基于光纤传感的带式输送机张力检测技术

摘" " 要： 针对目前带式输送机张力检测存在易损坏及准确性和可靠性差的问题，提出了一种基于光纤传感的带式输送机的张力检测方法。将法珀腔传感头置于带式输送机张紧装置的液压回路中，液压回路的压力使法珀腔传感头的硅膜片产生形变，引起法珀腔传感头反射光变化；光电解调器光路接收法珀腔传感头的反射光后，经光路解调后得到反射光谱，通过光电解调器电路的光电转换、处理、分析后，得到反射光光谱的自由光谱范围，再根据油缸内部面积计算出带式输送机张力，实现了带式输送机张力检测。根据双干涉效应原理设计了法珀腔传感头，采用Jetson Nano嵌入式系统开发板设计了光电解调器硬件，采用Python语言设计了光电解调器软件，并进行了实验研究。实验结果表明：该方法能够实现带式输送机张力检测，压力测量范围为0～25 MPa，灵敏度为0.148 nm/MPa，测量精度为0.1%，不易损坏，抗干扰性好，准确性和可靠性高。

关键词： 光纤传感器；带式输送机；张力检测；张紧油缸；法珀腔传感头；光电解调器

中图分类号： TD76；TP212.44" " " " " " 文献标志码： A" " " " " " " " 文章编号：" １６７１－０２４Ｘ（２０24）０4－００67－08

Tension detection technology of belt conveyor based on optical fiber sensor

MIAO Changyun， ZHANG Yufei

（School of Electronics and Information Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： A tension detection method of belt conveyor based on optical fiber sensing is proposed for the current problems of easy damage， poor accuracy and reliability of belt conveyor tension detection. The method is based on the principle of double interference effect by placing the Fabry Perot cavity sensor in the hydraulic circuit of the belt conveyor tensioning device， and the pressure of the hydraulic circuit causes deformation of the silicon diaphragm of the Fabry Perot cavity sensor， which causes changes in the reflected light of the Fabry Perot cavity sensor. After the optical demodulator optical circuit receives the reflected light from the Fabry Perot cavity sensing， the reflected spectrum is obtained after demodulation of the optical circuit， and the free spectral range of the reflected light spectrum is obtained through photoelectric conversion， processing and analysis of the photoelectric demodulator circuit， and then the belt conveyor tension is calculated according to the internal area of the cylinder， which realizes the belt conveyor tension detection. A Fabry Perot cavity sensor and an electro-optical demodulator are designed， and the software of the electro-optical demodulator is designed using Python language， and experimental studies are conducted. The experimental results show that the method can achieve belt conveyor tension detection with a pressure measurement range of 0-25 MPa， sensitivity of 0.148 nm/MPa， measurement accuracy of 0.1%， not easy to damage， good anti-interference， high accuracy and reliability.

Key words： optical fiber sensor； belt conveyor； tension test； tensioning cylinder； Fabry Perot cavity sensor； optical demodulator

带式输送机是一种现代化生产中连续运输设备，具有运量大、运距远、能耗小、运费低、效率高、运行平稳、装卸方便、适合于散料运输等优点，与汽车、火车一起成为三大主力工业运输工具，已被广泛应用于煤炭、港口、电力、矿山、冶金、化工等领域[1-2]。由于带式输送机驱动力、带速、物料流量变化以及安装调整不当等原因，会导致输送带张力过大或过小[3-5]。当张力过大时，造成输送带的塑性变形、断带、机架和电气传动装置损坏等安全事故；当张力过小时，输送带与驱动滚筒间摩擦力减小，造成打滑、滚筒包胶磨损，缩短滚筒和胶带的使用寿命，降低物料运输量，增加能耗，引起局部温度升高，发生火灾安全事故。为了确保带式输送机安全可靠地运行，我国《智慧矿山信息系统通用技术规范》（GB/T 3467.9—2017）和《带式输送机工程技术标准》（GB50431—2020）要求对带式输送机进行张力保护。

