基于分布式光纤声学检测技术的带式输送机健康监测系统研究

摘"要：实时地对带式输送机当前的运行状态进行监测，判断其是否正常运行，是保障带式输送机安全且稳定运行的关键。为了解决带式输送机实时运行状态的监测监控问题，保障带式输送机安全稳定运行，本文通过分布式光纤声学检测技术对带式输送机运行状态进行实时监测，结合声发射检测方式，基于分布式光纤声波识别技术［COTDR（DAS）］，系统实时采集并记录带式输送机的声发射数据，实现实时的、全天候的监测带式输送机并提供健康监测的预警服务，为实际的带式输送机运维工作提供决策依据。

关键词：分布式光纤声学检测；声发射；带式输送机监测

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

及时地知晓带式输送机目前的运行状态是否正常是保障带式输送机安全稳定运行的关键［13］。国内带式输送机及其附属设施运行状态的监测手段还停留在比较初级的阶段，最初主要是靠人工巡视的方式来实现，近些年随着物联网的兴起，有通过在带式输送机的特定位置安装振动传感器的方式来实现［4］，也有通过安装摄像头以机器视觉的方式来进行［5］。现有的运行状态监测的方法，或多或少存在费时费力、系统复杂、维护成本高和抗电磁干扰能力较差等缺点［6］。

分布式光纤声波检测［COTDR（DAS）］以光纤作为声发射检测的传感介质，适合沿带式输送机大范围、长距离部署，并且数据采集量极大，最小采集区域可以做到1m以内，相当于在1km的轨道上部署了1000个传感点。极限采集时间间隔可以做到亚微秒级，普通设置为0.01s。相当于1km带式输送机上每秒采集100000次声发射信号；另外，单次采集的声发射信息和声发射源强度高度线性相关，声音还原能力很强，可以准确地对带式输送机的运行状态进行监测。

本文以三道沟煤矿选煤厂为研究对象，基于分布式光纤声学检测技术［7］，设计研发了带式输送机健康监测系统［8］，实现了在运行期间进行实时性能监控和设备状态监控，极大程度上减少故障发生率，并且可以基于数据的累积和监测模型的多样化实现预测式维护［9］。

1"工程背景

三道沟煤矿位于陕西省府谷县西北310°方向庙沟门至老高川一带，生产能力为900Mt/a，目前煤炭运输方式均采用带式输送机，对带式输送机的运行状态巡检大部分仍为人工巡检，作业效率低并且劳动环境差，人工巡查过程中需断电作业，严重影响运输效率，且作业人员的安全难以保障。

为了解决以上问题，本文对基于分布式光纤声学检测技术进行研究，设计研发了带式输送机健康监测系统，有效降低了人员巡检成本，保证了作业人员的安全，保障了带式输送机的正常运行，提高了安全生产效率。

2"分布式光纤声学检测带式输送机原理

2.1"分布式光纤声学检测［CODTR（DAS）］原理

CODTR（DAS），是基于瑞利散射的相干光检测技术。

使用窄线宽激光器发出的脉冲光，分成两束：一束为主光（能量比99%），注入光纤纤芯；另一束为本征参考光（能量比1%）；沿着光纤传播的主光，因为瑞利散射的作用，有一部分光返回，称为瑞利散射光。由于激光器发射的是脉冲光，所以瑞利散射光返回后会有一个空间序列和时间序列的分布，将回来的瑞利散射光与本征参考光相干，会在每一个时序点上对应得到一个振动强度波形，如果光纤附近有振动（声发射源）发生，一定空间/时间内的时序点的振动波形图会随之变化，找出特定的有变化的时序点，就形成了有振动影响的时序点的时空分布，DAS主机设备就是利用这样的时空分布信息，以及每一个相关时序点的振动波形信息，通过一系列的数据分析手段完成对振动行为以及声发射现象的检测。

2.2"带式输送机监测原理

随着带式输送机在各个领域的广泛应用，存量带式输送机系统的维护工作变得越来越重要，通过及时合理的带式输送机结构件更换和维修，可以有效地延长带式输送机的使用寿命并保证带式输送机的日常性能。所以，带式输送机结构件的健康状态监控越来越得到重视。然而，目前的现状是“走皮带”观察和聆听声音的原始方法仍然是最常用的方法，在效率和实时性上存在很大的问题，因此，在带式输送机上安装振动传感器进行监测的方法得到了很多研究者的关注。这样的监测系统可以实时监测和记录带式输送机的一些状态信息，有助于了解带式输送机结构变化的过程，更好地评估带式输送机的服役状态，提高带式输送机安全运行的可靠性。在这一领域，光纤传感有着无源、抗电磁干扰强、长距离和分布式传感等特点，是非常合适的监测技术。

分布式光纤声音传感系统用于带式输送机及其附属设施的健康监测的主要原理是，在沿着带式输送机部署光缆，将高速行进的皮带和辊筒摩擦碰撞的声音作为声发射源，系统实时采集并记录带式输送机的声发射数据，结合部分人工方式完成声发射数据的标注、清洗工作，使用基于机器学习的声纹识别技术，生成带式输送机及其附属设施健康监测的预测模型，并将预测模型应用到实际部署的DAS系统上。这样可以实时、全天候地监测带式输送机并提供健康监测的预警服务，为实际的带式输送机运维工作提供决策依据。

