CN109149741A - 一种基于压电效应的自供电故障诊断装置及方法 - Google Patents

一种基于压电效应的自供电故障诊断装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，并提出了一种依托于该装置实现的诊断方法，属于压电新材料与故障诊断技术领域。本发明通过悬臂梁式压电传感器感知设备故障频率，并作为控制开关电路的控制信号，通过光电耦合控制蜂鸣器发出报警信号。其中，自供电故障诊断装置包括压电能量采集器，充电电路，可充电电池，悬臂梁式压电传感器，开关电路，蜂鸣器。压电能量采集器通过充电电路为可充电电池充电，电池为开关电路和蜂鸣器供能。悬臂梁式压电传感器用来采集被诊断设备的故障频率，当设备出现故障，压电传感器可以使开关电路导通，蜂鸣器发出响声，起到报警的作用。该装置自供电，自感知，耗能低，寿命长，结构简单，易于实现。

Description

一种基于压电效应的自供电故障诊断装置及方法
技术领域
本发明属于压电新材料技术领域与故障诊断技术领域，具体涉及一种基于压电效应的自供电故障诊断装置及依托于该装置实现的诊断方法。
背景技术
随着新材料的不断发展，优良的压电材料得到广泛应用，其中PVDF压电薄膜的应用最为广泛。PVDF压电薄膜具有质地柔软、极薄、质轻、韧度高、灵敏度高、响应快、频率范围宽、经济性好的特点，使其广泛应用于压电能量收集领域与压电传感器领域。
然而，现代工业生产的特点是生产设备大型化、连续化、高速化和自动化，这具有提高生产效率、降低成本、节约能源和人力、减少废品率，保证产品质量等优势，但是由于设备故障而引起停工以及维修将会带来很大的损失。由于机械设备运行将会产生振动，设备的振动蕴含大量的信息，通过分析机械的振动可以对机械设备进行故障诊断。
将具有压电效应的自供电故障诊断装置，用于工业故障诊断当中，是一种新颖的想法，压电材料的压电效应可以将设备运行时的振动能量转化为电能，通过充电电路转换之后为可充电电池充电，可充电电池为负载提供电能，同时压电材料的形变量与电压和电荷量之间具有良好的线性关系，可以设计灵敏度较高的压电传感器，实现对生产设备的故障诊断。
根据目前发展情况，本发明提出了一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，实现自供电、自感知、光电耦合器控制电路通断，具有耗能小，结构简单，安装方便，使用寿命长的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现自供电、自感知、光电耦合器控制电路通断、耗能小、结构简单、安装方便、使用寿命长的基于压电效应的自供电故障诊断装置，同时提出了一种依托于该装置实现的诊断方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明公开了一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，包括压电能量收集器1、充电电路2、可充电电池3、悬臂梁式压电传感器4、开关电路5、蜂鸣器6及固定板7；压电能量收集器1、充电电路2、可充电电池3、悬臂梁式压电传感器4、开关电路5及蜂鸣器6分别安装在固定板7上，充电电路2分别与压电能量收集器1及可充电电池3连接，可充电电池3后端连接有开关电路5及蜂鸣器6，悬臂梁式压电传感器4与开关电路5相连。
优选的，所述的压电能量收集器1包括圆形PVDF压电薄膜1-1、钢环1-2及电极1-3；压电能量收集器1由n层圆形PVDF压电薄膜1-1堆叠组成，各层之间通过钢环1-2隔开，每层圆形PVDF压电薄膜1-1的上下表面引出导线作为电极1-3。
优选的，所述的压电能量收集器1中n层圆形PVDF压电薄膜1-1之间通过并联或者串联的方式连接；采用串联的方式连接时，压电能量收集器1中圆形PVDF压电薄膜1-1的层数n越大，压电能量收集器1产生的电能越大，n的大小根据实际所需的电能大小决定。
