CN107659205B - 一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，设置在深部巷道传输支架上，实现针对深部巷道指定类型数据的采集，其所需能量是通过捕获煤矿采掘过程中多余机械能的方式获得，将振动机械能向电能转化进行供电，整个装置所组成的网络寿命相比于其他网络较长，有利于环保，且本发明设计无线传感节点装置，占用的空间较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，属于深部巷道监测技术领域。
背景技术
由于长期开采，我国煤炭浅部资源日益枯竭，由此将转入深部开采。目前，由于缺乏深部开采围岩稳定性监测与控制的先进技术和装备，无法实现大采深、高应力、破碎围岩变形与破坏的有效控制。因此，开展深部巷道围岩实时监测、解决关键技术与装备的研究，是我国煤矿安全生产的必然要求。
目前，煤矿井下无线传感网络的节点多是以电池供电，由于地下环境的限制，节点不易进行电池更换，网络寿命短，导致无线传感网络不能真正用于长周期、实时井下监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于煤矿采掘过程中所导致巷道的振动，实现振动机械能向电能转化进行供电的用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，用于设置在深部巷道传输支架上，实现针对深部巷道指定类型数据的采集；包括压电能量捕获装置、整流滤波模块、电能储存装置、电能控制模块、传感器、信号收发模块和天线；其中，压电能量捕获装置的电能输出端与整流滤波模块的输入端相连接，整流滤波模块的输出端与电能储存装置的输入端相连接，压电能量捕获装置基于深部巷道传输支架的振动，产生电能，并经整流滤波模块向电能储存装置输送电能；电能储存装置的输出端与电能控制模块相连接，传感器和信号收发模块分别与电能控制模块相连接，电能储存装置经电能控制模块分别为传感器、信号收发模块进行供电，同时，传感器和天线分别与信号收发模块相连接，传感器用于实现针对深部巷道指定类型数据的采集，并通过信号收发模块，经天线实现数据发送。
作为本发明的一种优选技术方案：所述压电能量捕获装置包括基座、悬梁臂压电振子和质量块，其中，悬梁臂压电振子包括弹性金属片和两片压电陶瓷片，弹性金属片的其中一端定义为固定端，弹性金属片上与其固定端相对的另一端定义为自由端，弹性金属片的固定端内嵌固定设置于基座上，质量块固定设置于弹性金属片的自由端上，两片压电陶瓷片分别设置于弹性金属片上对应基座与质量块之间部分的两表面上；两片压电陶瓷片分别通过导线与所述整流滤波模块的输入端相连接。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括保护缓冲模块，所述整流滤波模块的输出端与保护缓冲模块的输入端相连接，保护缓冲模块的输出端与电能储存装置的输入端相连接，所述压电能量捕获装置基于深部巷道传输支架的振动，产生电能，并依次经整流滤波模块、保护缓冲模块向电能储存装置输送电能。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电能储存装置为本安电池，所述电能控制模块为电池管理芯片U2；所述整流滤波模块、保护缓冲模块、电能控制模块共计包括开关S1、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、直流-直流电压调整器U1、第一运算放大器U3、第二运算放大器U4、或非门U5、运算放大器U6、N沟道绝缘栅增强型场效应管U7；所述悬梁臂压电振子中两片压电陶瓷片的正极连接第一电感L1的其中一端，第一电感L1的另一端、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的负极三者相连接，悬梁臂压电振子中两片压电陶瓷片的负极、第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极三者相连接；第一二极管D1的负极、第三二极管D3的负极、第一电容C1的其中一端、开关S1的其中一端四者相连接；开关S1的另一端、第二电感L2的其中一端、第五二极管D5的正