目前，带式输送机张力检测方法主要采用张力传感器和压力传感器检测。张力传感器检测法是将张力传感器串联在张紧装置的张紧钢丝绳中，实现张力检测。这种方法易受到改向滚筒的震动影响，检测准确性差，易损坏，可靠性差[6-7]。杨小林等[8]设计了一种带式输送机永磁智能驱动系统，采用张力传感器检测带式输送机张力；揭施军等[9]设计了带式输送机拉紧装置，采用拉力传感器检测带式输送机张力。压力传感器检测法是将压力传感器置于张紧装置张紧油缸中，实现张力检测，易损坏和受电磁干扰，准确性和可靠性差[10-11]。张宏明等[12]设计了带式输送机液压绞车自动张紧装置，采用压力变送器测量带式输送机张力；曾飞等[13]设计了基于LabVIEW的带式输送机动态特性参数监测系统，采用压力传感器检测带式输送机张力。

针对目前带式输送机张力检测存在易损坏、准确性和可靠性差的问题，本文提出一种基于光纤传感的带式输送机的张力检测方法，将法珀腔传感头置于带式输送机张紧装置的液压回路中，液压回路的压力使法珀腔传感头的硅膜片产生形变，引起法珀腔传感头反射光变化，通过光电解调器检测反射光谱、光电转换、处理与分析后，得到反射光光谱的自由光谱范围，再根据油缸内部面积计算出带式输送机张力，实现带式输送机张力检测，具有不易损坏、抗干扰性好、测量精度高、准确性好和可靠性高等优点。

1 带式输送机张力检测系统及光电解调器设计方案

基于光纤传感的带式输送机张力检测系统由光电解调器、法珀腔传感头、显示屏和上位机等组成，其组成框图如图1所示。该系统采用双干涉效应原理，将法珀腔传感头置于带式输送机张紧装置的液压回路中，液压回路的压力使法珀腔传感头硅膜片产生形变，引起法珀腔传感头反射光变化，通过光电解调器检测反射光谱、光电转换、处理与分析后，得到反射光光谱的自由光谱范围，再根据油缸内部面积计算出带式输送机张力，实现带式输送机张力检测，将检测到的张力送给显示屏，当检测到张力过大或过小时，通过报警器报警，并通过以太网将检测的张力结果传输给上位机。

法珀腔传感头通过螺纹连接方式置入张紧装置的液压回路中，安装示意图如图2所示。法珀腔传感头接收到光电解调器入射的光信号后在单模光纤端面和硅膜片内表面产生反射光[14]，形成干涉，液压回路压力变化改变硅膜片形状，引起法珀腔传感头反射光变化，将反射光传输给光电解调器。

光电解调器是由光路和电路组成，其组成框图如图3所示。其中，光源选用ASE宽带光源，通过光环形器为法珀腔传感头提供光源；光环形器选用PIOC-3偏振无关三端环形器，用于正反向传输光的分离；阵列波导光栅选用型号为AAWG-C161C39G24-01的1×16型阵列波导光栅，用于分离法珀腔传感头反射光，得到反射光谱；光电转换电路用于将阵列波导光栅输出反射光谱信号转换为电信号；调理电路用于对光电转换电路输出的电信号进行调整；A/D转换电路用于将调理电路输出的模拟信号转换为数字信号；主处理器模块通过SPI接口获取A/D转换电路的数字信号，对光谱数据的处理、解调、张力计算，实现带式输送机张力检测，将检测到的张力信号送给显示屏，当检测张力过大或过小时，通过报警器报警，并通过以太网将检测张力的结果传输给上位机。

2 法珀腔传感头设计

2.1 法珀腔传感头原理

法珀腔传感头是检测系统中传感部件，由单模光纤、反射腔、硅膜片、树脂外壳等构成，其结构示意图如图4所示。

将单模光纤插入到反射腔内，光电解调器的入射光分别在单模光纤的端面和硅膜片的内表面发生反射，由于硅膜片具有不透明性，入射光在硅膜片的内表面不产生折射，因此两束反射光形成双干涉效应[15]，两束反射光光程差为

