【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及傳感器，尤其涉及一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統及其傳感解算方法。
技術介紹
1、采煤機電纜在復雜的工況和惡劣的環境下工作，要求其具備高度的安全性和動態可靠性。研究表明，電纜的研發質量和嚴苛的工作環境是影響其使用壽命和動態可靠性的主要因素。在采煤機運行過程中，電纜頻繁遭受彎曲、拖拽、擠壓、扭轉以及煤塊的沖擊，導致使用壽命縮短，并增加短路和接地事故的風險。
2、電纜的損壞對采煤機的效率和井下供電系統的安全有重要影響，但由于工作面環境惡劣，電纜易損，影響生產安全。相較于其他井下設備，電纜的智能化發展相對滯后，缺乏實時監測和狀態反饋手段。
3、因此急需一種能夠監測電纜溫度、應變和曲率的傳感系統及其解算方法，用于監測電纜的工裝狀態，以保障井下的生產安全。
技術實現思路
1、針對現有技術的不足，本專利技術提供一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統及其傳感解算方法；
2、本專利技術通過以下技術方案實現：
3、一方面，一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統，包括：光纖單元、布里淵光時域分析儀botda、分布式光纖測溫系統dts、第一光纖切換器和第二光纖切換器；
4、所述光纖單元包含四根緊套單模光纖，四根緊套單模光纖首尾熔接后成為一根整體，熔接后的兩端分別連接到第一光纖切換器的輸出端和第二光纖切換器的輸出端；所述布里淵光時域分析儀botda的測量光源連接至第一光纖切換器的輸入1，布里淵光時域分析儀botda的泵浦光源連接到第二光纖
5、所述四根緊套單模光纖，具體包括三根螺旋光纖和一根中心光纖，由外護套(3)擠包成型，其中三根螺旋光纖(2)分布于中心光纖的周邊，一根中心光纖(1)的軸線與光纖單元整體軸線相重合；
6、所述傳感系統，采用時分復用的方式對光纖的溫度和應變信息進行測量，每個測量周期內，首先將第一光纖切換器和第二光纖切換器均切換至輸入2，此時分布式光纖測溫系統dts與光纖單元連通，使用分布式光纖測溫系統dts測量光纖單元沿線的溫度，溫度測量結束后，將第一光纖切換器和第二光纖切換器均切換至輸入1，此時光纖單元與布里淵光時域分析儀botda連通，進行光纖的應變測量，其中，一次溫度測量和一次應變測量構成一個測量周期，每個測量周期循環往復形成動態測量過程；
7、另一方面，一種分布式曲率、應變和溫度傳感解算方法，基于前述一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統實現，具體包括曲率、應變、溫度解算方法和形狀還原方法。
8、所述曲率、應變、溫度解算方法具體為，輸入光纖單元某一法平面上中心光纖和三根螺旋光纖的應變、該法平面處溫度和該法平面位置，求解出該法平面上光纖單元整體的曲率半徑、曲率方向、扭轉應變和拉應變，具體如下式所示：
9、eps1＝coe_wl*[(r/r)*sin(α-β1+rol_ang)+eps_l]+coe_n*eps_n+eps_t
10、eps2＝coe_wl*[(r/r)*sin(α-β2+rol_ang)+eps_l]+coe_n*eps_n+eps_t
11、eps3＝coe_wl*[(r/r)*sin(α-β3+rol_ang)+eps_l]+coe_n*eps_n+eps_t
12、eps4＝eps_l+eps_t
13、where：
14、rol_ang＝2π*flg*(position/pitch)
15、coe_wl＝pitch2/(pitch2+(2πr)2)
16、coe_n＝2πr*pitch/(pitch2+(2πr)2)
17、其中：eps1、eps2、eps3分別為三根螺旋光纖在該法平面處的應變值，eps4為中心光纖在該法平面處的應變值，中心光纖和三根螺旋光纖的應變由布里淵光時域分析儀botda直接測得；β1、β2和β3分別為三根螺線光纖的初始方位角，rol_ang為三根螺線光纖在該法平面相對初始法平面旋轉的角度，flg為三根螺旋光纖的螺旋方向，右旋時flg＝1，左旋時flg＝-l，coe_w1為螺旋光纖在彎曲和拉伸應變所產生的應變權重，coe_n為螺旋光纖在扭轉應變所產生的應變權重，position為法平面沿中心線自起始點起算的距離，eps_t為熱應變，由分布式光纖測溫系統dts所測得的溫度計算得出，r為螺旋光纖的絞合半徑，pitch為螺旋光纖的截距，eps_1為光纖單元的拉應變、eps_n為光纖單元的扭轉應變、r為光纖單元的彎曲半徑，α為曲率向量的方向；
18、使用botda和dts分別采集一組法平面上的溫度和光纖應變信息，并帶入帶溫度補償的應變-曲率模型方程即可求解出光纖單元沿線上個點所受到的拉應變、扭轉應變、彎曲半徑和彎曲角度。
19、所述形狀還原方法基于形狀還原算法實現，基于零扭轉標架對光纖單元的中心線形狀進行還原；具體如下式所示：
20、for(int?i＝0；i＜m；i++)
