光纖溫度傳感系統在掘采裝備測試中的應用研究

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

掘采裝備工作環境惡劣、結構復雜，傳統的溫度傳感器受到尺寸、安裝方式以及測量方式限制，無法實現掘采裝備溫升全面檢測需求，光纖傳感技術本征絕緣、抗電磁干擾、傳感器體積小巧，為此應用光纖傳感技術監測掘采裝備溫升，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

當光纖光柵處于自由狀態時， 或其均勻壓力場和軸向應力場恒定時， 溫度引起的熱膨脹效應和熱光效應會共同導致布拉格光纖光柵波長的變化[2]。 其中，熱膨脹效應改變光柵周期， 熱光效應使光柵區域的折射率發生改變[3]。 當溫度變化△T 時，光柵周期因熱膨脹效應而改變，其關系表達式為

2 掘采裝備溫度檢測難點及解決措施

2.1 掘采裝備溫度監測難點分析

掘采裝備體積龐大、結構復雜、控制精度要求高，全滿精確的檢測掘采裝備溫升，是診斷設備故障，提高設備工作可靠性的基礎， 傳統的溫度傳感器不能實現全滿精確檢測掘采裝備溫度目標，具體表現為：

（1）傳統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， 無法實現全面監測掘采裝備關鍵部件溫升需求。

（2）傳統的溫度傳感器測量精度低，不能實現精密監測溫度敏感元件溫升需求，因而當系統受到過載、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）傳統的溫度傳感器尺寸較大，掘采裝備內部空間狹窄， 無法布置傳統的溫度傳感器監測裝備內部關鍵運動副溫升。

2.2 解決措施

光纖溫度傳感技術具有傳統的測溫傳感器無法企及的優勢，比如光纖溫度傳感技術適于集成多點，形成分布式測溫纜，實現多點監測，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可以解決掘采裝備溫度監測難題。

3 光纖測溫系統構建

光纖測溫系統包括光纖溫度傳感器、信號線、光纖信號解調分析儀、數據線、工控機[4]。光纖溫度傳感測試系統模型，見圖1。

圖1 光纖溫度傳感測試系統模型

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，引起布拉格光纖光柵波長的變化， 其中， 熱膨脹效應改變光柵周期，熱光效應使光柵折射率發生改變，光纖解調儀分析光纖波長、周期的變化，解算得到被測溫度參量[5]。光纖解調儀通過數據線與工控機連接，完成被測溫度參量的存儲、顯示、數據處理[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

設置采樣頻率為0.5Hz，啟動泵站電機，執行元件不動作， 采集2.5min 溫升數據，然后，動作穩定支撐，將設備撐起，繼續采集2.5min 溫升數據。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據得知，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。 這是由于執行元件動作，液壓系統做功，油泵發熱量增加。

5 結束語

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， 構建了掘采裝備光纖溫度測試系統，測試掘采裝備油泵溫升。 得出結論如下：

光纖溫度傳感技術適于集成多點， 形成分布式測溫纜，實現多點監測，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測難題。

基于光纖傳感技術的掘采裝備溫度測試結果表明，光纖傳感測溫技術應用于掘采裝備溫度監測具備可行性，可以實現掘采裝備全面、精確測溫目標。