式中：n为反射腔中的空气折射率；L为反射腔腔长。

设入射光波长为？姿，则两束反射光的光程差之间的相位差可表示为

假设入射光谱分布为I0（？姿），光纤端面反射率为R1，硅膜片端面反射率为R2，法珀腔的反射光谱公式为：

由式（4）可知，反射光谱Ir（？姿）的大小不仅与腔长L和入射光的波长？姿有关，还与光纤端面反射率R1和硅膜片的反射率R2有关。当R1、R2、？姿和I0（？姿）不变的情况下，因待测压力使得硅膜片发生形变导致腔长发生变化，从而反射光Ir（？姿）也会发生改变，所以可以利用光纤法珀腔传感头输出的光谱检测出压力的大小。

2.2 法珀腔传感头的制备

法珀腔传感头的制备流程如图5所示。首先使用三维打印机打印树脂外壳，树脂外壳内径为500 μm，长度为15 mm；然后使用环氧树脂胶将5 mm×5 mm×400 μm的硅片固定在树脂外壳的端面上；最后使用纤径为125 μm的单模光纤制造干涉仪，将单模光纤插入树脂外壳中，并在纤维表面和硅膜片内表面之间形成反射腔，完成对法珀腔传感头的制备。

2.3 法珀腔传感头仿真分析

假设反射腔中气体的折射率n为1，入射光的中心波长？姿为1 550 nm，初始相位？准0为0°，并假设两面平面镜的反射率的绝对值相同，即|R1| = |R2| = R，当反射面的反射率R发生改变时，反射率与干涉图案之间的关系如图6所示。

假设反射腔中气体的折射率n为1，入射光的入射波长在1 525～1 575 nm之间，初始相位？准0为0°，反射率R为0.4，腔长与干涉图案之间的关系如图7所示。分析不同的腔长与干涉图案之间的关系，由图7可知随着腔长L的增大，在1 525～1 575 nm的波长范围内，反射光谱的自由光谱范围减小，由此可根据自由光谱范围来解调。

2.4 法珀腔传感头实验及结果分析

将法珀腔传感头通过螺纹连接的方式接入到手压泵的液压管路中，通过生料带来保证液压的密封性，使用手动液压泵调节液压管路中压力的大小，采用HC-YS60液压压力表来测量实际液压压力。通过这种方式，可以在传感头上施加不同的液压压力，在常温下对法珀腔传感头进行0～25 MPa的加压测试，每5 MPa采集反射光谱进行分析[16]，随着液压压力的增加，法珀腔传感头的压力特性如图8所示。

实验结果表明，随着压力的增加，法珀腔传感头的硅膜片的形变量增加，使法珀腔传感头内腔长L减小，使反射光谱的波长和强度都发生了变化。光谱数据中强度最小的波长之间的差在增大，即自由光谱范围增大，与图7中的仿真结果相吻合。

3 带式输送机张力计算

3.1 自由光谱范围计算

对图8分析，得出随着压力的增大反射光谱的自由光谱范围在增大，因此本文通过求解法珀腔反射光谱中的自由光谱范围与压力之间的关系，求解出压力大小，最终实现带式输送机张力的检测。而法珀腔传感头的反射光谱在较窄的波长范围内，可以近似地认为是周期性的，光谱周期即自由光谱范围FSR为常数[17]，即

因此通过获取反射光谱中的频率信息即可实现对反射光谱的解调，对0 MPa压力下的反射光谱进行快速傅里叶变换，所获得的频谱图像如图9所示。

从图9中可知，快速傅里叶变换获得的反射光谱频率信息分辨率较低，这是因为光谱仪分辨率较低，导致频谱信息中的谐波分量较少。使用快速傅里叶变换获得自由光谱范围的方法要求光谱分辨率高，解调成本高，因此本文使用三角函数拟合的方法求解自由光谱范围，假设反射光谱满足：

