基于φ
—OTDR技術的帶式輸送機托輥故障檢測

孫維,　刁冬梅

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室， 重慶　400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶　400039； 3.重慶大學 光電技術及系統教育部重點實驗室， 重慶　400044)

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基于φ
—OTDR技術的帶式輸送機托輥故障檢測

孫維1,2,刁冬梅3

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室， 重慶400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039； 3.重慶大學 光電技術及系統教育部重點實驗室， 重慶400044)

摘要：針對現有帶式輸送機托輥故障檢測方法準確率及效率低等問題，提出一種基于φ-OTDR技術的帶式輸送機托輥故障檢測方法。該方法利用相干脈沖光的后向瑞利散射對托輥的振動信號進行檢測，從而實現對異常托輥的識別和定位。實驗及測試結果表明，該方法能夠實現帶式輸送機托輥故障檢測，故障定位誤差不大于5 m。

關鍵詞：帶式輸送機； 托輥故障檢測； 相位敏感光時域反射計

網絡出版地址：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常見故障之一，若不能及時發現，極易引起膠帶損壞甚至起火[1]。現有的帶式輸送機托輥故障檢測方法主要有人工敲擊法和電學傳感器法。人工敲擊法通過敲擊托輥聽聲音來辨別是否有故障，識別準確率不高，且效率極低。電學傳感器法易受電磁干擾，且不具備位置識別能力。

分布式光纖傳感系統集傳感與傳輸于一體，可獲得沿光纖分布的被測量的連續信息，適合長距離檢測，具有信息量大、結構簡單、可靠性高、使用方便等優勢，在大型設備和建筑健康檢測方面應用廣泛。作為分布式光纖傳感系統的一個重要分支，分布式光纖振動傳感器利用光纖中的光波在傳輸時，其偏振態、相位對振動敏感的特性，能夠連續、實時地檢測光纖附近的振動信息。而相位敏感光時域反射計(φ-OTDR)作為目前最主要的分布式光纖振動傳感器，具有定位精度及靈敏度高、數據處理簡單等優點，適用于對實時性要求較高的檢測環境[2-5]。本文首次提出將φ-OTDR技術用于帶式輸送機托輥故障檢測，并通過模擬測試和現場測試驗證了該檢測方法的準確性與可靠性。

1　φ-OTDR技術基本原理

φ-OTDR技術基于瑞利散射原理[6]，從窄線寬激光器輸出的連續光經聲光調制器調制成脈沖光進入光纖，由光電探測器探測其后向瑞利散射光。由于注入光纖的脈沖光相干度很高，輸出即為脈沖寬度區域內后向瑞利散射光相干的干涉結果[7]。光纖中后向瑞利散射干涉效應的離散模型如圖1所示。一段長度為L的光纖被分成N段，每段長度為ΔL=L/N，則每段光纖擁有前后2個反射鏡面，形成一個反射計。整條光纖中后向瑞利散射過程可看作是由N個反射計組合而成，其中任一個反射鏡面可看成在ΔL光纖長度內隨機分布的散射點的相干疊加[8]。當光纖受到外力擾動時，光纖受擾動位置的折射率發生變化，使得該處的光相位發生改變，進而引起后向瑞利散射光干涉結果發生變化。同時由于擾動位置的散射光傳回光電探測器經歷的是周期性相位變化，所以最后干涉的結果能夠直接反映受擾動的位置。

圖1　φ-OTDR中后向瑞利散射干涉效應的離散模型

2　帶式輸送機托輥故障檢測

2.1故障檢測原理

帶式輸送機運轉時由電動機驅動膠帶轉動，托輥對膠帶起支撐作用，并在與膠帶的摩擦力帶動下轉動，降低輸送阻力。托輥正常工作時圍繞軸承平穩轉動，若出現故障，故障點處會與軸承碰撞而產生周期性振動脈沖，其振動頻譜由軸承系統的結構特點、轉速及損傷情況決定。對于同一臺帶式輸送機，若某個托輥振動特性與其他托輥存在明顯差異，則判斷該托輥發生故障。為了保證帶式輸送機托輥故障檢測的有效性，設計了螺旋形機械裝置，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)裝置實物(b)光纜固定示意

