单体相连接处容易发生弯曲，导致整条轨道产生复杂的三维形变或者说是三维空间内的姿态变化。由于所述缆式传感器全长范围内均固定安装在所述轨道上，因此所述缆式传感器在两节单体相连接处也会随之发生相应的形变。针对上述轨道结构，敷设时优选使每两节单体相连接处都对应设有所述光纤传感器。所述缆式传感器在每两节单体相连接处的应变信息实际上就反映出所述轨道在相应位置处相对于初始状态时的三维形变。由于采煤机沿轨道运行，轨道的三维姿态经过坐标平移变换就能转换为采煤机的三维姿态。轨道的三维形变分解到某一平面上就可以得到轨道在该平面内的直线度，由此可以实现对综采工作面直线度的实时监测。轨道的三维姿态既可以用于工作面直线度检测和调整，又可以用于工作面的开采水平控制。在采煤机沿轨道运行过程中，可以提取到采煤机所到的各个位置的位置信息、对应时间点信息以及对应的轨道三维形变信息，将多个位置上的上述信息综合起来就可以还原出采煤机的实际运行轨迹。可见，轨道的三维姿态监测是对采煤机一系列监测项目的基础和核心。采用以所述缆式传感器为核心的上述监测系统能以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维姿态检测用缆式传感器，其特征在于：包括线缆形式的载体和内置并相对固定在所述载体中的至少两组分布式光纤传感器，每组分布式光纤传感器由多个间隔布置的光纤传感器以及将它们顺次连接起来的光纤组成，每组分布式光纤传感器呈螺旋状延伸布置。

【技术特征摘要】
1.一种三维姿态检测用缆式传感器，其特征在于：包括线缆形式的载体和内置并相对固定在所述载体中的至少两组分布式光纤传感器，每组分布式光纤传感器由多个间隔布置的光纤传感器以及将它们顺次连接起来的光纤组成，每组分布式光纤传感器呈螺旋状延伸布置。2.如权利要求1所述的三维姿态检测用缆式传感器，其特征在于：所述载体的外形呈实心柱状或空心管状。3.如权利要求1所述的三维姿态检测用缆式传感器，其特征在于：所述载体的横截面外部轮廓为圆形、多边形或椭圆形。4.如权利要求1所述的三维姿态检测用缆式传感器，其特征在于：所述载体的外形呈实心柱状或空心管状，所述载体的横截面外部轮廓为圆形、多边形或...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏睿，于追海，邱锦波，庄德玉，侯勇涛，张阳，张启志，吕晓，方彤，郭岱，张涛，黎青，
申请(专利权)人：天地科技股份有限公司上海分公司，天地上海采掘装备科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31