采用最小二乘法求残差为：

3.2 张力计算

张力的大小会影响输送带和滚筒间摩擦力和托辊间垂度，为保证带式输送机在启动、运行和制动工况下保持稳定，需要对光电解调器获得的自由光谱范围与压力标定并进行计算，获得张力的大小。由于各个矿场中所采用的带式输送机型号参数的不同，以及张紧装置中张紧油缸参数的不同，假设带式输送机张紧装置如图2所示，张紧油缸和液压回路中无摩擦，无气孔，无背压，且张紧油缸中压力处处相等；忽略输送带弹性、粘性阻尼和惯性[18]。张紧油缸中有效活塞直径为D，张紧油缸中的液压压力为P，则张紧油缸输出力方程为

输送带张力为

Ft = F（10）

4 光电解调器的设计

4.1 光电解调器的硬件设计

4.1.1 主处理器模块设计

主处理器模块是由主处理器电路、HDMI接口电路、GPIO扩展电路、以太网接口电路和电源电路等组成，其组成框图如图10所示。主处理器模块选用Jet-son Nano高性能嵌入式开发平台，具有4核64位ARM CPU和128核集成NVIDIA GPU，可提供472 GFLOPS的计算性能，且提供了基于Ubuntu 18.04的完整桌面Lin-ux环境，因此能够以图形化界面显示带式输送机张力检测系统中的内容。

4.1.2 光电转换电路设计

光电解调器采集到法珀腔传感头的反射光在光路中以光波的形式传输，光信号经过光电转换电路转换为电信号。本文选取PIN型光电二极管作为光电探测器，光电二极管有2种工作模式：光伏模式和光导模式。光电二级管工作在光伏模式下，不会流过任何暗电流，线性度和灵敏度达到最高，非常适合高精度测量应用；光电二极管工作在光导模式下，响应速度快，缺点是存在暗电流、高噪声和线性度差。本文选取光电二级管的光伏模式作为光电转换电路的工作模式。

4.1.3 调理电路设计

光电转换电路将光信号转换后的电信号仍为小信号，一般不能直接被A/D转换电路采样，因此需要设计具有放大功能的调理电路对该信号进行放大。本文采用LF353运算放大芯片设计调理电路，该芯片具有低输入偏置电流、高输入阻抗和高压摆率等特点。

4.1.4 A/D转换电路设计

A/D转换电路将调理电路放大后的模拟电信号转化为数字信号。本文选用ADS1263模数转换芯片，ADS1263数模转换芯片拥有10通道32位高分辨率和38.4 kSPS的采样速率，满足光电解调器的采样需求。ADS1263具有单端输入和差分输入2种配置模式，本文采用单端输入模式，即将AVDD连接5 V，AVSS连接GND。

4.2 光电解调器的软件设计

光电解调器使用Jetson Nano高性能嵌入式开发平台，采用Python语言进行设计，其主程序流程图如图11所示。

主程序主要包含数据采集子程序，数据解调子程序和以太网通讯子程序。数据采集子程序通过SPI与A/D转换电路通讯，实现对阵列波导光栅输出的各通道光信号的强度数据采集；数据解调子程序将采集到的数据与预设的波长数据形成二维数组，解调后得到自由光谱范围，计算出压力大小和张力数值；张力监控子程序负责将解调后的数据进行显示并判断，判断张力是否存在过大或过小的情况控制报警器报警；以太网通讯子程序将用户在上位机输入的指令或解调程序计算的数据进行下发或上传。

5 实验及结果分析

5.1 实验平台搭建

基于光纤传感的带式输送机张力检测实验平台是由手动液压泵、液压回路、三通阀、数字压力表、光环形器、阵列波导光栅、光源和光谱仪等构成，其示意图如图12所示。通过手动液压泵来调节液压回路中的压力大小来模拟带式输送机张紧装置中张紧油缸中的压力；通过HC-YS60数字液压表来测量实际中液压回路中的液压压力；将法珀腔传感头通过螺纹连接的方式接入到液压回路中。光源发出的光信号经过光环形器入射到法珀腔传感头中；法珀腔传感器的反射光经过光环形器入射到阵列波导光栅；通过光谱仪对阵列波导光栅的输出光进行采集。

