最新成果丨方新秋教授：基于FBG传感器的带式输送机故障监测研究

本论文创新点

（1）为了寻求更加安全有效的带式输送机监测与保护方案，在分析带式输送机常见故障原理与表现形式的基础上，基于光纤传感技术，提出了一种基于FBG的带式输送机综合保护系统，明确了光纤型传感器阵列的设计是系统搭建的重要前提。

（2）以FBG-等强度悬臂梁为核心传感结构设计了多种故障监测传感器，组成了带式输送机综合保护系统的传感器阵列。同时，结合相应传感器的一般工况，对FBG-等强度悬臂梁的结构设计和材料选择进行了深入研究，优选了尼龙6作为等强度悬臂梁的制作材料。

（3）通过理论分析、数值模拟及实验室试验等手段对FBG-等强度悬臂梁的结构有效性、灵敏度和稳定性进行了验证。结果表明：FBG-等强度悬臂梁的理论灵敏度为S = 52.978 0 N/nm，实际灵敏度S* = 38.115 7 N/nm，灵敏度表现良好；光纤型传感器对温度变化敏感，通过温度补偿能够有效提高传感精度。所设计的光纤型传感器阵列解决了现有带式输送机运行故障无法实时定量感知的问题，可为实现设备智能化感知与控制提供坚实的数据基础；同时也为相关光纤型传感器的研究设计提供了参考思路。

题目

基于FBG传感器的带式输送机故障监测研究

作者

方新秋^1,2, 吴洋^1,2, 宋扬^1,2, 陈宁宁^1,2, 丰宇龙^1,2, 冯豪天^1,2, 贺德幸^1,2, 乔富康^1,2

单位

1. 中国矿业大学矿业工程学院；
2. 中国矿业大学智能化开采研究中心

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摘要

带式输送机的故障监测有助于预防安全事故、提高生产效率以及实现设备智能化运行。从带式输送机常见故障分析、综合保护系统组成、光纤型传感器阵列设计与分析、核心敏感元件设计与选材等方面，对基于FBG传感器的带式输送机故障监测进行了深入研究。首先针对传统监测手段无法定量感知、实时性不足、数据融合能力薄弱等问题，提出了一种基于光纤光栅(FBG)的带式输送机综合保护系统，明确了光纤型传感器阵列的设计是系统搭建的重要前提。其次，在分析带式输送机常见故障形成原因和表现形式的基础上，以FBG–等强度悬臂梁为核心敏感元件设计了一系列故障监测传感器，组成了带式输送机综合保护系统的光纤型传感器阵列，实现了故障的实时定量监测。接着，通过理论分析和Ansys有限元仿真，对FBG–等强度悬臂梁的尺寸结构设计和材料选择进行了深入研究，在传感模型中分析了灵敏度和精度的影响因素，并据此确定了敏感元件的结构尺寸，优选了尼龙6作为制作材料。最后，通过试验对FBG–等强度悬臂梁的结构有效性、灵敏度和稳定性进行了验证。在灵敏度试验中，敏感元件表现出良好的线性响应特性，理论灵敏度S = 52.978 0 N/nm，实际灵敏度S* = 38.115 7 N/nm；在重复性试验中，平均重复性误差仅为1.002%，表现出良好的重复性和稳定性；温度敏感性试验和温度补偿试验则验证了光纤光栅在温度测量中的线性相关性，从而进一步揭示了温度补偿对提升传感灵敏度的必要性，即便在微小温度变化环境下，补偿机制仍能有效提高灵敏度0.6%。所设计的光纤型传感器阵列解决了现有带式输送机运行故障无法实时定量感知的问题，为实现设备智能化感知与控制提供了坚实的数据基础。研究成果不仅能有效降低带式输送机故障率，提高生产效率，更推动了煤矿行业向自动化、智能化方向的发展。

作者简介

方新秋

教授

博士生导师

方新秋，男，1974年8月生，浙江永康人，中共党员，中国矿业大学矿业工程学院教授，博士生导师，现任中国矿业大学智能化开采研究中心主任，山西省煤炭学会副理事长兼煤矿智能化专委会主任、山西煤炭千人智库副主席，入选江苏省“333高层次人才工程”、江苏省“六大人才高峰”、江苏省高校“青蓝工程”等人才工程。中组部第十批博士服务团成员，曾获新疆生产建设兵团三等功奖励、中国矿业大学“十佳共产党员”等荣誉称号。

研究方向

煤矿智能化开采、矿山智能感知与决策、矿山压力与岩层控制、地下工程等方向。

主要成果

近年来，以“科学采矿”理念为指导，率先开展煤矿智能化开采方面的研究，建立了智能工作面系统工程模型，构建了智能工作面开采技术体系。主持国家自然科学基金项目、山西省科技重大专项课题等纵向项目10多项；主持企业委托项目60多项。在国内外发表论文100余篇，其中第一作者和通讯作者高质量论文60余篇，入选领跑者F5000论文3篇；出版《采场三机姿态智能感知理论与实践》《巷道围岩智能感知理论与实践》等专著6部；主编《开采环境智能感知》《智能采矿导论》等煤炭高教十四五规划教材2部。第一发明人授权国内发明专利38项、国外发明专利12项；软件著作权7项。研究成果获省部级科技进步一等奖5项（4项排名第一）、二等奖7项（3项排名第一），科技进步三等奖6项。主讲《智慧矿山》《智能化开采》《开采环境智能感知》《智能采矿概论》等本科生与研究生课程。

引用格式

方新秋，吴洋，宋扬，等.基于FBG传感器的带式输送机故障监测研究[J].煤炭科学技术，2025，53（1）：326−340.
FANG Xinqiu，WU Yang，SONG Yang，et al. Research on fault monitoring of belt conveyor based on FBG sensor[J]. Coal Science and Technology，2025，53（1）：326−340.

策划：常琛

责编：钱小静

编辑：李莎

审核：常琛

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