极三者相连接；第五二极管D5的负极、第二电容C2的其中一端、第三电感L3的其中一端、直流-直流电压调整器U1的LBI端四者相连接；第一电阻R1的其中一端与直流-直流电压调整器U1的BATT端相连接，第一电阻R1的另一端、直流-直流电压调整器U1的LBO端、SHDN端三者相连接；直流-直流电压调整器U1的接地端接地，直流-直流电压调整器U1的LX端与第三电感L3的另一端相连接，直流-直流电压调整器U1的输出端、第三电容C3的其中一端、第六二极管D6的正极三者相连接；第六二极管D6的负极、第二电阻R2的其中一端、N沟道绝缘栅增强型场效应管U7的漏极三者相连接；第二电阻R2的另一端、第一运算放大器U3的正极输入端、第三电阻R3的其中一端三者相连接，第三电阻R3的另一端接地；第一运算放大器U3的负极输入端接预设电压，第一运算放大器U3的输出端连接或非门U5的其中一个输入端；第四电阻R4的其中一端接地，第四电阻R4的另一端、运算放大器U6的负极输入端、第五电阻R5的其中一端三者相连接；第五电阻R5的另一端、运算放大器U6的输出端、第二运算放大器U4的正极输入端三者相连接，第二运算放大器U4的负极输入端连接预设电压，第二运算放大器U4的输出端连接或非门U5的另一输入端；或非门U5的输出端与N沟道绝缘栅增强型场效应管U7的栅极相连接，N沟道绝缘栅增强型场效应管U7的源极与第七电阻R7的其中一端相连接，第七电阻R7的另一端、电池管理芯片U2的RS-端、本安电池的正极三者相连接；电池管理芯片U2的输出端与第八电阻R8的其中一端相连接，第八电阻R8的另一端、电池管理芯片U2的REF端、第九电阻R9的其中一端三者相连接；第二二极管D2的正极、第四二极管D4的正极、第一电容C1的另一端、第二电感L2的另一端、第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端、第六电阻R6的其中一端七者相连接，且七者相连接端接地；第六电阻R6的另一端、运算放大器U6的正极输入端、第九电阻R9的另一端、电池管理芯片U2的GND端、本安电池的负极五者相连接。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括防爆壳体，所述压电能量捕获装置位于防爆壳体中，其中基座固定设置于防爆壳体内部，悬梁臂压电振子在质量块的作用下，在防爆壳体中自由活动；所述整流滤波模块、电能储存装置、电能控制模块和信号收发模块设置于防爆壳体中，传感器和天线设置于防爆壳体外部。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括电路板，电路板位于所述防爆壳体中，且电路板与所述压电能量捕获装置的基座相固定连接，所述整流滤波模块、电能储存装置、电能控制模块和信号收发模块设置焊接于电路板上。
本发明所述一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置的应用系统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，设置在深部巷道传输支架上，实现针对深部巷道指定类型数据的采集，其所需能量是通过捕获煤矿采掘过程中多余机械能的方式获得，将振动机械能向电能转化进行供电，整个装置所组成的网络寿命相比于其他网络较长，有利于环保，且本发明设计无线传感节点装置，占用的空间较小。
附图说明
图1是本发明所设计用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置的模块示意图；
图2是本发明所设计用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置的硬件结构示意图；
图3是是本发明所设计中压电能量捕获装置的结构示意图；