圖2螺旋形機械裝置

2.2故障檢測方法

帶式輸送機托輥故障檢測方法如圖3所示。由輸出功率為9 mW、線寬為1 kHz、中心波長為1 550 nm的窄線寬激光器發出連續的相干光，經過聲光調制器后成為脈沖光，同時脈沖光通過頻率發生器產生110 MHz的頻率漂移。由于聲光調制器具有很大的消光比，采用摻餌光纖放大器對脈沖光進行放大，并采用含有光纖布拉格光柵結構的帶通濾波器濾除脈沖光放大后產生的自發輻射噪聲。之后脈沖光經過一個環型器進入光纖。采用帶有前放和濾波功能的光電探測器探測后向瑞利散射光。該信號經光電轉換后由數據采集卡采集并傳輸至計算機，由LabVIEW軟件對數據進行小波分析處理，得到后向瑞利散射結果。數據采集卡采樣率為

100 MSample/s，脈沖光重復頻率設為10 kHz，脈寬為80 ns。

圖3　帶式輸送機托輥故障檢測方法

3　實驗及測試結果分析

3.1模擬實驗

根據帶式輸送機托輥故障檢測方法，首先進行帶式輸送機振動模擬實驗。為盡量接近實際現場，實驗將若干卷光纖焊接成一根長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，并采用移動差分法進行數據處理。實驗結果如圖4所示，其中脈沖寬度為50 ns，脈沖重復頻率為25 kHz。可看出在735 m附近有一個尖峰，與振動加載位置相對應，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時的空間分辨率

3.2現場測試

完成模擬實驗后，對帶式輸送機托輥故障檢測方法進行現場測試。將測試設備設置在帶式輸送機一側，以環型器位置作為測試起點，光纖由環型器引出，經螺旋形機械裝置固定在待測托輥上。由于帶式輸送機電動機附近的振動明顯大于其他位置，為分析外界振動干擾對測試結果的影響，在電動機附近和遠離電動機的位置分別進行了測試。

(1) 為了分析電動機振動對旁邊托輥造成的影響，將光纖固定在距環型器120 m處的電動機旁正常工作的托輥上，測得的后向瑞利散射結果如圖5所示。可看出電動機旁的正常托輥振動幅度在0.04左右。

(a) 經小波處理后的數據曲線

(b) 各個脈沖后向瑞利散射的幅值疊加結果

(2) 將光纖固定在距離環型器100 m處的異常托輥(在電動機旁)上，測得的后向瑞利散射結果如圖6所示。可看出電動機旁的異常托輥振動幅度大于0.06，即檢測到的異常托輥振動幅度明顯大于正常工作托輥，且定位誤差不超過5 m。

(a) 經小波處理后的數據曲線

(b) 各個脈沖后向瑞利散射的幅值疊加結果

(3) 在遠離電動機處，用同一根光纖檢測距離環型器65 m處異常托輥和85 m處正常托輥，測得的后向瑞利散射結果如圖7所示。可看出測得的異常托輥振動幅度遠大于正常托輥，且故障定位精度誤差不大于5 m。

(a) 經小波處理后的數據曲線

(b) 各個脈沖后向瑞利散射的幅值疊加結果

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

(a) 經小波處理后的數據曲線

(b) 各個脈沖后向瑞利散射的幅值疊加結果

從圖8可看出，異常托輥的振動幅度明顯大于正常托輥，且疊加結果的對比更明顯。這說明采用本文方法可將電動機旁正常工作的托輥和異常工作的托輥區分開。

4　結語

基于φ-OTDR技術的帶式輸送機托輥故障檢測方法能夠排除電動機振動等外界干擾，定位誤差不大于5 m，提升了帶式輸送機托輥故障檢測效率和可靠性。下一步將研究通過改進濾波算法提高定位精度。

參考文獻：

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[5]周琰,靳世久,張昀超,等.管道泄漏檢測分布式光纖傳感技術研究[J].光電子·激光,2005,16(8):935-938.

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[7]STRUTT J. On the scattering of light by small particles [J]. Philosophical Magazine, 1971, 41(4): 447-454.

[8]GOLDBERG L, TAYLOR H F, WELLER J F. Feedback effects in a laser diode due to Rayleigh backscattering from an optical fibre[J]. Electronics Letters, 1982, 18(9):353-354.

收稿日期：2016-04-06；修回日期：2016-06-22；責任編輯：李明。

基金項目：工業與信息化部2014年國家物聯網發展專項資金資助項目(工信科科函〔2014〕351號)。

作者簡介：孫維(1980-)，男，陜西澄城人，工程師，主要從事煤礦安全監控和物聯網技術研究工作，E-mail：sdw001@163.com。

文章編號：1671-251X(2016)08-0009-04

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

中圖分類號：TD634.1

文獻標志碼：A網絡出版時間：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技術的帶式輸送機托輥故障檢測[J].工礦自動化，2016,42(8)：9-12.