一种光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统和补偿方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统和补偿方法，补偿系统包括：光纤光栅曲率传感器，安装在刮板输送机上；角度传感器，包括两个且分别安装在光纤光栅曲率传感器的两侧，配置为通过监测光纤光栅曲率传感器两端的差值获得光纤光栅传曲率感器的扭转角度；光纤光栅串，布置在光纤光栅传曲率感器上形成多个光栅测点，配置为感知光纤光栅传曲率感器的中心波长；光纤光栅解调仪，与光纤光栅串相耦接，配置为将光纤光栅串所感知的中心波长的光信号转化为电信号；计算机，其分别与角度传感器和光纤光栅解调仪相耦接，配置为基于接收的扭转角度和中心波长剔除扭转引起的光纤光栅波长变化量，以获得光栅测点所在的位置经扭转补偿后的曲率。经扭转补偿后的曲率。经扭转补偿后的曲率。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统和补偿方法


[0001]本专利技术涉及矿用光纤传感领域，尤其涉及一种光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统和补偿方法。

技术介绍

[0002]刮板输送机直线度精准感知对于建成智能工作面具有重要意义，通过对刮板输送机直线度的精准感知可为智能工作面实现“三直两平”工艺以及无人工作面的建成提供数据支持。现阶段的主流技术是在采煤机机身安装惯导，通过采煤机的运行轨迹反演刮板输送机的直线度，但该技术存在累计误差、间接误差、感知滞后性、成本高等缺点，难以有效指导无人工作面的长期不停机运行。
[0003]光纤光栅曲率传感器相比于传统电磁式传感器具有易弯曲、无源、抗电磁干扰等优势，近年，光纤光栅曲率传感器被用于煤矿井下刮板输送机直线度感知，但光纤光栅曲率传感器沿刮板输送机超长距离布置使得该类传感器极易产生扭转，从而导致光纤光栅波长漂移量来源于传感器弯曲与扭转的叠加作用，由此在形态监测时产生误差，难以满足井下刮板输送机直线度感知精度需求。因此，专利技术一种刮板输送机光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统和方法有利于提高基于光纤光栅的刮板输送机直线度感知精度，为光纤光栅曲率传感器在煤矿井下的推广应用奠定基础。