图4是本发明所设计中压电陶瓷片至电能控制模块的具体电路示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，本发明设计了一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，用于设置在深部巷道传输支架上，实现针对深部巷道指定类型数据的采集；实际应用当中，具体包括防爆壳体、电路板、压电能量捕获装置、整流滤波模块、保护缓冲模块、本安电池、电池管理芯片U2、传感器、信号收发模块和天线；其中，整流滤波模块、电能储存装置、电池管理芯片U2和信号收发模块设置焊接于电路板上；压电能量捕获装置的电能输出端与整流滤波模块的输入端相连接，其中，如图3所示，压电能量捕获装置包括基座、悬梁臂压电振子和质量块，其中，悬梁臂压电振子包括弹性金属片和两片压电陶瓷片，弹性金属片的其中一端定义为固定端，弹性金属片上与其固定端相对的另一端定义为自由端，弹性金属片的固定端内嵌固定设置于基座上，质量块固定设置于弹性金属片的自由端上，两片压电陶瓷片分别设置于弹性金属片上对应基座与质量块之间部分的两表面上；两片压电陶瓷片分别通过导线与所述整流滤波模块的输入端相连接；整流滤波模块的输出端与保护缓冲模块的输入端相连接，保护缓冲模块的输出端与本安电池的输入端相连接，所述压电能量捕获装置基于深部巷道传输支架的振动，产生电能，并依次经整流滤波模块、保护缓冲模块向本安电池输送电能；本安电池的输出端与电池管理芯片U2相连接，传感器和信号收发模块分别与电池管理芯片U2相连接，本安电池经电池管理芯片U2分别为传感器、信号收发模块进行供电，同时，传感器和天线分别与信号收发模块相连接，传感器用于实现针对深部巷道指定类型数据的采集，并通过信号收发模块，经天线实现数据发送；压电能量捕获装置位于防爆壳体中，其中基座固定设置于防爆壳体内部，悬梁臂压电振子具有一定的自由度空间，悬梁臂压电振子在质量块的作用下，在防爆壳体中自由活动；电路板位于所述防爆壳体中，且电路板与所述压电能量捕获装置的基座相固定连接，传感器和天线设置于防爆壳体外部。
针对上述设计中的整流滤波模块、保护缓冲模块、本安电池、电池管理芯片U2，在具体的实际应用当中，如图4所示，进一步设计整流滤波模块、保护缓冲模块共计包括开关S1、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、直流-直流电压调整器U1、第一运算放大器U3、第二运算放大器U4、或非门U5、运算放大器U6、N沟道绝缘栅增强型场效应管U7；所述悬梁臂压电振子中两片压电陶瓷片的正极连接第一电感L1的其中一端，第一电感L1的另一端、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的负极三者相连接，悬梁臂压电振子中两片压电陶瓷片的负极、第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极三者相连接；第一二极管D1的负极、第三二极管D3的负极、第一电容C1的其中一端、开关S1的其中一端四者相连接；开关S1的另一端、第二电感L2的其中一端、第五二极管D5的正极三者相连接；第五二极管D5的负极、第二电容C2的其中一端、第三电感L3的其中一端、直流-直流电压调整器U1的LBI端四者相连接；第一电阻R1的其中一端与直流-直流电压调整器U1的BATT端相连接，第一电阻R1的另一端、直流-直流电压调整器U1的LBO端、SHDN端三者相连接；直流-直流电压调整器U1的接地端接地，直流-直流电压调整器U1的LX端与第三电感L3的另一端相连接，直流-直流电压调整器U1的输出端、第三电容C3的其中一端、第六二极管D6的正极三者相连接；第六二极管D6的负极、第二电阻R2的其中一端、N沟道绝缘栅增强型场效应管U7的漏极三者相连接；第二电阻R2的另一端、第一运算放大器U3的正极输入端、第三电阻R3的其中一端三者相连接，第三电阻R3的另一端接地；第一运算放大器U3的负极输入端接预设电压，第一运算放大器U3的输出端连接或非门U5的其中一个输入端；第四电阻R4的其中一端接地，第四电阻R4的另一端、运算放大器U6的负极输入端、第五电阻R5的其中一端三者相连接；第五电阻R5的另一端、运算放大器U6的输出端、第二运算放大器U4的正极输入端三者相连接，第二运算放大器U4的负极输入端连接预设电压，第二运算放大器U4的输出端连接或非门U5的另一输入端；或非门U5的输出端与N沟道绝缘栅增强型场效应管U7的栅极相连接，N沟道绝缘栅增强型场效应管U7的源极与第七电阻R7的其中一端相连接，第七电阻R7的另一端、电池管理芯片U2的RS-端、本安电池的正极三者相连接；电池管理