21、ki＝1/ri，αi＝arctan(k2/k1)；
22、ti+1＝ti+l*(k1i*n1i+k2i*n2i)；
23、n1i+1＝n1i-l*k1i*ti；
24、n2i+1＝n2i-l*k2i*ti；
25、pi+1＝pi+0.5l(ti+1+ti)；
26、其中：m為離散點的總數，i當前離散點的編號，r0～rm和α0～α1分別為一組曲率和曲率方向，p0～pm為每個切向量的位置，即還原曲線上點的位置，1為每個點的間距，k0～km為每個點的曲率，k10～k1m和k20～k2m每個點在標架上的曲率分量，n10～n1m和n20～n2m每個點處零扭轉標架的兩個法向量，t0～tm每個點處的切向量；
27、采用上述技術方案所產生的有益效果在于：
28、本專利技術提供一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統及其傳感解算方法，本專利技術不僅能夠同時測量光纖單元的曲率、應變和溫度，還提供了精確的溫度補償功能，確保應變測量的準確性。通過合理的結構設計和測量周期控制，本專利技術實現了動態監測的能力，適應性強，具有廣泛的應用前景。其系統設計簡潔可靠，適用于復雜和嚴苛的環境中長期穩定工作，極大地提升了傳感系統的實用性和可靠性。
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1.一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統，其特征在于，包括：光纖單元、布里淵光時域分析儀BOTDA、分布式光纖測溫系統DTS、第一光纖切換器和第二光纖切換器；
2.根據權利要求1所述的一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統，其特征在于，所述四根緊套單模光纖，具體包括三根螺旋光纖和一根中心光纖，由外護套(3)擠包成型，其中三根螺旋光纖(2)分布于中心光纖的周邊，一根中心光纖(1)的軸線與光纖單元整體軸線相重合。
3.根據權利要求1所述的一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統，其特征在于，所述傳感系統采用時分復用的方式對光纖的溫度和應變信息進行測量，每個測量周期內，首先將第一光纖切換器和第二光纖切換器均切換至輸入2，此時分布式光纖測溫系統DTS與光纖單元連通，使用分布式光纖測溫系統DTS測量光纖單元沿線的溫度，溫度測量結束后，將第一光纖切換器和第二光纖切換器均切換至輸入1，此時光纖單元與布里淵光時域分析儀BOTDA連通，進行光纖的應變測量。
4.根據權利要求3所述的一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統，其特征在于，所述每個測量周期由一次溫度測量和一次應變測量構
5.一種分布式曲率、應變和溫度傳感解算方法，基于權利要求1所述的一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統實現，其特征在于，具體包括曲率、應變、溫度解算方法和形狀還原方法；
6.根據權利要求5所述的一種分布式曲率、應變和溫度傳感解算方法，其特征在于，所述帶溫度補償的應變-曲率模型方程具體為：輸入光纖單元某一法平面上中心光纖和三根螺旋光纖的應變、該法平面處溫度和該法平面位置，求解出該法平面上光纖單元整體的曲率半徑、曲率方向、扭轉應變和拉應變，具體如下式所示：
7.根據權利要求5所述的一種分布式曲率、應變和溫度傳感解算方法，其特征在于，所述形狀還原算法具體如下式所示：
...【技術特征摘要】
1.一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統，其特征在于，包括：光纖單元、布里淵光時域分析儀botda、分布式光纖測溫系統dts、第一光纖切換器和第二光纖切換器；
2.根據權利要求1所述的一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統，其特征在于，所述四根緊套單模光纖，具體包括三根螺旋光纖和一根中心光纖，由外護套(3)擠包成型，其中三根螺旋光纖(2)分布于中心光纖的周邊，一根中心光纖(1)的軸線與光纖單元整體軸線相重合。
3.根據權利要求1所述的一種分布式曲率、應變和溫度傳感系統，其特征在于，所述傳感系統采用時分復用的方式對光纖的溫度和應變信息進行測量，每個測量周期內，首先將第一光纖切換器和第二光纖切換器均切換至輸入2，此時分布式光纖測溫系統dts與光纖單元連通，使用分布式光纖測溫系統dts測量光纖單元沿線的溫度，溫度測量結束后，將第一光纖切換器和第二光纖切換器均切換至輸入1，此時光纖單元與布里淵光時...
【專利技術屬性】
技術研發人員：高峰，張天一，趙光強，趙麗娟，董北林，劉敬，祝玉政，
申請(專利權)人：山東兗礦集團長龍電纜制造有限公司，
類型：發明
國別省市：
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