孫維,　刁冬梅

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶　400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶　400039； 3.重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶　400044)

?

基于φ
—OTDR技術(shù)的帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)

孫維1,2,刁冬梅3

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039； 3.重慶大學(xué) 光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶400044)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)方法準(zhǔn)確率及效率低等問(wèn)題，提出一種基于φ-OTDR技術(shù)的帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)方法。該方法利用相干脈沖光的后向瑞利散射對(duì)托輥的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異常托輥的識(shí)別和定位。實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)，故障定位誤差不大于5 m。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)； 托輥故障檢測(cè)； 相位敏感光時(shí)域反射計(jì)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.0958.003.html

0　引言

托輥卡死是帶式輸送機(jī)常見(jiàn)故障之一，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，極易引起膠帶損壞甚至起火[1]。現(xiàn)有的帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)方法主要有人工敲擊法和電學(xué)傳感器法。人工敲擊法通過(guò)敲擊托輥聽(tīng)聲音來(lái)辨別是否有故障，識(shí)別準(zhǔn)確率不高，且效率極低。電學(xué)傳感器法易受電磁干擾，且不具備位置識(shí)別能力。

分布式光纖傳感系統(tǒng)集傳感與傳輸于一體，可獲得沿光纖分布的被測(cè)量的連續(xù)信息，適合長(zhǎng)距離檢測(cè)，具有信息量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用方便等優(yōu)勢(shì)，在大型設(shè)備和建筑健康檢測(cè)方面應(yīng)用廣泛。作為分布式光纖傳感系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，分布式光纖振動(dòng)傳感器利用光纖中的光波在傳輸時(shí)，其偏振態(tài)、相位對(duì)振動(dòng)敏感的特性，能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)地檢測(cè)光纖附近的振動(dòng)信息。而相位敏感光時(shí)域反射計(jì)(φ-OTDR)作為目前最主要的分布式光纖振動(dòng)傳感器，具有定位精度及靈敏度高、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的檢測(cè)環(huán)境[2-5]。本文首次提出將φ-OTDR技術(shù)用于帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)，并通過(guò)模擬測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了該檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性與可靠性。

1　φ-OTDR技術(shù)基本原理

φ-OTDR技術(shù)基于瑞利散射原理[6]，從窄線寬激光器輸出的連續(xù)光經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制成脈沖光進(jìn)入光纖，由光電探測(cè)器探測(cè)其后向瑞利散射光。由于注入光纖的脈沖光相干度很高，輸出即為脈沖寬度區(qū)域內(nèi)后向瑞利散射光相干的干涉結(jié)果[7]。光纖中后向瑞利散射干涉效應(yīng)的離散模型如圖1所示。一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖被分成N段，每段長(zhǎng)度為ΔL=L/N，則每段光纖擁有前后2個(gè)反射鏡面，形成一個(gè)反射計(jì)。整條光纖中后向瑞利散射過(guò)程可看作是由N個(gè)反射計(jì)組合而成，其中任一個(gè)反射鏡面可看成在ΔL光纖長(zhǎng)度內(nèi)隨機(jī)分布的散射點(diǎn)的相干疊加[8]。當(dāng)光纖受到外力擾動(dòng)時(shí)，光纖受擾動(dòng)位置的折射率發(fā)生變化，使得該處的光相位發(fā)生改變，進(jìn)而引起后向瑞利散射光干涉結(jié)果發(fā)生變化。同時(shí)由于擾動(dòng)位置的散射光傳回光電探測(cè)器經(jīng)歷的是周期性相位變化，所以最后干涉的結(jié)果能夠直接反映受擾動(dòng)的位置。

圖1　φ-OTDR中后向瑞利散射干涉效應(yīng)的離散模型

2　帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)

2.1故障檢測(cè)原理

帶式輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)膠帶轉(zhuǎn)動(dòng)，托輥對(duì)膠帶起支撐作用，并在與膠帶的摩擦力帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，降低輸送阻力。托輥正常工作時(shí)圍繞軸承平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，若出現(xiàn)故障，故障點(diǎn)處會(huì)與軸承碰撞而產(chǎn)生周期性振動(dòng)脈沖，其振動(dòng)頻譜由軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、轉(zhuǎn)速及損傷情況決定。對(duì)于同一臺(tái)帶式輸送機(jī)，若某個(gè)托輥振動(dòng)特性與其他托輥存在明顯差異，則判斷該托輥發(fā)生故障。為了保證帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)的有效性，設(shè)計(jì)了螺旋形機(jī)械裝置，如圖2所示。螺旋端用于纏繞光纖，另一端與托輥軸承端頭緊密貼合并固定。

(a)裝置實(shí)物(b)光纜固定示意

圖2螺旋形機(jī)械裝置

2.2故障檢測(cè)方法

帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)方法如圖3所示。由輸出功率為9 mW、線寬為1 kHz、中心波長(zhǎng)為1 550 nm的窄線寬激光器發(fā)出連續(xù)的相干光，經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器后成為脈沖光，同時(shí)脈沖光通過(guò)頻率發(fā)生器產(chǎn)生110 MHz的頻率漂移。由于聲光調(diào)制器具有很大的消光比，采用摻餌光纖放大器對(duì)脈沖光進(jìn)行放大，并采用含有光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)的帶通濾波器濾除脈沖光放大后產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲。之后脈沖光經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)型器進(jìn)入光纖。采用帶有前放和濾波功能的光電探測(cè)器探測(cè)后向瑞利散射光。該信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由數(shù)據(jù)采集卡采集并傳輸至計(jì)算機(jī)，由LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析處理，得到后向瑞利散射結(jié)果。數(shù)據(jù)采集卡采樣率為

