一种胶带运输机的运行状态监测系统及工作方法与流程

1.本发明涉及监测系统技术领域，具体为一种胶带运输机的运行状态监测系统及工作方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.胶带运输机是多个行业、领域的传输工具，由于长时间负载运行，容易发生各类故障，如托辊损坏、胶带断裂、胶带撕裂、跑偏、打滑、堆煤、火灾等，这些故障的发生对人员和设备的安全造成了极大的隐患，一旦其异常运行将直接影响生产，带来重大的经济损失影响人员生命安全。目前针对胶带运输机的运行检测仍然以人工巡检方式为主，部分胶带运输机虽然设置了振动传感器或是温度传感器，但由于胶带机尺寸较大，托辊较多，若用常规的点式传感器进行监测，传感器布置数量巨大，不适用于现场监测。


技术实现要素：

4.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种胶带运输机的运行状态监测系统及工作方法，不仅具有可以使用单光源实现分布式温度振动同时监测的优点，还具有全光传输，对电磁干扰天然免疫，传输距离长，成本低等优点。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一个方面提供一种胶带运输机的运行状态监测系统，包括依次连接的脉冲激光器、掺杂光纤放大器和光纤环形器，光纤环形器分别与光纤耦合器和波分复用器连接，光纤耦合器的两个输出端分别连接测温光纤和测振光纤，测温光纤获取胶带运输机的胶带巷道的温度，测振光纤获取胶带运输机托辊的振动信息，波分复用器分别连接至少三组光电探测模块，分别用于斯托克斯光、反斯托克斯光和瑞利散射光的探测，所有光电探测模块均通过微处理器连接计算机；
7.胶带运输机运行时托辊的振动改变光纤纤芯长度和折射率，引起瑞利散射光的相位变化，从而实现振动监测；斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光的比值携带有胶带的温度变化信息，能够实现温度监测。
8.脉冲激光器可以为光纤激光器或半导体激光器。
9.掺杂光纤放大器可以为掺铒光纤放大器或掺铥光纤放大器。
10.测温光纤位于胶带运输机的胶带巷道中并沿胶带巷道方向布置，获取胶带巷道中的温度信息。
11.振动光纤铺设在胶带沿线，获取托辊运行时的振动信号。
12.脉冲激光器发出脉冲光经掺杂光纤放大器放大后，依次经过光纤环形器和光纤耦合器后分为两束，一束传输到测温光纤中，另一束传输到测振光纤中，分别用于监测胶带运输机运行状态下的温度和振动。
13.脉冲光在光纤中传输时产生波长各不相同的瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光；通过瑞利散射光的相位变化，获取胶带运输机运行状态下的振动信号；通过斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光的比值，获取胶带运输机运行状态下的温度信号。
14.散射光通过光纤环形器入射到波分复用器，分离得到瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光，并分别输入到对应的光电探测模块中。
15.光电探测模块将对应的光信号转换为电信号经微处理器处理确定异常信号及发生位置，并将异常信号的位置发送给计算机以实现胶带运输机的运行状态监测。
16.本发明的第二个方面提供上述系统的工作方法，包括以下步骤：
17.脉冲激光器发出脉冲光并传输到掺杂光纤放大器，放大后的脉冲光依次经过光纤环形器和光纤耦合器后分成两束，一束传输到测温光纤，另一束传输到测振光纤，分别用于对温度和振动的分布式监测；
18.脉冲光在光纤中传输时会产生波长各不相同的瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光；
19.散射光通过光纤环形器入射到波分复用器，分离得到瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光，并分别输入到对应的光电探测模块中，光电探测模块将对应的光信号转换为电信号经微处理器处理确定异常信号及发生位置，并将异常信号的位置发送给计算机以实现胶带运输机的运行状态监测。
20.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
