1.本發(fā)明屬于分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種帶式輸送機托輥故障的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

2.帶式輸送機俗稱皮帶機，是煤礦、鋼廠、港口等企業(yè)運輸物料的主要設(shè)備，具有運輸量大、輸送距離長、輸送范圍廣、運行費用低等優(yōu)點。帶式輸送機中，托輥是拖曳傳送帶、實現(xiàn)物料傳送的核心部件。托輥在長期運行后，容易發(fā)生卡死、變形、斷裂等故障，繼而引起帶式輸送機損壞甚至起火的事故。目前托輥故障檢測主要采用人工徒步巡檢的方式，現(xiàn)場運維工作量大，檢測難度高。因此，針對托輥運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)測技術(shù)就顯得尤為重要。

3.聲音信號中含有大量的現(xiàn)場環(huán)境信息，通過采集聲音來監(jiān)測故障的方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)的聲音傳感器不僅需要帶電工作，而且易損壞。分布式光纖傳感技術(shù)具有無需現(xiàn)場供電、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕性能好、靈敏度高、長距離連續(xù)感知等特點。如何將分布式光纖傳感技術(shù)在帶式輸送帶工作應(yīng)用是亟需解決的課題。

4.因此，發(fā)明一種帶式輸送機托輥故障的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及方法來解決上述問題很有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

5.為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種帶式輸送機托輥故障的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及方法。

6.為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

7.搭建分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)(das：distributed acoustic sensing)，模擬不同托輥故障，利用das高靈敏度、信號進(jìn)行時域、頻域和時頻域分析，實現(xiàn)托輥的故障診斷。

8.進(jìn)一步的，das系統(tǒng)工作過程為：窄線寬光源發(fā)出的光脈沖被耦合器分為探測光和本地光，其中探測光經(jīng)過聲光調(diào)制器轉(zhuǎn)化成光脈沖信號，再通過摻鉺光纖放大器(edfa：erbium doped fiberamplifier)和隔離器注入探測光纖；

9.進(jìn)一步的，對das系統(tǒng)采集到的原始信號先做數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理包括兩個過程：1.數(shù)據(jù)歸一化、2.加窗分幀：

10.數(shù)據(jù)歸一化步驟如下：求數(shù)據(jù)均值：

[0011][0012]

所有數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值處理：

[0013]

x(n)＝x(n)-m

x

[0014]

找出去均值數(shù)據(jù)的最大值|x(n)|max，并對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，

[0015]

得到：

[0016][0017]

式中，x(n)表示原始數(shù)列，mx表示數(shù)據(jù)均值，|x(n)|max表示原始數(shù)列最大值的絕對值。

[0018]

加窗分幀處理方法如下：

[0019]

通過對光纖信號在時間上進(jìn)行分幀，以幀為單位對信號進(jìn)行處理。將窗函數(shù)w(n)與原始信號s(n)相乘，對信號加窗獲取幀信號，表達(dá)式如下：

[0020]

sw(n)＝w(n)

×

s(n)

[0021]

本文選取hamming窗對信號進(jìn)行分幀，hamming窗的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

[0022][0023]

式中，n表示采樣點序列，n表示采樣點總數(shù)。

[0024]

進(jìn)一步的，對das采集數(shù)據(jù)做時域分析，計算原始數(shù)據(jù)的均方根值，獲取均方根值-位置對應(yīng)曲線圖，均方根值超過閾值振動點為疑似故障點，發(fā)生故障位置的托輥振動信號均方根值變化較大，而沒有故障處信號均方根值較?。?br />
[0025]

均方根值計算公式為：

[0026][0027]

其中xrms表示信號的均方根值，n是輸入序列x的元素個數(shù)。

[0028]

進(jìn)一步的，通過數(shù)據(jù)的頻域和時頻域分析，在時頻圖上確定該點是否為故障點：

[0029]

采用短時傅里葉變換(stft)對光纖振動信號進(jìn)行時頻分析，對于非平穩(wěn)信號x(t)∈l2(r)，其短時傅里葉變化可以表示為：

[0030][0031]

上式中，g(t)為窗函數(shù)，加窗后使得信號在以t時刻為中心的一個微小范圍的信號特征得到凸顯，當(dāng)t變化時，g(t)所確定的時間窗也隨之改變，并在t軸對信號進(jìn)行滑動分割截取。

[0032]

進(jìn)一步的，通過信號均方根值與對應(yīng)位置的曲線圖，可以判斷出帶式輸送帶故障發(fā)生位置：

[0033]