芯片U2的输出端与第八电阻R8的其中一端相连接，第八电阻R8的另一端、电池管理芯片U2的REF端、第九电阻R9的其中一端三者相连接；第二二极管D2的正极、第四二极管D4的正极、第一电容C1的另一端、第二电感L2的另一端、第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端、第六电阻R6的其中一端七者相连接，且七者相连接端接地；第六电阻R6的另一端、运算放大器U6的正极输入端、第九电阻R9的另一端、电池管理芯片U2的GND端、本安电池的负极五者相连接；实际应用中，直流-直流电压调整器U1设计采用MAX1795直流-直流电压调整器。
本发明所设计用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，实际应用中，具体安装设置在深部矿井巷道传输皮带支架上，通过压电能量捕获装置中悬梁臂压电振子的振动，产生电能传递，并保存到壳体内部的本安电池中；实际设计应用中，防爆壳体为10cm*5cm*2cm长方体，壳体侧面留有接口，接口用于连接电能控制模块与传感器之间的电路，以及用于连接信号收发模块与天线之间的电路；两片压电陶瓷片均采用PZT-5H，沿厚度方向z轴极化，取长度方向为x轴，宽度方向为y轴，压电陶瓷表面镀一层银电极，与金属片之间采用导电环氧树脂胶粘结，金属片采用镍合金。
在实际应用中，压电能量捕获装置利用正压电效应产生电能，正压电效应是指将机械能向电能转换的过程，当外界环境给压电材料施加压力以后，压电晶体会发生变形，因为本身材料特性，在材料的表面会产生电荷的现象。当压电陶瓷片受到的力与其本身的极化方向相平行时，压电晶体会发生压缩（或拉伸）变形，压电陶瓷片本身的正电荷和负电荷之间距离会变小，从而破坏了本身的平衡，从而释放出原来存在于电极上的自由电荷，两个表面就会产生电势差，当外力撤去以后，压电材料慢慢膨胀恢复，极化强度也变大，一部分自由电荷又被重新吸附在电极表面，这样压电材料又达到电荷平衡状态，也就对外不显示电性。
如此，上述技术方案所设计用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，设置在深部巷道传输支架上，实现针对深部巷道指定类型数据的采集，其所需能量是通过捕获煤矿采掘过程中多余机械能的方式获得，将振动机械能向电能转化进行供电，整个装置所组成的网络寿命相比于其他网络较长，有利于环保，且本发明设计无线传感节点装置，占用的空间较小。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变动。
Claims (4)
1.一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，其特征在于：用于设置在深部巷道传输支架上，实现针对深部巷道指定类型数据的采集；包括压电能量捕获装置、整流滤波模块、电能储存装置、电能控制模块、传感器、信号收发模块和天线；其中，压电能量捕获装置的电能输出端与整流滤波模块的输入端相连接，整流滤波模块的输出端与电能储存装置的输入端相连接，压电能量捕获装置基于深部巷道传输支架的振动，产生电能，并经整流滤波模块向电能储存装置输送电能；电能储存装置的输出端与电能控制模块相连接，传感器和信号收发模块分别与电能控制模块相连接，电能储存装置经电能控制模块分别为传感器、信号收发模块进行供电，同时，传感器和天线分别与信号收发模块相连接，传感器用于实现针对深部巷道指定类型数据的采集，并通过信号收发模块，经天线实现数据发送；
所述压电能量捕获装置包括基座、悬梁臂压电振子和质量块，其中，悬梁臂压电振子包括弹性金属片和两片压电陶瓷片，弹性金属片的其中一端定义为固定端，弹性金属片上与其固定端相对的另一端定义为自由端，弹性金属片的固定端内嵌固定设置于基座上，质量块固定设置于弹性金属片的自由端上，两片压电陶瓷片分别设置于弹性金属片上对应基座与质量块之间部分的两表面上；两片压电陶瓷片分别通过导线与所述整流滤波模块的输入端相连接；整流滤波模块、电能储存装置、电能控制模块、传感器、信号收发模块、天线所构电路结构与悬梁臂压电振子、质量块所构供电结构分设于基座不同方向的两侧；