技术实现思路

[0004]本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统和补偿方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
[0005]本专利技术的一个目的在于提出一种光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统，包括：
[0006]光纤光栅曲率传感器，安装在刮板输送机上；
[0007]角度传感器，包括两个且分别安装在所述光纤光栅曲率传感器的两侧，配置为通过监测所述光纤光栅曲率传感器两端的差值获得光纤光栅传曲率感器的扭转角度；
[0008]光纤光栅串，布置在所述光纤光栅传曲率感器上形成多个光栅测点，配置为感知所述光纤光栅传曲率感器的中心波长；
[0009]光纤光栅解调仪，与所述光纤光栅串相耦接，配置为将所述光纤光栅串所感知的中心波长的光信号转化为电信号；
[0010]计算机，其分别与所述角度传感器和所述光纤光栅解调仪相耦接，配置为基于接收的所述扭转角度和所述中心波长剔除扭转引起的光纤光栅波长变化量，以获得光栅测点所在的位置经扭转补偿后的曲率。
[0011]在该技术方案中，由角度传感器监测所述光纤光栅曲率传感器两端的差值获得光纤光栅传曲率感器的扭转角度由光纤光栅串监测所述光纤光栅传曲率感器上各个光栅测点的中心波长；其中由光纤光栅解调仪将所述光纤光栅串所感知的中心波长的光信号转
化为电信号；在计算机获得扭转角度和中心波长后，先由计算机基于光栅波长变化量对传感器光纤光栅串感知的正应变ε
a
进行修正；再由计算机基于修正后的传感器光纤光栅串感知应变ε
a
，对受弯曲与扭转叠加作用的光纤光栅传曲率感器曲率进行修正，并获得光栅测点所在位置的曲率K。该补偿系统将敏感元件光纤光栅的波长漂移量分离为传感器弯曲所致与扭转所致，通过剔除传感器扭转诱发的波长漂移量，实现了刮板输送机光纤光栅曲率传感器的扭转补偿，能够更为精准的解算传感器的曲率特征，实现更高精度的刮板输送机直线度感知。
[0012]另外，根据本专利技术的光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统，还可以具有如下技术特征：
[0013]在本专利技术的一个示例中，所述光纤光栅串包括：
[0014]沿着所述光纤光栅传曲率感器延伸方向布置的第一光纤光栅串；
[0015]沿着所述光纤光栅传曲率感器延伸方向布置的第二光纤光栅串；
[0016]其中，所述第一光纤光栅串与所述第二光纤光栅串在所述光纤光栅传曲率感器的周向方向上间隔90度。
[0017]在本专利技术的一个示例中，所述计算机包括：
[0018]第一修正模块，所述第一修正模块配置为基于光栅波长变化量对光纤光栅串感知的正应变ε
a
进行修正；
[0019]第二修正模块，所述第二修正模块配置为基于修正后的光纤光栅串感知的正应变ε
a
对受弯曲与扭转叠加作用的光纤光栅曲率传感器的曲率进行修正，以获得光栅测点所在的位置经扭转补偿后的曲率K。
[0020]在本专利技术的一个示例中，光纤光栅曲率传感器弯曲致使光纤光栅产生正应变的修正公式为：
[0021][0022]式中，r为光纤光栅距离形心的距离，为刮板输送机光纤光栅曲率传感器的扭转误差角，l为刮板输送机光纤光栅曲率传感器的长度，Δλ为光栅波长变化量，λ
B
为光纤光栅的初始波长，P
e
为光纤的有效弹光系数。
[0023]在本专利技术的一个示例中，光栅测点所在位置的曲率K经过扭转补偿后的修正表达式为：
[0024][0025]式中，r为光纤光栅距离形心的距离，为刮板输送机光纤光栅曲率传感器的扭转误差角，l为刮板输送机光纤光栅曲率传感器的长度，Δλ为光栅波长变化量，λ
B
为光纤光栅的初始波长，M为光纤光栅的曲率灵敏度系数。
[0026]在本专利技术的一个示例中，所述计算机还包括：
[0027]可视化模块，其配置为能够基于补偿后的曲率信息，通过离散曲率连续化算法实现刮板输送机的二维曲线与三维曲线的可视化。
[0028]在本专利技术的一个示例中，还包括：服务器，
[0029]其一端分别与所述角度传感器、所述光纤光栅解调仪相耦接，其另一端与所述计算机相耦接，配置为接收并存储所述扭转角度和所述中心波长，并使得所述服务器内存储的所述扭转角度和所述中心波长能够被所述计算机调用。
[0030]本专利技术的另一个目的在于提出一种如上述所述的光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统的补偿方法，包括如下步骤：
[0031]S10：由角度传感器监测所述光纤光栅曲率传感器两端的差值获得光纤光栅传曲率感器的扭转角度由光纤光栅串监测所述光纤光栅传曲率感器上各个光栅测点的中心波长；
[0032]S20：由计算机基于光栅波长变化量对光纤光栅串感知的正应变ε
a
进行修正；
[0033]S30：由计算机基于修正后的光纤光栅串感知应变ε
a
，对受弯曲与扭转叠加作用的光纤光栅传曲率感器曲率进行修正，并获得光栅测点所在位置经过扭转补偿后的曲率K。
[0034]在本专利技术的一个示例中，在步骤S30之后还包括：
[0035]所述计算机还能够基于补偿后的曲率信息，通过离散曲率连续化算法实现刮板输送机的二维曲线与三维曲线的可视化。
[0036]在本专利技术的一个示例中，在所述步骤S20中，光纤光栅曲率传感器弯曲致使光纤光栅产生正应变的修正公式为：
[0037][0038]式中，r为光纤光栅距离形心的距离，为刮板输送机光纤光栅曲率传感器的扭转误差角，l为刮板输送机光纤光栅曲率传感器的长度，Δλ为光栅波长变化量，λ
B
为光纤光栅的初始波长，P
e本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统，其特征在于，包括：光纤光栅曲率传感器(10)，安装在刮板输送机上；角度传感器(20)，包括两个且分别安装在所述光纤光栅曲率传感器(10)的两侧，配置为通过监测所述光纤光栅曲率传感器(10)两端的差值获得光纤光栅传曲率感器(10)的扭转角度；光纤光栅串(30)，布置在所述光纤光栅传曲率感器(10)上形成多个光栅测点(30A)，配置为感知所述光纤光栅传曲率感器(10)的中心波长；光纤光栅解调仪(40)，与所述光纤光栅串(30)相耦接，配置为将所述光纤光栅串(30)所感知的中心波长的光信号转化为电信号；计算机(50)，其分别与所述角度传感器(20)和所述光纤光栅解调仪(40)相耦接，配置为基于接收的所述扭转角度和所述中心波长剔除扭转引起的光纤光栅波长变化量，以获得光栅测点(30A)所在的位置经扭转补偿后的曲率。2.根据权利要求1所述的光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统，其特征在于，所述光纤光栅串(30)包括：沿着所述光纤光栅传曲率感器(10)延伸方向布置的第一光纤光栅串(31)；沿着所述光纤光栅传曲率感器(10)延伸方向布置的第二光纤光栅串(32)；其中，所述第一光纤光栅串(31)与所述第二光纤光栅串(32)在所述光纤光栅传曲率感器(10)的周向方向上间隔90度。3.根据权利要求1所述的光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统，其特征在于，所述计算机(50)包括：第一修正模块，所述第一修正模块配置为基于光栅波长变化量对光纤光栅串感知的正应变ε
a
进行修正；第二修正模块，所述第二修正模块配置为基于修正后的光纤光栅串(30)感知的正应变ε
a
对受弯曲与扭转叠加作用的光纤光栅曲率传感器(10)的曲率进行修正，以获得光栅测点(30A)所在的位置经扭转补偿后的曲率K。4.根据权利要求3所述的光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统，其特征在于，光纤光栅曲率传感器(10)弯曲致使光纤光栅产生正应变的修正公式为：式中，r为光纤光栅距离形心的距离，为刮板输送机光纤光栅曲率传感器(10)的扭转误差角，l为刮板输送机光纤光栅曲率传感器(10)的长度，Δλ为光栅波长变化量，λ
B
为光纤光栅的初始波长，P
e
为光纤的有效弹光系数。5.根据权利要求3所述的光纤光栅曲率传感器的扭转补偿系统，其特征在于，光栅测点(30A)所在位置的曲率K经过扭转补偿后的修正表达式为：式中，r为光纤光栅距离形心的距离，为刮板输送机光纤光栅曲率传感器(10)的扭转误差角，l为刮板输送机光纤光栅曲率传感器(10)的长度，Δλ为光栅波长变化量，λ
B
为光纤

【专利技术属性】
技术研发人员：方新秋，宋扬，梁敏富，吴刚，陈宁宁，冯豪天，贺德幸，吴洋，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：