基于分布式光纖聲學檢測技術的帶式輸送機健康監測系統研究

摘"要：實時地對帶式輸送機當前的運行狀態進行監測，判斷其是否正常運行，是保障帶式輸送機安全且穩定運行的關鍵。為了解決帶式輸送機實時運行狀態的監測監控問題，保障帶式輸送機安全穩定運行，本文通過分布式光纖聲學檢測技術對帶式輸送機運行狀態進行實時監測，結合聲發射檢測方式，基于分布式光纖聲波識別技術［COTDR（DAS）］，系統實時采集并記錄帶式輸送機的聲發射數據，實現實時的、全天候的監測帶式輸送機并提供健康監測的預警服務，為實際的帶式輸送機運維工作提供決策依據。

關鍵詞：分布式光纖聲學檢測；聲發射；帶式輸送機監測

Research"on"Belt"Conveyor"Health"Monitoring"System

Based"on"Distributed"Fiber"Optic"Acoustic"Detection"Technology

Fang"Jie1"Xu"Libo2

1.Shaanxi"Deyuan"Fugu"Energy"Co.，Ltd.Sandaogou"Coal"Mine"ShaanxiYulin"719400；

2.Shanxi"Luneng"Hequ"Electric"Coal"Development"Co.，Ltd."ShanxiXinzhou"036599

Abstract：Realtime"monitoring"of"the"current"operating"status"of"the"belt"conveyor"to"determine"whether"it"is"operating"normally"is"the"key"to"ensuring"the"safe"and"stable"operation"of"the"belt"conveyor.In"order"to"solve"the"problem"of"monitoring"and"supervising"the"realtime"running"status"of"belt"conveyor"and"to"guarantee"the"safe"and"stable"operation"of"belt"conveyor，this"paper"carries"out"realtime"monitoring"of"the"running"status"of"belt"conveyor"by"means"of"distributed"fiber"optic"acoustic"detection"technology，combining"with"the"acoustic"emission"detection"method"based"on"distributed"fiber"optic"acoustic"wave"recognition"technology［COTDR（DAS）］，the"system"realtime"collects"and"records"the"acoustic"emission"data"of"the"belt"conveyor，realizes"the"Realtime，allweather"monitoring"of"the"belt"conveyor"and"provide"health"monitoring"early"warning"service，to"provide"decisionmaking"basis"for"the"actual"operation"and"maintenance"of"the"belt"conveyor.

Keywords：Distributed"Acoustic"Sensing；Acoustic"emission；Belt"conveyor"monitoring

及時地知曉帶式輸送機目前的運行狀態是否正常是保障帶式輸送機安全穩定運行的關鍵［13］。國內帶式輸送機及其附屬設施運行狀態的監測手段還停留在比較初級的階段，最初主要是靠人工巡視的方式來實現，近些年隨著物聯網的興起，有通過在帶式輸送機的特定位置安裝振動傳感器的方式來實現［4］，也有通過安裝攝像頭以機器視覺的方式來進行［5］。現有的運行狀態監測的方法，或多或少存在費時費力、系統復雜、維護成本高和抗電磁干擾能力較差等缺點［6］。

分布式光纖聲波檢測［COTDR（DAS）］以光纖作為聲發射檢測的傳感介質，適合沿帶式輸送機大范圍、長距離部署，并且數據采集量極大，最小采集區域可以做到1m以內，相當于在1km的軌道上部署了1000個傳感點。極限采集時間間隔可以做到亞微秒級，普通設置為0.01s。相當于1km帶式輸送機上每秒采集100000次聲發射信號；另外，單次采集的聲發射信息和聲發射源強度高度線性相關，聲音還原能力很強，可以準確地對帶式輸送機的運行狀態進行監測。

本文以三道溝煤礦選煤廠為研究對象，基于分布式光纖聲學檢測技術［7］，設計研發了帶式輸送機健康監測系統［8］，實現了在運行期間進行實時性能監控和設備狀態監控，極大程度上減少故障發生率，并且可以基于數據的累積和監測模型的多樣化實現預測式維護［9］。

