本发明专利技术公开了一种采煤机滚筒振动光纤监测装置及监测方法，该装置包括压电陶瓷、固定铁环、活动铁环、多匝线圈、磁致伸缩材料和光纤光栅传感器，采煤机滚筒工作时，滚筒的振动诱导固定铁环和活动铁环产生相对运动并对压电陶瓷产生挤压作用，被挤压的压电陶瓷在多匝线圈的输入端和输出端形成电压，多匝线圈由此流通电流并在线圈内激发产生磁场，磁场诱导磁致伸缩材料产生形变并被光纤光栅传感器准确测量，最终根据光纤光栅传感器的测量结果反推获得采煤机滚筒的振动信息。本发明专利技术具备装置结构简单、成本低、准确度高等优点。
An optical fiber monitoring device for shearer drum vibration and its monitoring method
【技术实现步骤摘要】
一种采煤机滚筒振动光纤监测装置及监测方法
本专利技术涉及机械振动监测
，具体涉及一种采煤机滚筒振动光纤监测装置及监测方法。
技术介绍
随着对煤矿开采安全要求的不断提高，在煤矿开采时，综采设备的性能是保证安全开采的前提，采煤机工作时，采煤机滚筒承受很大的载荷，加上轴承等零件的磨损，采煤机将产生剧烈的振动，当振动量超过一定的范围，会影响采煤机的工作寿命，严重则引发生产安全事故。对于采煤机滚筒这种大型回转机械，通过振动信号可以分析得到回转零件的磨损情况，一旦超出安全标准要求，及时更换以避免事故发生，故对采煤机滚筒振动监测、振动分析和控制具有重要意义。传统的采煤机滚筒振动监测方法多采用间接的方法测量，无法实现在线测量，并且测量精度低。CN106225906A公开了一种基于光纤传感的采煤机滚筒振动监测装置及方法，该监测装置由固定监测装置和旋转监测装置构成，(1)旋转监测装置由第一光源模块、监测光纤环、光电转换模块和单层导线线圈构成，利用采煤机滚筒振动诱导监测光纤环中的偏振光产生双折射，双折射导致光电转换模块的输出电压发生改变，进而改变单层导线线圈的流通电流，实现滚筒振动信号到线圈电流信号的变换，但是这种方法存在的主要问题是第一光源模块和光电转换模块均需要配套单独的防爆电源供电，采煤机滚筒振动信号与其诱导的双折射之间是非线性关系且信号强度极其微弱，此外采煤机滚筒行星轮减速器与滚筒外壁之间的狭长区域内难以同时安装第一光源模块、光电转换模块及配套电源。(2)固定监测装置引入掺铽光纤作为传感光纤，将掺铽光纤沿着单层导线线圈的轴线安装，实现了线圈电流信号到固定监测装置中光信号的变化，但是这种方法的主要问题在于灵敏度较低，掺铽光纤的费尔德常数仅为10-6rad/A量级，在采煤机滚筒振动监测中，这种微弱信号容易被环境噪声所淹没。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种采煤机滚筒振动光纤监测装置，结构简单，布置合理，抗干扰能力强。本专利技术的另一目的是提供基于上述采煤机滚筒振动光纤监测装置的监测方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种采煤机滚筒振动光纤监测装置，所述监测装置包括压电陶瓷、固定铁环、活动铁环、多匝线圈、磁致伸缩材料和光纤光栅传感器；其中，所述固定铁环固定在采煤机滚筒的行星齿轮减速器上，所述活动铁环固定在采煤机滚筒内壁上，所述压电陶瓷采用长方体块状结构，压电陶瓷的左侧面和右侧面分别连接固定铁环和活动铁环，所述多匝线圈缠绕在行星齿轮减速器与采煤机滚筒内壁之间的间隙中，所述多匝线圈的输入端和输出端分别连接所述压电陶瓷的上表面和下表面，所述磁致伸缩材料安装在所述多匝线圈的轴线上，所述光纤光栅传感器的传感单元粘贴在所述磁致伸缩材料上。