一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，本實用新型利用箕斗上方剛性體的形變對箕斗重量的反映，采用光纖光柵測量該形變的大小，并通過換算得到箕斗重量的變化規(guī)律，并結合箕斗提升啟動停車時間，獲得箕斗處于穩(wěn)定狀態(tài)的重量，進一步計算出箕斗重量變化，并統(tǒng)計出出煤量。同時還能實時獲得鋼絲繩應力變化情況，實時的檢測提升系統(tǒng)的安全性。本實用新型基于應力分析計算，得到箕斗的前后重量，得到的數據是箕斗重量較真實的反映，受干擾較小。
【專利說明】
一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置。
【背景技術】
[0002]現有的箕斗稱重裝置從安裝方式來看主要有兩種，一種是將重量傳感器放于箕斗底部，通過感知箕斗底部的壓力獲得箕斗的重量。但這種方式受箕斗形狀以及箕斗內物體形狀影響很大，以至于底部壓力難以正確反映箕斗總的重量。
[0003]另一種是利用檢測天輪軸承座的受力來推算箕斗的重量，但這種方法受來自鋼絲繩摩擦力，天輪的受力方式等因素影響，使得誤差較大。
[0004]另外，從探頭的形式來看，多數是電磁式壓力傳感器作為探頭，由于煤礦井筒的環(huán)境復雜，各種干擾較多，因而常常造成電磁探頭測量不準，并要經常標定，既浪費人力資源又耽誤時間。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型為了解決上述問題，提出一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，本實用新型采用了先進的光纖應變傳感技術，具有靈敏度高，抗干擾能力強，本質安全等特點，能夠解決當前箕斗稱重中計量誤差大、無法實時獲取數據等問題。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0007]—種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，包括光纖輔輪、傳感光纖、應變光纖光柵和控制系統(tǒng)，其中，所述光纖輔輪與天輪同軸設置，與其同步轉動以承載傳感光纖，箕斗通過鋼絲繩活動鏈接在天輪上，應變光纖光柵固定于連接箕斗與鋼絲繩的剛性體上，傳感光纖連接應變光纖光柵，控制系統(tǒng)控制天輪的運轉，以帶動光纖輔輪運動，帶動箕斗上下運動，并接收傳感光纖采集的應變光纖光柵的應變值，計算裝煤前后箕斗的重量。
[0008]所述應變光纖光柵通過卡箍固定在箕斗與鋼絲繩之間的剛性體上。
[0009]所述控制系統(tǒng)，包括運算控制器和光纖應變解調儀，其中，運算控制器接收提升機電控信號，發(fā)送啟動信號，控制箕斗上下運動，傳感光纖接收應變光纖光柵將形變轉化為波長的變化，光纖應變解調儀采集傳感光纖的光信號，將其轉換為電信號，運算控制器接收該電信號，計算得到應變信息。
[0010]所述傳感光纖與分路器連接，分路器連接光源和光纖應變解調儀。
[0011]所述控制系統(tǒng)還設有計時單元，采集箕斗處于靜止狀態(tài)的時間和運行時間。
[0012]所述剛性體上端設有凹槽，應變光纖光柵設置于凹槽內。
[0013]所述凹槽的前端設置有溫度光纖光柵，采集剛性體溫度。
[0014]所述溫度光纖光柵通過卡箍固定在剛性體上，外部設有保護套。
[0015]—種基于上述系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟:
[0016](I)將應變光纖光柵固定于剛性體上，保證剛性體受到縱向的應力時，應變光纖光柵發(fā)生縱向形變；
[0017](2)保持箕斗靜止，利用光源照射應變光纖光柵，檢測反射的波長；
[0018](3)控制箕斗運動，根據采集的箕斗的啟停時間，確定箕斗運行穩(wěn)定的狀態(tài)，檢測此時應變光纖光柵的波長，計算應變光纖光柵的波長變化量，得到剛性體形變值；
[0019](4)根據剛性體形變值，通過換算得到箕斗重量的變化規(guī)律，計算箕斗的重量以及物料的重量。
[0020]所述步驟(3)中，同時采集溫度光纖光柵的溫度信息，排除溫度變化對應變測量值的影響。
[0021 ]本實用新型的有益效果為:
[0022](I)采用了先進的光纖應變傳感技術，具有靈敏度高，抗干擾能力強，本質安全等特點；由于粘貼于箕斗剛性連接體上的光纖應變光纖光柵具有較寬的檢測范圍(8000με)和較高的靈敏度，因而本方法可得到較為可靠的稱重結果；
[0023](2)基于應力分析計算，得到箕斗的前后重量，得到的數據是箕斗重量較真實的反映，受干擾較??；
[0024](3)實時獲得剛性體(鋼絲繩)應力變化情況，實時的檢測提升系統(tǒng)的安全性。
【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型的結構不意圖；
[0026]圖2為本實用新型的控制系統(tǒng)不意圖；
[0027]圖3為本實用新型的剛性體應變曲線示意圖；
[0028]圖4為本實用新型的光纖光柵安裝示意圖；
[0029]圖5為本實用新型的波長-拉力關系擬合曲線示意圖；
[0030]其中，1、光纖輔輪，2、井筒壁，3、傳感光纖，4、應變光纖光柵，5、剛性體，6、箕斗，7、卡箍，8、控制系統(tǒng)，9、溫度光纖光柵，10、金屬殼，11、凹槽。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。
[0032]如圖1所示，一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，包括:同軸光纖輔輪I，傳感光纖3、剛性體5應變光纖光柵4、卡箍7和控制系統(tǒng)8 (包括光纖應變解調儀、時間計量系統(tǒng)、啟動、停車判別裝置)。
[0033]光纖輔輪I安裝于與天輪相同的轉動軸上，與天倫同步轉動，用于承載傳感光纖3。剛性體5應變光纖光柵4利用卡箍7固定在箕斗6與鋼絲繩之間的剛性體5上，光線應變解調儀可安放于電控室內，用于運算、控制目的的處理器可以是系統(tǒng)機，也可以是嵌入式處理器或單片機?？刂蒲b置可具有標準通信接口，如CAN總線，485等與外部進行通信。同時也可根據情況配裝顯示部件。
[0034]工作原理:當提升機電控信號發(fā)出啟動信號時，由本裝置的運算、控制器檢測該信號的同步電脈沖，然后發(fā)出命令，啟動本裝置，開始進行檢測。
[0035]當絞車靜止時，箕斗6以及箕斗6載物的重量作用在剛性體5上，通過剛性體5的形變表現出來。
[0036]當絞車開動后，由于有慣性的存在，剛性體5上的形變?yōu)閼T性力與箕斗6以及箕斗6載物之和。同時此形變也是鋼絲繩上拉力變化的反映。
[0037]剛性體5的形變由卡貼在剛性體5上的光纖光柵應變光纖光柵4將形變轉換為波長的變化，并通過與之連接的傳感光纖3將光信號傳送到控制部分的解調模塊中，由解調模塊中的光電轉換部分轉換為電信號，然后經分析處理得到應變信息。整個過程由本裝置的控制器進行控制和調度。
[0038]提升機啟動停車以及裝煤卸煤時間確定:
[0039]由于箕斗6在運行過程中其剛性體5應力除受箕斗6重量影響外，還受慣性力的影響，這樣要正確得到箕斗6重量，就要選擇合理的時間段的應變信號并進行處理。
[0040]以煤礦用箕斗6為例進行說明，箕斗6的裝煤卸煤瞬間箕斗6處于靜止狀態(tài)，這段時間可由提升機的控制信號得到。當提升機控制系統(tǒng)發(fā)出停車命令后，由運算控制器記錄此時間。箕斗6還有一段減速時間，在此時間段內，應力仍然是變化的，當箕斗6靜止后，應力的變化幅度和頻率都將趨于穩(wěn)定，如圖3所示。
[0041]當箕斗6裝煤瞬間，應力發(fā)生急劇變化，然后趨于穩(wěn)定。由本裝置內的控制器對這段時間內的應力作分析計算，就可得到裝煤前后箕斗6的重量。
[0042]與其他方式相比，這兩種方式得到的數據是箕斗6重量較真實的反映，受干擾較小。
[0043]光纖光柵的安裝:
[0044]首先在箕斗6上方的剛性連接體上刻一凹槽11，凹槽11橫截面為半圓形，直徑為5mm，長度為1 cm，將應變光纖光柵4放入凹槽11內，并用絕熱固化密封膠封將凹槽11封閉，剛性體5兩端用金屬卡箍7進行加固，以避免密封膠脫落，并可使光纖光柵與剛性體5緊密結合。這時，當剛性體5受到縱向應力時，帶動應變光纖光柵4發(fā)生縱向形變，從而改變了應變光纖光柵4的波長。