100 MSample/s，脈沖光重復(fù)頻率設(shè)為10 kHz，脈寬為80 ns。

圖3　帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)方法

3　實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果分析

3.1模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)方法，首先進(jìn)行帶式輸送機(jī)振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)。為盡量接近實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)將若干卷光纖焊接成一根長(zhǎng)1 500 m的光纖，將1片壓電陶瓷固定在光纖735 m處模擬振動(dòng)，并采用移動(dòng)差分法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，其中脈沖寬度為50 ns，脈沖重復(fù)頻率為25 kHz?？煽闯鲈?35 m附近有一個(gè)尖峰，與振動(dòng)加載位置相對(duì)應(yīng)，定位誤差約為5 m。

(a) 后向瑞利散射曲線

(b) 光脈沖寬度為50 ns時(shí)的空間分辨率

3.2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

完成模擬實(shí)驗(yàn)后，對(duì)帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。將測(cè)試設(shè)備設(shè)置在帶式輸送機(jī)一側(cè)，以環(huán)型器位置作為測(cè)試起點(diǎn)，光纖由環(huán)型器引出，經(jīng)螺旋形機(jī)械裝置固定在待測(cè)托輥上。由于帶式輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)附近的振動(dòng)明顯大于其他位置，為分析外界振動(dòng)干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在電動(dòng)機(jī)附近和遠(yuǎn)離電動(dòng)機(jī)的位置分別進(jìn)行了測(cè)試。

(1) 為了分析電動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)旁邊托輥造成的影響，將光纖固定在距環(huán)型器120 m處的電動(dòng)機(jī)旁正常工作的托輥上，測(cè)得的后向瑞利散射結(jié)果如圖5所示?？煽闯鲭妱?dòng)機(jī)旁的正常托輥振動(dòng)幅度在0.04左右。

(a) 經(jīng)小波處理后的數(shù)據(jù)曲線

(b) 各個(gè)脈沖后向瑞利散射的幅值疊加結(jié)果

(2) 將光纖固定在距離環(huán)型器100 m處的異常托輥(在電動(dòng)機(jī)旁)上，測(cè)得的后向瑞利散射結(jié)果如圖6所示?？煽闯鲭妱?dòng)機(jī)旁的異常托輥振動(dòng)幅度大于0.06，即檢測(cè)到的異常托輥振動(dòng)幅度明顯大于正常工作托輥，且定位誤差不超過(guò)5 m。

(a) 經(jīng)小波處理后的數(shù)據(jù)曲線

(b) 各個(gè)脈沖后向瑞利散射的幅值疊加結(jié)果

(3) 在遠(yuǎn)離電動(dòng)機(jī)處，用同一根光纖檢測(cè)距離環(huán)型器65 m處異常托輥和85 m處正常托輥，測(cè)得的后向瑞利散射結(jié)果如圖7所示?？煽闯鰷y(cè)得的異常托輥振動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于正常托輥，且故障定位精度誤差不大于5 m。

(a) 經(jīng)小波處理后的數(shù)據(jù)曲線

(b) 各個(gè)脈沖后向瑞利散射的幅值疊加結(jié)果

(4) 選擇距離電動(dòng)機(jī)較近的2組托輥，使用同一根光纖與異常托輥、正常托輥連接，其中異常托輥距環(huán)型器95 m，正常托輥距環(huán)型器120 m，測(cè)得的后向瑞利散射結(jié)果如圖8所示。

(a) 經(jīng)小波處理后的數(shù)據(jù)曲線

(b) 各個(gè)脈沖后向瑞利散射的幅值疊加結(jié)果

從圖8可看出，異常托輥的振動(dòng)幅度明顯大于正常托輥，且疊加結(jié)果的對(duì)比更明顯。這說(shuō)明采用本文方法可將電動(dòng)機(jī)旁正常工作的托輥和異常工作的托輥區(qū)分開(kāi)。

4　結(jié)語(yǔ)

基于φ-OTDR技術(shù)的帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)方法能夠排除電動(dòng)機(jī)振動(dòng)等外界干擾，定位誤差不大于5 m，提升了帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)效率和可靠性。下一步將研究通過(guò)改進(jìn)濾波算法提高定位精度。

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收稿日期：2016-04-06；修回日期：2016-06-22；責(zé)任編輯：李明。

基金項(xiàng)目：工業(yè)與信息化部2014年國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(工信科科函〔2014〕351號(hào))。

作者簡(jiǎn)介：孫維(1980-)，男，陜西澄城人，工程師，主要從事煤礦安全監(jiān)控和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究工作，E-mail：sdw001@163.com。

文章編號(hào)：1671-251X(2016)08-0009-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.003

中圖分類(lèi)號(hào)：TD634.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-08-03 09:58

Roller fault detection of belt conveyor based on φ-OTDR technology

SUN Wei1,2,DIAO Dongmei3

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China; 2.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China;3.Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems, Ministry of Education,Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract:For low correctness and efficiency of existing roller fault detection methods of belt conveyor, a roller fault detection method of belt conveyor based on φ-OTDR technology was proposed. The method uses backward Rayleigh scattering of coherent pulse light to detect vibration signals of roller, so as to identify and locate fault roller. The experimental and test results show the method can realize roller fault detection of belt conveyor with location error of less than 5 m.

Key words:belt conveyor; roller fault detection; phase sensitive optical time domain reflectometer

孫維,刁冬梅.基于φ-OTDR技術(shù)的帶式輸送機(jī)托輥故障檢測(cè)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(8)：9-12.