优选的，所述压电陶瓷为经过极化后的钛酸钡压电陶瓷，极化方向采用与固定铁环的结合面平行的方向，并且在压电陶瓷的左侧面和右侧面加载预应力。优选的，所述多匝线圈表面做防爆处理。优选的，所述磁致伸缩材料为钛镝铁材料。优选的，所述光纤光栅传感器为刻制布拉格光栅的光纤光栅传感器。本专利技术还提供一种采煤机滚筒振动光纤监测方法，包括以下步骤：A、采煤机工作时，固定铁环和活动铁环随采煤机滚筒振动形成相对位移，该相对位移对压电陶瓷形成挤压作用，在压电陶瓷的上表面和下表面形成与振动加速度a(t)成比例的电压信号v(t)，即：v(t)＝k1·a(t)；B、压电陶瓷被挤压产生的电压信号v(t)加载在多匝线圈的输入端和输出端，由此在多匝线圈中产生成比例的电流信号i(t)，即：i(t)＝k2·v(t)；进一步，电流信号i(t)在多匝线圈内形成轴向磁场H(t)，即：H(t)＝k3·i(t)；C、由于轴向磁场H(t)的作用，磁致伸缩材料沿轴向发生形变ε(t)，即：ε(t)＝k4·H(t)；磁致伸缩材料的轴向形变ε(t)诱导光纤光栅传感器的中心波长发生偏移，偏移量为Δλ(t)，即：Δλ(t)＝k5·ε(t)；D、根据测得的光纤光栅传感器的中心波长偏移量Δλ(t)以及各级比例系数，换算出采煤机滚筒的振动加速度，即：a(t)＝Δλ(t)/(k1k2k3k4k5)。与现有技术相比，本专利技术利用压电陶瓷将采煤机的滚筒振动信号转变为电压信号，利用多匝线圈将电压信号转变为磁场信号，利用磁致伸缩材料将磁场信号转变为形变信号，最后通过光纤光栅传感器将形变信号转变为光学信号，实现了煤矿采煤机的滚筒振动的在线监测。本专利技术的监测装置具有结构简单、布置合理、成本低和抗干扰能力强的优点，监测方法快速、准确度高。附图说明图1是本专利技术的采煤机滚筒振动光纤监测装置示意图。图2是图1中I处放大图。图中：1、压电陶瓷，2、固定铁环，3、活动铁环，4、多匝线圈，5、磁致伸缩材料，6、光纤光栅传感器，7、滚筒，8、行星齿轮减速器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。以下实施例中指代的“上”“下”“左”“右”均是以图1为基准，即以图1的左侧为左，图1的上方为上。如图1、图2所示，本专利技术的一种采煤机滚筒振动光纤监测装置，它包括压电陶瓷1、固定铁环2、活动铁环3、多匝线圈4、磁致伸缩材料5和光纤光栅传感器6；其中，所述固定铁环2固定在采煤机滚筒7的行星齿轮减速器8上，所述活动铁环3固定在采煤机滚筒7内壁上，所述压电陶瓷1采用长方体块状结构，压电陶瓷1设置在固定铁环2和活动铁环3之间，即压电陶瓷1的左侧面和右侧面分别连接固定铁环2和活动铁环3，所述多匝线圈4缠绕在行星齿轮减速器8与采煤机滚筒7内壁之间的间隙中，所述多匝线圈4的输入端和输出端分别连接所述压电陶瓷1的上表面和下表面，所述磁致伸缩材料5安装在多匝线圈4的轴线上，光纤光栅传感器6的传感单元粘贴在磁致伸缩材料5上。所述压电陶瓷1为经过极化后的钛酸钡压电陶瓷，极化方向采用与固定铁环2的结合面平行的方向，并且在压电陶瓷1的左侧面和右侧面加载预应力。所述多匝线圈4表面做防爆处理。所述磁致伸缩材料5为钛镝铁材料。所述光纤光栅传感器6为刻制布拉格光栅的光纤光栅传感器。