1"工程背景

三道溝煤礦位于陜西省府谷縣西北310°方向廟溝門至老高川一帶，生產能力為900Mt/a，目前煤炭運輸方式均采用帶式輸送機，對帶式輸送機的運行狀態巡檢大部分仍為人工巡檢，作業效率低并且勞動環境差，人工巡查過程中需斷電作業，嚴重影響運輸效率，且作業人員的安全難以保障。

為了解決以上問題，本文對基于分布式光纖聲學檢測技術進行研究，設計研發了帶式輸送機健康監測系統，有效降低了人員巡檢成本，保證了作業人員的安全，保障了帶式輸送機的正常運行，提高了安全生產效率。

2"分布式光纖聲學檢測帶式輸送機原理

2.1"分布式光纖聲學檢測［CODTR（DAS）］原理

CODTR（DAS），是基于瑞利散射的相干光檢測技術。

使用窄線寬激光器發出的脈沖光，分成兩束：一束為主光（能量比99%），注入光纖纖芯；另一束為本征參考光（能量比1%）；沿著光纖傳播的主光，因為瑞利散射的作用，有一部分光返回，稱為瑞利散射光。由于激光器發射的是脈沖光，所以瑞利散射光返回后會有一個空間序列和時間序列的分布，將回來的瑞利散射光與本征參考光相干，會在每一個時序點上對應得到一個振動強度波形，如果光纖附近有振動（聲發射源）發生，一定空間/時間內的時序點的振動波形圖會隨之變化，找出特定的有變化的時序點，就形成了有振動影響的時序點的時空分布，DAS主機設備就是利用這樣的時空分布信息，以及每一個相關時序點的振動波形信息，通過一系列的數據分析手段完成對振動行為以及聲發射現象的檢測。

2.2"帶式輸送機監測原理

隨著帶式輸送機在各個領域的廣泛應用，存量帶式輸送機系統的維護工作變得越來越重要，通過及時合理的帶式輸送機結構件更換和維修，可以有效地延長帶式輸送機的使用壽命并保證帶式輸送機的日常性能。所以，帶式輸送機結構件的健康狀態監控越來越得到重視。然而，目前的現狀是“走皮帶”觀察和聆聽聲音的原始方法仍然是最常用的方法，在效率和實時性上存在很大的問題，因此，在帶式輸送機上安裝振動傳感器進行監測的方法得到了很多研究者的關注。這樣的監測系統可以實時監測和記錄帶式輸送機的一些狀態信息，有助于了解帶式輸送機結構變化的過程，更好地評估帶式輸送機的服役狀態，提高帶式輸送機安全運行的可靠性。在這一領域，光纖傳感有著無源、抗電磁干擾強、長距離和分布式傳感等特點，是非常合適的監測技術。

分布式光纖聲音傳感系統用于帶式輸送機及其附屬設施的健康監測的主要原理是，在沿著帶式輸送機部署光纜，將高速行進的皮帶和輥筒摩擦碰撞的聲音作為聲發射源，系統實時采集并記錄帶式輸送機的聲發射數據，結合部分人工方式完成聲發射數據的標注、清洗工作，使用基于機器學習的聲紋識別技術，生成帶式輸送機及其附屬設施健康監測的預測模型，并將預測模型應用到實際部署的DAS系統上。這樣可以實時、全天候地監測帶式輸送機并提供健康監測的預警服務，為實際的帶式輸送機運維工作提供決策依據。

2.3"COTDR（DAS）設備構成

COTDR（DAS）設備由以下部分構成：通過光纖振動傳感儀預警主機能感應長距離光纜上所有的微小振動，運用多種數據分析手段對報警信號分析、判斷，最終確定報警信息；使用光纖振動預警系統應用軟件實現設備與人機的交互界面，將告警信息等情況以電子地圖的方式顯示給用戶，顯示運行狀態，記錄報警信息，過濾掉風雨雷電等自然噪聲出現的虛警等；以通信傳輸光纜作為光信號的傳輸載體，提供相干光信號，以實現對振動信號的高精度測量與傳輸；采用工控機及顯示器承載光纖振動預警系統監控軟件和本系統的人機交互設備，通過顯示器和工控機提供給軟件進行系統數據換算的服務，用于存儲振動波形圖等數據和系統需要的其他數據，展示系統人機交互界面，更好地為監控人員提供與設備的交互操作。