21.1、脉冲光在光纤中传输时会产生瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光，三种散射光被波分复用器分离出后分别被对应的光电探测模块获取到，光纤受振动影响产生的纤芯长度和折射率发生变化引起瑞利散射光的相位变化，从而实现振动监测，斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光的比值携带有温度变化信息，能够实现对温度的监测。
22.2、利用光纤传感的优势，基于胶带运输机托辊数量多且尺寸较长的特点，形成分布式的运行监测系统，能够在现场环境下对胶带运输机托辊的振动和皮带运行空间的温度实现监测，监测过程本质安全、抗电磁干扰并且易组网，有利于煤矿等特殊场景。
附图说明
23.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.图1是本发明一个或多个实施例提供的运行状态监测系统结构示意图；
25.图中：1、脉冲激光器，2、掺杂光纤放大器，3、光纤环形器，4、光纤耦合器，5、测温光纤，6、测振光纤，7、波分复用器，8、光电探测模块a，9、光电探测模块b，10、光电探测模块c，11、微处理器，12、计算机。
具体实施方式
26.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
27.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另
有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
29.正如背景技术中所描述的，目前针对胶带运输机的运行检测仍然以人工巡检方式为主，部分胶带运输机虽然设置了振动传感器或是温度传感器，但由于胶带机尺寸较大，托辊较多，若用常规的点式传感器进行监测，传感器布置数量巨大，不适用于现场监测。
30.因此以下实施例给出一种胶带运输机的运行状态监测系统及工作方法，不仅具有可以使用单光源实现分布式温度振动同时监测的优点，还具有全光传输，对电磁干扰天然免疫，传输距离长，成本低等优点。
31.实施例一：
32.如图1所示，一种胶带运输机的运行状态监测系统，包括依次连接的脉冲激光器、掺杂光纤放大器和光纤环形器，光纤环形器分别与光纤耦合器和波分复用器连接，光纤耦合器的两个输出端分别连接测温光纤和测振光纤，波分复用器分别连接至少三组光电探测模块，分别用于斯托克斯光、反斯托克斯光和瑞利散射光的探测，所有光电探测模块均通过微处理器连接计算机。
33.脉冲激光器可以为光纤激光器或半导体激光器。
34.掺杂光纤放大器可以为掺铒光纤放大器或掺铥光纤放大器。
35.测温光纤位于胶带运输机的胶带巷道中并沿胶带巷道方向布置，获取胶带巷道中的温度信息。
36.振动光纤铺设在胶带沿线，获取托辊运行时的振动信号。
37.脉冲激光器发出脉冲光经掺杂光纤放大器放大后，依次经过光纤环形器和光纤耦合器后分为两束，一束传输到测温光纤中，另一束传输到测振光纤中，分别用于监测胶带运输机运行状态下的温度和振动。
38.脉冲光在光纤中传输时产生波长各不相同的瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光；通过瑞利散射光的相位变化，获取胶带运输机运行状态下的振动信号；通过斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光的比值，获取胶带运输机运行状态下的温度信号。
39.散射光通过光纤环形器入射到波分复用器，分离得到瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光，并分别输入到对应的光电探测模块中。
40.光电探测模块将对应的光信号转换为电信号经微处理器处理确定异常信号及发生位置，并将异常信号的位置发送给计算机以实现胶带运输机的运行状态监测。
41.本实施例中，系统包括脉冲激光器1，掺杂光纤放大器2、光纤环形器3、光纤耦合器4、测温光纤5、测振光纤6、波分复用器7、光电探测模块a8、光电探测模块b9、光电探测模块10c、微处理器11、计算机12。
42.脉冲激光器1的输出端通过光纤连接掺杂光纤放大器2的输入端，掺杂光纤放大器2的输出端连接光纤环形器3的输入端，光纤环形器3的中间端连接光纤耦合器4的输入端，
