光纖溫度傳感系統(tǒng)在掘采裝備測試中的應(yīng)用研究

張禮才， 楊小鳳

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西太原 030032）

0 引言

掘采裝備工作環(huán)境惡劣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的溫度傳感器受到尺寸、安裝方式以及測量方式限制，無法實現(xiàn)掘采裝備溫升全面檢測需求，光纖傳感技術(shù)本征絕緣、抗電磁干擾、傳感器體積小巧，為此應(yīng)用光纖傳感技術(shù)監(jiān)測掘采裝備溫升，對于提升掘采裝備可靠性具有重要意義[1]。

1 光纖溫度傳感原理

當(dāng)光纖光柵處于自由狀態(tài)時， 或其均勻壓力場和軸向應(yīng)力場恒定時， 溫度引起的熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)會共同導(dǎo)致布拉格光纖光柵波長的變化[2]。 其中，熱膨脹效應(yīng)改變光柵周期， 熱光效應(yīng)使光柵區(qū)域的折射率發(fā)生改變[3]。 當(dāng)溫度變化△T 時，光柵周期因熱膨脹效應(yīng)而改變，其關(guān)系表達式為

2 掘采裝備溫度檢測難點及解決措施

2.1 掘采裝備溫度監(jiān)測難點分析

掘采裝備體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度要求高，全滿精確的檢測掘采裝備溫升，是診斷設(shè)備故障，提高設(shè)備工作可靠性的基礎(chǔ)， 傳統(tǒng)的溫度傳感器不能實現(xiàn)全滿精確檢測掘采裝備溫度目標，具體表現(xiàn)為：

（1）傳統(tǒng)的溫度傳感器測點少，僅能檢測液壓油溫度、電機繞組溫度等， 無法實現(xiàn)全面監(jiān)測掘采裝備關(guān)鍵部件溫升需求。

（2）傳統(tǒng)的溫度傳感器測量精度低，不能實現(xiàn)精密監(jiān)測溫度敏感元件溫升需求，因而當(dāng)系統(tǒng)受到過載、強電流沖擊時，保護電機等部件的可靠性較低。

（3）傳統(tǒng)的溫度傳感器基于電信號，容易受到外場干擾，布置在高壓、強磁場部位，會顯著減低測量精度。

（4）傳統(tǒng)的溫度傳感器尺寸較大，掘采裝備內(nèi)部空間狹窄， 無法布置傳統(tǒng)的溫度傳感器監(jiān)測裝備內(nèi)部關(guān)鍵運動副溫升。

2.2 解決措施

光纖溫度傳感技術(shù)具有傳統(tǒng)的測溫傳感器無法企及的優(yōu)勢，比如光纖溫度傳感技術(shù)適于集成多點，形成分布式測溫纜，實現(xiàn)多點監(jiān)測，本征無源，抗電磁干擾，傳感器體積小巧、測量精度高。 因此，采用光纖溫度傳感技術(shù)可以解決掘采裝備溫度監(jiān)測難題。

3 光纖測溫系統(tǒng)構(gòu)建

光纖測溫系統(tǒng)包括光纖溫度傳感器、信號線、光纖信號解調(diào)分析儀、數(shù)據(jù)線、工控機[4]。光纖溫度傳感測試系統(tǒng)模型，見圖1。

圖1 光纖溫度傳感測試系統(tǒng)模型

光纖溫度傳感器布置在掘采裝備電機、減速器、油泵等部件測溫點上，溫度變化引起的熱膨脹效應(yīng)，引起布拉格光纖光柵波長的變化， 其中， 熱膨脹效應(yīng)改變光柵周期，熱光效應(yīng)使光柵折射率發(fā)生改變，光纖解調(diào)儀分析光纖波長、周期的變化，解算得到被測溫度參量[5]。光纖解調(diào)儀通過數(shù)據(jù)線與工控機連接，完成被測溫度參量的存儲、顯示、數(shù)據(jù)處理[6]。

4 掘采裝備油泵溫升測試

4.1 測點布置

掘采裝備液壓泵包括主泵、輔泵，主泵完成裝備液壓系統(tǒng)核心功能，溫度較高。為此，選擇主泵為測試對象。測點布置在油泵軸承座附近的殼體上，見圖2。

圖2 油泵溫度測點布置

4.2 溫升測試

設(shè)置采樣頻率為0.5Hz，啟動泵站電機，執(zhí)行元件不動作， 采集2.5min 溫升數(shù)據(jù)，然后，動作穩(wěn)定支撐，將設(shè)備撐起，繼續(xù)采集2.5min 溫升數(shù)據(jù)。油泵殼體溫升隨時間變化曲線，見圖3。

圖3 油泵殼體溫升曲線

分析油泵溫升測試數(shù)據(jù)得知，09：54：09 泵站電機啟動， 油泵初始溫度為24.8℃，09：59：09 油泵殼體溫度為30℃， 油泵溫度升高了5.2℃， 其中泵站電機運行的前2.5min，油泵殼體溫度基本無升高，這是由于泵站空載運行，執(zhí)行元件無動作。 泵站電機運行的后2.5min，油泵殼體溫度升高了5℃，溫升速率為2℃/min。 這是由于執(zhí)行元件動作，液壓系統(tǒng)做功，油泵發(fā)熱量增加。

5 結(jié)束語

本文以掘采裝備為研究對象， 分析了掘采裝備溫度檢測難點及解決措施， 構(gòu)建了掘采裝備光纖溫度測試系統(tǒng)，測試掘采裝備油泵溫升。 得出結(jié)論如下：

光纖溫度傳感技術(shù)適于集成多點， 形成分布式測溫纜，實現(xiàn)多點監(jiān)測，本征無源，抗電磁干擾，傳感器體積小巧、測量精度高，可以解決掘采裝備溫度監(jiān)測難題。

基于光纖傳感技術(shù)的掘采裝備溫度測試結(jié)果表明，光纖傳感測溫技術(shù)應(yīng)用于掘采裝備溫度監(jiān)測具備可行性，可以實現(xiàn)掘采裝備全面、精確測溫目標。