將正常托輥、托輥卡死、托輥無軸承和托輥斷裂處每5秒信號的均方根值曲線放在同一坐標(biāo)系內(nèi)，得出均方根值隨托輥工況的變化趨勢：正常托輥的波形平穩(wěn)，在0.05上下平穩(wěn)波動；故障托輥的波形較正常托輥的變化明顯，托輥卡死時波形集中在0.1～0.3，托輥無軸承和斷裂兩種情況均方根值均集中在0.4～1的區(qū)間。

[0034]

進(jìn)一步的，對das信號的頻域進(jìn)行分析，不同工況的托輥信號能量在頻域上的分布有所不同，對相應(yīng)單元的歸一化數(shù)據(jù)加窗分幀做快速傅里葉變化(fft)：

[0035]

正常運行的托輥信號能量最小，而托輥無軸承情況的信號能量最大，故障托輥信號能量的極值主要集中于100～500hz。

[0036]

以上可得到一種基于分布式光纖聲波傳感的帶式輸送機故障診斷方法，在上述技

術(shù)方案中，本發(fā)明提供的技術(shù)效果和優(yōu)點：

[0037]

可實現(xiàn)托輥的在線監(jiān)測和故障診斷，準(zhǔn)確檢驗并判斷出故障點。

附圖說明

[0038]

圖1為本發(fā)明的das系統(tǒng)原理圖

[0039]

圖2為本發(fā)明的das系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法總體流程框圖

[0040]

圖3為帶式輸送帶故障點對應(yīng)位置均方根曲線

[0041]

圖4為不同工況托輥均方根值-時間對應(yīng)曲線

[0042]

圖5為不同工況托輥fft頻域曲線；

具體實施方式

[0043]

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)介紹。

[0044]

本發(fā)明提供了如圖1-5所示的一種帶式輸送機托輥故障的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及方法，本發(fā)明工作原理：

[0045]

參照說明書附圖1-5，搭建分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)(das：distributed acoustic sensing)，對das系統(tǒng)采集到的原始信號先做數(shù)據(jù)預(yù)處理，對das采集數(shù)據(jù)做時域分析，計算原始數(shù)據(jù)的均方根值，獲取均方根值-位置對應(yīng)曲線圖，對數(shù)據(jù)的頻域和時頻域分析，在時頻圖上的故障點，通過信號均方根值與對應(yīng)位置的曲線圖，確定帶式輸送帶故障發(fā)生位置，對das信號的頻域進(jìn)行分析，確定不同工況的托輥運行情況，通過模擬不同托輥故障，利用das系統(tǒng)采集帶式輸送帶的聲波實時數(shù)據(jù)，通過時頻域的分析實現(xiàn)托輥的在線監(jiān)測和故障診斷，有效診斷故障、靈敏度高。

[0046]

以上只通過說明的方式描述了本發(fā)明的某些示范性實施例，毋庸置疑，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式對所描述的實施例進(jìn)行修正。因此，上述附圖和描述在本質(zhì)上是說明性的，不應(yīng)理解為對本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。

技術(shù)特征：

1.一種帶式輸送機托輥故障的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及方法，其特征在于通過下述方式實現(xiàn)：搭建分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)；對das系統(tǒng)采集到的原始信號先做數(shù)據(jù)預(yù)處理；對das采集數(shù)據(jù)做時域分析，計算原始數(shù)據(jù)的均方根值，獲取均方根值-位置對應(yīng)曲線圖；對數(shù)據(jù)的頻域和時頻域分析，確定在時頻圖上的故障點，通過信號均方根值與對應(yīng)位置的曲線圖，確定帶式輸送帶故障發(fā)生位置；對das信號的頻域進(jìn)行分析，確定不同工況的托輥運行情況。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶式輸送機托輥故障的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及方法，其特征在于：均方根值計算公式為：其中xrms表示信號的均方根值，n是輸入序列x的元素個數(shù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶式輸送機托輥故障的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及方法，其特征在于：光纖振動信號數(shù)據(jù)的頻域和時頻域分析，其短時傅里葉變化可以表示為：

技術(shù)總結(jié)

一種帶式輸送機托輥故障的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)及方法，先搭建分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)；對DAS系統(tǒng)采集到的原始信號先做數(shù)據(jù)預(yù)處理；對DAS采集數(shù)據(jù)做時域分析，計算原始數(shù)據(jù)的均方根值，獲取均方根值-位置對應(yīng)曲線圖；對數(shù)據(jù)的頻域和時頻域分析，確定在時頻圖上的故障點，通過信號均方根值與對應(yīng)位置的曲線圖，確定帶式輸送帶故障發(fā)生位置；對DAS信號的頻域進(jìn)行分析，確定不同工況的托輥運行情況。確定不同工況的托輥運行情況。確定不同工況的托輥運行情況。

技術(shù)研發(fā)人員：梁堃 王馳

受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2022.04.12

技術(shù)公布日：2022/7/12