[0045]其中，應變光纖光柵4采用Bragg光柵(布拉格光柵)，它采用波長調制，不受光強影響，抗干擾能力強，能對波長進行編碼，易于復用、組成系統(tǒng)，并且具有體積小、重量輕、耐高電壓、耐腐蝕、本質防爆等特點。
[0046]當一束寬光譜光通過FBG時，FBG反射回一束單色光，它的波長λ滿足下式]:
[0047]λ = 2ηΛ
[0048]其中η為應變光纖光柵4的有效折射率，Λ為布拉格光柵的周期。由于η和Λ都與布拉格光柵的溫度和應變狀態(tài)有關，所以波長λ隨溫度和應變變化而變化。在一定溫度下，當布拉格光柵上受應力產生軸向應變ε時，η和Λ隨之變化，則布拉格光柵波長的變化量Δ λ為:
[0049]Δλ=(卜 Ρ0)λε
[0050]其中有效彈光常數Pe為:
[0051]Pe = -n2[pi2_y(pii+pi2)]/2
[0052]式中pn和p12為光纖的彈光常數，μ為泊松比，對普通的石英光纖，Pe約為0.22。
[0053]這樣，通過實時檢測波長的變化就可得到剛性體5形變情況。
[0054]為了克服溫度變化對應變測量的影響，在凹槽11的前端串接一溫度光纖光柵9，并用金屬殼10體保護，其不與剛性體5直接接觸，并用卡箍7固定在剛性體5凹槽11內。
[0055]傳感光纖3與分路器直接相連，然后分別與寬帶光源和解調儀相連，本裝置的解調方法可采用現有的光纖布拉格光柵應變溫度解調方法，該方案已成熟，在此不再贅述。
[0056]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
【主權項】
1.一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，其特征是:包括光纖輔輪、傳感光纖、應變光纖光柵和控制系統(tǒng)，其中，所述光纖輔輪與天輪同軸設置，與其同步轉動以承載傳感光纖，箕斗通過鋼絲繩活動鏈接在天輪上，應變光纖光柵固定于連接箕斗與鋼絲繩的剛性體上，傳感光纖連接應變光纖光柵，控制系統(tǒng)控制天輪的運轉，以帶動光纖輔輪運動，帶動箕斗上下運動，并接收傳感光纖采集的應變光纖光柵的應變值，計算裝煤前后箕斗的重量。2.如權利要求1所述的一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，其特征是:所述應變光纖光柵通過卡箍固定在箕斗與鋼絲繩之間的剛性體上。3.如權利要求1所述的一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，其特征是:所述控制系統(tǒng)，包括運算控制器和光纖應變解調儀，其中，運算控制器接收提升機電控信號，發(fā)送啟動信號，控制箕斗上下運動，傳感光纖接收應變光纖光柵將形變轉化為波長的變化，光纖應變解調儀采集傳感光纖的光信號，將其轉換為電信號，運算控制器接收該電信號，計算得到應變信息。4.如權利要求1或3所述的一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，其特征是:所述控制系統(tǒng)還設有計時單元，采集箕斗處于靜止狀態(tài)的時間和運行時間。5.如權利要求1所述的一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，其特征是:所述傳感光纖與分路器連接，分路器連接光源和光纖應變解調儀。6.如權利要求1所述的一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，其特征是:所述剛性體上端設有凹槽，應變光纖光柵設置于凹槽內。7.如權利要求6所述的一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，其特征是:所述凹槽的前端設置有溫度光纖光柵，采集剛性體溫度。8.如權利要求7所述的一種基于光纖傳感的箕斗稱重檢測裝置，其特征是:所述溫度光纖光柵通過卡箍固定在剛性體上，外部設有保護套。
【文檔編號】G01G3/12GK205483200SQ201620076908
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月26日
【發(fā)明人】何為凱, 高麗, 欒成岱, 馬昕, 何羽民, 高玲玲, 張浩杰, 董敏
【申請人】濟南大學