5.2 实验结果及分析

通过光谱仪测量阵列波导光栅AWG分别输出光谱各个通道与直接测量光环形器Port3光谱数据如图13所示。

从图13中可以看出，反射光经过阵列波导光栅之后各通道的光谱数据与法珀腔传感头的反射光谱存在关系，因此通过多通道的阵列波导光栅能够测量出反射光谱。采用16通道阵列波导光栅进行实验测得的自由光谱范围如图14所示，16通道阵列波导光栅在25 ℃的测量范围为1 546.133～1 558.192 nm ，各通道波长差？驻？姿 = 0.8 nm，由于其最大波长测量范围为12.8 nm，小于2倍25 MPa压力的自由光谱范围，测量范围内不能完全表示出频率信息，造成解调效果差，误差过大。从法珀腔传感头的反射光谱中获得1 542.937～1 560.614 nm范围内32个强度数据，来模拟32通道阵列波导光栅，其解调后的自由光谱范围如图14中所示，拟合直线参数如表1所示。

传感器的灵敏度是判断传感器性能的重要指标之一[19]，其中灵敏度为所测量到的光谱数据中自由光谱范围变化量与压力的比值，当压力与光谱中自由光谱范围呈线性关系时，其灵敏度的大小为线性方程的斜率，即本文中所制备的光纤传感器的灵敏度为0.148 nm/MPa。R2拟合优度是指回归直线对观测值的拟合程度，R2的值越接近于1说明传感器的线性度越好。本文提出的法珀腔传感头及其解调方法的线性度达到了0.995，线性度好。

传感器的分辨率是指能够测量到最小压强变化，为避免测量过程中由于压力表测量所带来的测量误差，连续测量0 MPa下的自由光谱范围，取测量数据的标准差0.002 86 nm作为系统测量误差[20]，得到传感器所能测量的最小压力为19 kPa，即传感器的压力分辨率为19 kPa。压力测量精度为0.1%。

相比目前带式输送机采用的1%精度的GAD系列张力传感器测量张力的方法，本文提出的光纤传感的带式输送机张力检测方法精度至少提高至0.1%。与采用电压力传感器测量带式输送机张力的方法相比，本文提出的张力检测方法，具有抗电磁干扰、分辨率高、结构简单等优点，能够满足带式输送机在井下复杂环境中对张力的检测。

6 结 论

本文提出了一种基于光纤传感的带式输送机的张力检测方法，该方法将法珀腔传感头置于带式输送机张紧装置的液压回路中，液压回路的压力使法珀腔传感头的硅膜片产生形变，引起法珀腔传感头反射光变化；光电解调器光路接收法珀腔传感头的反射光后，经光路解调后得到反射光谱，通过光电解调器电路的光电转换、处理、分析后，得到反射光光谱的自由光谱范围，再根据油缸内部面积计算出带式输送机张力，实现了带式输送机张力检测。根据双干涉效应原理设计了法珀腔传感头，采用Jetson Nano嵌入式系统开发板设计了光电解调器硬件，采用Python语言设计了光电解调器软件。实验结果表明，该方法能够实现带式输送机张力检测，压力测量范围0～25 MPa，灵敏度为0.148 nm/MPa，测量精度为0.1%，不易损坏，抗干扰性好，准确性和可靠性高。

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本文引文格式：

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收稿日期： 2022-11-24" " " " 基金项目： 国家自然科学基金面上项目（NSFC51274150）；天津市重点研发计划科技支撑项目（18YFZCGX00930）

通信作者： 苗长云（1962— ），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为光电检测技术与系统。E-mail：miaochangyun@tiangong.edu.cn