2.3"COTDR（DAS）设备构成

COTDR（DAS）设备由以下部分构成：通过光纤振动传感仪预警主机能感应长距离光缆上所有的微小振动，运用多种数据分析手段对报警信号分析、判断，最终确定报警信息；使用光纤振动预警系统应用软件实现设备与人机的交互界面，将告警信息等情况以电子地图的方式显示给用户，显示运行状态，记录报警信息，过滤掉风雨雷电等自然噪声出现的虚警等；以通信传输光缆作为光信号的传输载体，提供相干光信号，以实现对振动信号的高精度测量与传输；采用工控机及显示器承载光纤振动预警系统监控软件和本系统的人机交互设备，通过显示器和工控机提供给软件进行系统数据换算的服务，用于存储振动波形图等数据和系统需要的其他数据，展示系统人机交互界面，更好地为监控人员提供与设备的交互操作。

3"带式输送机声学监测关键技术

带式输送机的每一个组成部分在带式输送机运行过程中都有其独特的声学信号。人可以通过听觉直接分辨其中的一些声学信号差异，这也是目前巡查的工作需要靠人耳听的主要原因。但是人耳无法感知带式输送机声学信号的细节，原因在于声音信号中包含了许多与其特性相关的信息。在检测这些信息时，检测范围的动态性和传感器的灵敏度至关重要。DAS系统可检测的电平范围由其固有噪声及信号频带宽度超范围现象的影响决定，DAS系统的固有噪声源自其固有特性和持续的外部影响。如果待检测声学信号与其固有的噪声近似，则信噪比将变得很小，以致无法进行测量，从而出现检测不出某些特征或行为的情况。当然这种情况可通过执行相应的逻辑（可确保DAS系统不自动“丢失”此类信号的逻辑）来规避。固有噪声阈值随系统灵敏度而变化，因此应采用非常灵敏的DAS系统。

首先，考虑带式输送机声学信号的信噪比问题，即被追踪的带式输送机产生的信号质量，可以采用降噪算法，提高信噪比。由于DAS采样率很高，假设带式输送机时速30km/h，在一次采样间隔内才前进9mm。因此，在时域上有足够多的冗余数据可以拿来做平均降噪。假设辊筒的定位精度要求1m的话，在带式输送机行进1m的时间内，已经采样了1031次，平均降噪理论中有"m定律，即m次平均信噪比提高"m倍，因此采用这个算法，信噪比可以提升15dB（即32倍）。

其次，DAS系统使用的激光器的脉冲重复频率和采样频率可根据带式输送机的长度、辊筒之间的间隔距离和信号清晰度进行调节。当设置合理的脉冲频率和采样频率后，系统将会非常灵敏，甚至可以检测到单个雨滴撞击光纤的声音。DAS系统同时从输送机的每一米处收集实时声音数据，然后通过软件进行处理。在很短的时间内，带式输送机的每个部分都有自己的频率图像。

再次，是环境声波的干扰信号，即环境中其他机械对被测信号的干扰。这一因素对特定位置的带式输送机声学信号影响很大。对于这个问题拟采用两个角度来解决：第一个角度是舍弃，确定干扰源的位置，在初步的整体建模过程中舍弃此部分数据，同时对舍弃的数据单独建立模型。第二个角度是可以采用双光缆部署，由于方向的原因，两组波形信号强度不同，利用两组不同的原始数据，从而通过建立一定的算法来排除干扰源。

最后，由于每个位置上有多个辊筒，并有多个轴承，双光缆部署可以进一步确定特定辊筒位置上的特定轴承。

4"现场应用

图2是三道沟煤矿的带式输送机的现场照片，用于监测的传感光缆部署在带式输送机沿线，采用母线槽或扣件固定的方式紧贴在带式输送机护栏上。

基于分布式光纤声学带式输送机健康监测系统在三道沟煤矿的应用，在使用过程中，未出现报错，大大降低了煤矿的人工检测成本，保障了带式输送机的安全运转，降低了带式输送机的报修率，有效地提高了作业效率。

结语

通过基于分布式光纤声学带式输送机健康监测系统在三道沟煤矿的应用，大幅度地节省了人工成本，提高了劳动效率，最大限度地延长了部件使用寿命；优化了带式输送机性能，实现了7×24h持续监测、智能报告、定时部件更换，有效消除潜在故障，消除了手动检查，减少了手动维护，保证了生产安全，为煤矿的安全生产提供保障，为煤矿智能化建设提供了理论和实践的基础。

参考文献：

［1］Anon.Patent"Issued"for"Distributed"Sensing"Fiber"Acoustic"Emission"Apparatus"And"Method"For"Monitoring"Hydraulic"Engineering"Safety"Behavior（USPTO"10，527，587）［J］.Electronics"Newsweekly，2020.

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［3］陈程远.基于光纤激光传感阵列的声学信号采集及定位技术研究［D］.哈尔滨：黑龙江大学，2021.

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［8］姚光伟.带式输送机在线监测系统的设计研究［J］.煤炭与化工，2022，45（09）：7880.

［9］张英，吕辉.带式输送机状态监测及故障诊断系统设计研究［J］.煤炭技术，2022，41（07）：210212.

作者简介：方杰（1996—"），男，汉族，陕西安康人，本科，助理工程师，主要从事煤矿开采技术方面研究。