3"帶式輸送機聲學監測關鍵技術

帶式輸送機的每一個組成部分在帶式輸送機運行過程中都有其獨特的聲學信號。人可以通過聽覺直接分辨其中的一些聲學信號差異，這也是目前巡查的工作需要靠人耳聽的主要原因。但是人耳無法感知帶式輸送機聲學信號的細節，原因在于聲音信號中包含了許多與其特性相關的信息。在檢測這些信息時，檢測范圍的動態性和傳感器的靈敏度至關重要。DAS系統可檢測的電平范圍由其固有噪聲及信號頻帶寬度超范圍現象的影響決定，DAS系統的固有噪聲源自其固有特性和持續的外部影響。如果待檢測聲學信號與其固有的噪聲近似，則信噪比將變得很小，以致無法進行測量，從而出現檢測不出某些特征或行為的情況。當然這種情況可通過執行相應的邏輯（可確保DAS系統不自動“丟失”此類信號的邏輯）來規避。固有噪聲閾值隨系統靈敏度而變化，因此應采用非常靈敏的DAS系統。

首先，考慮帶式輸送機聲學信號的信噪比問題，即被追蹤的帶式輸送機產生的信號質量，可以采用降噪算法，提高信噪比。由于DAS采樣率很高，假設帶式輸送機時速30km/h，在一次采樣間隔內才前進9mm。因此，在時域上有足夠多的冗余數據可以拿來做平均降噪。假設輥筒的定位精度要求1m的話，在帶式輸送機行進1m的時間內，已經采樣了1031次，平均降噪理論中有"m定律，即m次平均信噪比提高"m倍，因此采用這個算法，信噪比可以提升15dB（即32倍）。

其次，DAS系統使用的激光器的脈沖重復頻率和采樣頻率可根據帶式輸送機的長度、輥筒之間的間隔距離和信號清晰度進行調節。當設置合理的脈沖頻率和采樣頻率后，系統將會非常靈敏，甚至可以檢測到單個雨滴撞擊光纖的聲音。DAS系統同時從輸送機的每一米處收集實時聲音數據，然后通過軟件進行處理。在很短的時間內，帶式輸送機的每個部分都有自己的頻率圖像。

再次，是環境聲波的干擾信號，即環境中其他機械對被測信號的干擾。這一因素對特定位置的帶式輸送機聲學信號影響很大。對于這個問題擬采用兩個角度來解決：第一個角度是舍棄，確定干擾源的位置，在初步的整體建模過程中舍棄此部分數據，同時對舍棄的數據單獨建立模型。第二個角度是可以采用雙光纜部署，由于方向的原因，兩組波形信號強度不同，利用兩組不同的原始數據，從而通過建立一定的算法來排除干擾源。

最后，由于每個位置上有多個輥筒，并有多個軸承，雙光纜部署可以進一步確定特定輥筒位置上的特定軸承。

4"現場應用

圖2是三道溝煤礦的帶式輸送機的現場照片，用于監測的傳感光纜部署在帶式輸送機沿線，采用母線槽或扣件固定的方式緊貼在帶式輸送機護欄上。

基于分布式光纖聲學帶式輸送機健康監測系統在三道溝煤礦的應用，在使用過程中，未出現報錯，大大降低了煤礦的人工檢測成本，保障了帶式輸送機的安全運轉，降低了帶式輸送機的報修率，有效地提高了作業效率。

結語

通過基于分布式光纖聲學帶式輸送機健康監測系統在三道溝煤礦的應用，大幅度地節省了人工成本，提高了勞動效率，最大限度地延長了部件使用壽命；優化了帶式輸送機性能，實現了7×24h持續監測、智能報告、定時部件更換，有效消除潛在故障，消除了手動檢查，減少了手動維護，保證了生產安全，為煤礦的安全生產提供保障，為煤礦智能化建設提供了理論和實踐的基礎。

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作者簡介：方杰（1996—"），男，漢族，陜西安康人，本科，助理工程師，主要從事煤礦開采技術方面研究。