光纤耦合器4的一输出端连接测温光纤5，光纤耦合器4的另一输出端连接测振光纤6，光纤环形器3的输出端连接波分复用器7，波分复用器7的输出端分别依次连接光电探测模块a8、光电探测模块b9、光电探测模块c10，分别用于斯托克斯光，反斯托克斯光，瑞利散射光的探测，光电探测模块a8、光电探测模块b9、光电探测模块c10连接微处理器11，微处理器11连接计算机12。
43.脉冲激光器1可以是光纤激光器，半导体激光器等。
44.掺杂光纤放大器2可以是掺铒光纤放大器，掺铥光纤放大器等。
45.上述系统工作时，将测温光纤5铺设在胶带巷道沿线，用于胶带巷道沿线发生火灾时，实现对火源的及时、准确监测及定位，将测振光纤6铺设在胶带沿线，用于托辊振动时振动信号的采集，通过监测系统软件频谱分析、典型故障信号的诊断，为胶带沿线托辊监测提供数据支持；
46.连接用于胶带运输机运行状态监测的单光源分布式温度振动传感系统，打开用于胶带运输机运行状态监测的单光源分布式温度振动传感系统中各个部分的电源；
47.脉冲激光器1发出脉冲光，传输到掺杂光纤放大器2，用于对脉冲光进行光放大，放大后的脉冲光依次经过光纤环形器3和光纤耦合器4后，分成两束，一束传输到测温光纤5，另一束传输到测振光纤6，分别用于对温度和振动的分布式监测，脉冲光在光纤中传输时会产生瑞利散射光，斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光，波长各不相同且与入射光波长也不同，由于瑞利散射光对温度不敏感，只对应力敏感，当外界有振动发生时，引起光纤中纤芯发生形变，导致纤芯长度和折射率发生变化，瑞利散射光的相位随之发生变化，因此被用于振动的监测，斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光的比值携带有温度变化信息，因此用于对温度的监测；
48.斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光通过光纤环形器3入射到波分复用器7，波分复用器7将三种光进行分离，分别入射到光电探测模块a8、光电探测模块b9、光电探测模块c10上，光电探测模块a8、光电探测模块b9、光电探测模块c10将光信号转换为电信号并放大，输入到微处理器11中，被微处理器11处理后，判断出异常信号及其位置，并将异常信号的位置输送到计算机12中，用于工作人员对胶带运输机运行状态的实时监测。
49.本实施例中，上述脉冲激光器1为半导体激光器，其输出中心波长为1550nm。掺杂光纤放大器2是掺铒光纤放大器。
50.光纤传感器由于其不带电、本质安全、抗电磁干扰、长距离、大范围、易组网等技术特点，特别适合应用于易燃易爆的场景，例如煤矿。基于光纤传感技术可实现胶带机托辊的多点、连续、在线监测，可在第一时间发现托辊运行中潜在的故障，且可准确定位故障点位置，为煤矿胶带机状态监测提供一种新的技术手段。通过采集后向散射信号，获取整条光纤温度、声音或振动信息，实现长距离、高精度的实时监控，从而适合胶带输送机长距离、大范围振动监测的场景。
51.实施例二：
52.上述系统的工作方法，包括以下步骤：
53.脉冲激光器发出脉冲光并传输到掺杂光纤放大器，放大后的脉冲光依次经过光纤环形器和光纤耦合器后分成两束，一束传输到测温光纤，另一束传输到测振光纤，分别用于对温度和振动的分布式监测；
54.脉冲光在光纤中传输时会产生波长各不相同的瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光；振动引起光纤中纤芯形变从而改变纤芯长度和折射率，通过瑞利散射光的相位变化监测振动；通过斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光的比值温度变化信息；
55.散射光通过光纤环形器入射到波分复用器，分离得到瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光，并分别输入到对应的光电探测模块中，光电探测模块将对应的光信号转换为电信号经微处理器处理确定异常信号及发生位置，并将异常信号的位置发送给计算机以实现胶带运输机的运行状态监测。