所述电能储存装置为本安电池，所述电能控制模块为电池管理芯片U2；所述整流滤波模块、保护缓冲模块、电能控制模块共计包括开关S1、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、直流-直流电压调整器U1、第一运算放大器U3、第二运算放大器U4、或非门U5、运算放大器U6、N沟道绝缘栅增强型场效应管U7；所述悬梁臂压电振子中两片压电陶瓷片的正极连接第一电感L1的其中一端，第一电感L1的另一端、第三二极管D3的正极、第四二极管D4的负极三者相连接，悬梁臂压电振子中两片压电陶瓷片的负极、第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极三者相连接；第一二极管D1的负极、第三二极管D3的负极、第一电容C1的其中一端、开关S1的其中一端四者相连接；开关S1的另一端、第二电感L2的其中一端、第五二极管D5的正极三者相连接；第五二极管D5的负极、第二电容C2的其中一端、第三电感L3的其中一端、直流-直流电压调整器U1的LBI端四者相连接；第一电阻R1的其中一端与直流-直流电压调整器U1的BATT端相连接，第一电阻R1的另一端、直流-直流电压调整器U1的LBO端、SHDN端三者相连接；直流-直流电压调整器U1的接地端接地，直流-直流电压调整器U1的LX端与第三电感L3的另一端相连接，直流-直流电压调整器U1的输出端、第三电容C3的其中一端、第六二极管D6的正极三者相连接；第六二极管D6的负极、第二电阻R2的其中一端、N沟道绝缘栅增强型场效应管U7的漏极三者相连接；第二电阻R2的另一端、第一运算放大器U3的正极输入端、第三电阻R3的其中一端三者相连接，第三电阻R3的另一端接地；第一运算放大器U3的负极输入端接预设电压，第一运算放大器U3的输出端连接或非门U5的其中一个输入端；第四电阻R4的其中一端接地，第四电阻R4的另一端、运算放大器U6的负极输入端、第五电阻R5的其中一端三者相连接；第五电阻R5的另一端、运算放大器U6的输出端、第二运算放大器U4的正极输入端三者相连接，第二运算放大器U4的负极输入端连接预设电压，第二运算放大器U4的输出端连接或非门U5的另一输入端；或非门U5的输出端与N沟道绝缘栅增强型场效应管U7的栅极相连接，N沟道绝缘栅增强型场效应管U7的源极与第七电阻R7的其中一端相连接，第七电阻R7的另一端、电池管理芯片U2的RS-端、本安电池的正极三者相连接；电池管理芯片U2的输出端与第八电阻R8的其中一端相连接，第八电阻R8的另一端、电池管理芯片U2的REF端、第九电阻R9的其中一端三者相连接；第二二极管D2的正极、第四二极管D4的正极、第一电容C1的另一端、第二电感L2的另一端、第二电容C2的另一端、第三电容C3的另一端、第六电阻R6的其中一端七者相连接，且七者相连接端接地；第六电阻R6的另一端、运算放大器U6的正极输入端、第九电阻R9的另一端、电池管理芯片U2的GND端、本安电池的负极五者相连接。
2.根据权利要求1所述一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，其特征在于：还包括保护缓冲模块，所述整流滤波模块的输出端与保护缓冲模块的输入端相连接，保护缓冲模块的输出端与电能储存装置的输入端相连接，所述压电能量捕获装置基于深部巷道传输支架的振动，产生电能，并依次经整流滤波模块、保护缓冲模块向电能储存装置输送电能。
3.根据权利要求2所述一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，其特征在于：还包括防爆壳体，所述压电能量捕获装置位于防爆壳体中，其中基座固定设置于防爆壳体内部，悬梁臂压电振子在质量块的作用下，在防爆壳体中自由活动；所述整流滤波模块、电能储存装置、电能控制模块和信号收发模块设置于防爆壳体中，传感器和天线设置于防爆壳体外部。
4.根据权利要求3所述一种用于深部巷道监测的压电能量捕获供电式无线传感节点装置，其特征在于：还包括电路板，电路板位于所述防爆壳体中，且电路板与所述压电能量捕获装置的基座相固定连接，所述整流滤波模块、电能储存装置、电能控制模块和信号收发模块设置焊接于电路板上。
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