基于上述采煤机滚筒振动光纤监测装置的监测方法，包括以下步骤：A、采煤机工作时，固定铁环2和活动铁环3随采煤机滚筒7振动形成相对位移，该相对位移对压电陶瓷1形成挤压作用，在压电陶瓷1的上表面和下表面形成与振动加速度a(t)成比例的电压信号v(t)，即：v(t)＝k1·a(t)；B、压电陶瓷1被挤压产生的电压信号v(t)加载在多匝线圈(4)的输入端和输出端，由此在多匝线圈4中产生成比例的电流信号i(t)，即：i(t)＝k2·v(t)；进一步，电流信号i(t)在多匝线圈4内形成轴向磁场H(t)，即：H(t)＝k3·i(t)；C、由于轴向磁场H(t)的作用，磁致伸缩材料5沿轴向发生形变ε(t)，即：ε(t)＝k4·H(t)；磁致伸缩材料5的轴向形变ε(t)诱导光纤光栅传感器6的中心波长发生偏移，偏移量为Δλ(t)，即：Δλ(t)＝k5·本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种采煤机滚筒振动光纤监测装置，其特征在于：所述监测装置包括压电陶瓷(1)、固定铁环(2)、活动铁环(3)、多匝线圈(4)、磁致伸缩材料(5)和光纤光栅传感器(6)；其中，所述固定铁环(2)固定在采煤机滚筒(7)的行星齿轮减速器(8)上，所述活动铁环(3)固定在采煤机滚筒(7)内壁上，所述压电陶瓷(1)采用长方体块状结构，压电陶瓷(1)的左侧面和右侧面分别连接固定铁环(2)和活动铁环(3)，所述多匝线圈(4)缠绕在行星齿轮减速器(8)与采煤机滚筒(7)内壁之间的间隙中，所述多匝线圈(4)的输入端和输出端分别连接所述压电陶瓷(1)的上表面和下表面，所述磁致伸缩材料(5)安装在所述多匝线圈(4)的轴线上，所述光纤光栅传感器(6)的传感单元粘贴在所述磁致伸缩材料(5)上。/n
【技术特征摘要】
1.一种采煤机滚筒振动光纤监测装置，其特征在于：所述监测装置包括压电陶瓷(1)、固定铁环(2)、活动铁环(3)、多匝线圈(4)、磁致伸缩材料(5)和光纤光栅传感器(6)；其中，所述固定铁环(2)固定在采煤机滚筒(7)的行星齿轮减速器(8)上，所述活动铁环(3)固定在采煤机滚筒(7)内壁上，所述压电陶瓷(1)采用长方体块状结构，压电陶瓷(1)的左侧面和右侧面分别连接固定铁环(2)和活动铁环(3)，所述多匝线圈(4)缠绕在行星齿轮减速器(8)与采煤机滚筒(7)内壁之间的间隙中，所述多匝线圈(4)的输入端和输出端分别连接所述压电陶瓷(1)的上表面和下表面，所述磁致伸缩材料(5)安装在所述多匝线圈(4)的轴线上，所述光纤光栅传感器(6)的传感单元粘贴在所述磁致伸缩材料(5)上。
2.根据权利要求1所述的一种采煤机滚筒振动光纤监测装置，其特征在于，所述压电陶瓷(1)为经过极化后的钛酸钡压电陶瓷，极化方向采用与固定铁环(2)的结合面平行的方向，并且在压电陶瓷(1)的左侧面和右侧面加载预应力。
3.根据权利要求1所述的一种采煤机滚筒振动光纤监测装置，其特征在于，所述多匝线圈(4)表面做防爆处理。
4.根据权利要求1所述的一种采煤机滚筒振动光纤监测装置，其特征在于，所述磁致伸缩材料(5)为钛镝铁材料。
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【专利技术属性】
技术研发人员：许少毅，薛宏宇，邢方方，李威，王禹桥，彭强，董峰，陈光，
申请(专利权)人：中国矿业大学，徐州工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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