56.脉冲光在光纤中传输时会产生瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光，三种散射光被波分复用器分离出后分别被对应的光电探测模块获取到，光纤受振动影响产生的纤芯长度和折射率发生变化引起瑞利散射光的相位变化，从而实现振动监测，斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光的比值携带有温度变化信息，因此用于对温度的监测。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种胶带运输机的运行状态监测系统，其特征在于，包括依次连接的脉冲激光器、掺杂光纤放大器和光纤环形器，光纤环形器分别与光纤耦合器和波分复用器连接，光纤耦合器的两个输出端分别连接测温光纤和测振光纤，测温光纤获取胶带运输机的胶带巷道的温度，测振光纤获取胶带运输机托辊的振动信息，波分复用器分别连接至少三组光电探测模块，分别用于斯托克斯光、反斯托克斯光和瑞利散射光的探测，所有光电探测模块均通过微处理器连接计算机；胶带运输机运行时托辊的振动改变光纤纤芯长度和折射率，引起瑞利散射光的相位变化，从而实现振动监测；斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光的比值携带有胶带的温度变化信息，能够实现温度监测。2.如权利要求1所述的一种胶带运输机的运行状态监测系统，其特征在于，所述脉冲激光器为光纤激光器或半导体激光器。3.如权利要求1所述的一种胶带运输机的运行状态监测系统，其特征在于，所述掺杂光纤放大器为掺铒光纤放大器或掺铥光纤放大器。4.如权利要求1所述的一种胶带运输机的运行状态监测系统，其特征在于，所述测温光纤位于胶带运输机的胶带巷道中并沿胶带巷道方向布置，获取胶带巷道中的温度信息。5.如权利要求1所述的一种胶带运输机的运行状态监测系统，其特征在于，所述振动光纤铺设在胶带沿线，获取托辊运行时的振动信号。6.如权利要求1所述的一种胶带运输机的运行状态监测系统，其特征在于，所述脉冲激光器发出脉冲光经掺杂光纤放大器放大后，依次经过光纤环形器和光纤耦合器后分为两束，一束传输到测温光纤中，另一束传输到测振光纤中，分别用于监测胶带运输机运行状态下的温度和振动。7.如权利要求6所述的一种胶带运输机的运行状态监测系统，其特征在于，所述脉冲光在光纤中传输时产生波长各不相同的瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光；通过瑞利散射光的相位变化，获取胶带运输机运行状态下的振动信号；通过斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光的比值，获取胶带运输机运行状态下的温度信号。8.如权利要求7所述的一种胶带运输机的运行状态监测系统，其特征在于，散射光通过光纤环形器入射到波分复用器，分离得到瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光，并分别输入到对应的光电探测模块中。9.如权利要求8所述的一种胶带运输机的运行状态监测系统，其特征在于，所述光电探测模块将对应的光信号转换为电信号经微处理器处理确定异常信号及发生位置，并将异常信号的位置发送给计算机以实现胶带运输机的运行状态监测。10.基于权利要求1-9任一项所述系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：脉冲激光器发出脉冲光并传输到掺杂光纤放大器，放大后的脉冲光依次经过光纤环形器和光纤耦合器后分成两束，一束传输到测温光纤，另一束传输到测振光纤，分别用于对温度和振动的分布式监测；脉冲光在光纤中传输时会产生波长各不相同的瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光；散射光通过光纤环形器入射到波分复用器，分离得到瑞利散射光、斯托克斯后向散射光和反斯托克斯后向散射光，并分别输入到对应的光电探测模块中，光电探测模块将对应
的光信号转换为电信号经微处理器处理确定异常信号及发生位置，并将异常信号的位置发送给计算机以实现胶带运输机的运行状态监测。

技术总结
本发明涉及一种胶带运输机的运行状态监测系统及工作方法，包括依次连接的脉冲激光器、掺杂光纤放大器和光纤环形器，光纤环形器分别与光纤耦合器和波分复用器连接，光纤耦合器的两个输出端分别连接测温光纤和测振光纤，波分复用器分别连接至少三组光电探测模块，分别用于斯托克斯光、反斯托克斯光和瑞利散射光的探测，所有光电探测模块均通过微处理器连接计算机。不仅具有可以使用单光源实现分布式温度振动同时监测的优点，还具有全光传输，对电磁干扰天然免疫，传输距离长，成本低等优点。成本低等优点。成本低等优点。


技术研发人员：臧凤启 褚海峰 张健 庄茂栋 马永林 管玉旗
受保护的技术使用者：山东里能鲁西矿业有限公司
技术研发日：2023.04.03
技术公布日：2023/7/7