优选的，所述的充电电路2中包括AC-DC转换模块2-1及DC-DC转换模块2-2，AC-DC转换模块2-1将压电能量收集器1产生的交流电压转换为直流电压，DC-DC转换模块2-2将直流电压进行变压达到稳定的3V电压，为可充电电池3充电。
优选的，所述的悬臂梁式压电传感器4包括矩形PVDF压电薄膜4-1及悬臂梁，悬臂梁又包括悬臂梁固定端4-2，悬臂梁梁体4-3及悬臂梁配重4-4；矩形PVDF压电薄膜4-1粘贴在悬臂梁梁体4-3上，上下两表面通过导线引出电极，与整流装置相连接，后端连接开关电路5。
优选的，所述的悬臂梁中通过改变悬臂梁梁体4-3的几何尺寸及悬臂梁配重4-4来改变悬臂梁式压电传感器4的固有频率，从而与被诊断设备的故障频率相适应；其中，几何尺寸包括悬臂梁梁体4-3的长度、宽度、厚度。
优选的，所述的开关电路5中主要包括光电耦合器，可充电电池3的正极与光电耦合器的集电极相连，负极与光电耦合器的发射级相连，可充电电池3的正极与光电耦合器的集电极中间还串联有蜂鸣器6；光电耦合器中包括发光器及受光器，悬臂梁式压电传感器4经过整流后的两个电极分别连接光电耦合器的正极，为发光器提供导通信号，受光器接收发光器的光源，产生电流导通蜂鸣器6。
优选的，所述的固定板7上开有螺纹孔，通过螺栓将整体装置安装在被诊断设备上。
本发明还公开了一种基于压电效应的自供电故障诊断方法，主要通过以下步骤实现：
(1)使用螺栓通过固定板上的螺纹孔将基于压电效应的自供电故障诊断装置安装在被诊断设备上；
(2)压电能量收集器收集被诊断设备的机械振动能量，利用压电效应将收集的能量转化为电能，并通过充电电路将电能进行整流、变压为稳定的3V电压，为可充电电池充电；
(3)可充电电池储存电能，达到储存阈值后为开关电路及蜂鸣器供能；
(4)悬臂梁式压电传感器采集被诊断设备的振动频率，当被诊断设备出现故障，振动频率达到故障频率时，悬臂梁式压电传感器与被诊断设备达到共振，产生电压传输至开关电路；
(5)当悬臂梁式压电传感器的输出电压大于开关电路开通的阈值电压时，开关电路的开关导通，蜂鸣器发出蜂鸣声，提示工作人员被诊断设备出现故障。
本发明的有益效果在于：
本发明中的开关电路是应用光电耦合器设计的电路，悬臂梁式压电传感器信号控制光电耦合器输入端的发光器(红外线发光二极管)发光，光电耦合器输出端受光器(光敏半导体)控制蜂鸣器的通断。当光电耦合器中发光器发光，蜂鸣器发出响声，实现“电-光-电”转换，具有电路设计简单，不需要逻辑电路，自身功耗小等特点。
装置中的报警元器件采用的是蜂鸣器，开关电路导通蜂鸣器发出蜂鸣声，设备维护人员可以及时发现设备故障，并对其进行检查维修，蜂鸣器报警不会有延时，而且声音清脆，远距离也可以听到。
整个装置利用压电能量采集器产生的电能作为电源，悬臂梁式压电传感器由PVDF压电薄膜粘贴到悬臂梁上制成，无需耗能，从整体来讲此装置具有自供电，自感知、耗能低、响应快、使用寿命长的特点。
附图说明
图1为本发明中基于压电效应的自供电故障诊断装置的结构示意图；
图2为本发明中压电能量收集器的结构示意图；
图3为本发明中充电电路的结构示意图；
图4为本发明中悬臂梁式压电传感器的结构示意图；
图5为本发明中开关电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
结合图1，本发明公开了一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，包括压电能量收集器1，充电电路2，可充电电池3，悬臂梁式压电传感器4，开关电路5，蜂鸣器6，固定板7。压电能量收集器1将机械振动能量通过压电效应转化为电能然后通过充电电路2将电能进行整流、变压为可充电电池3充电，可充电电池3储存电能为开关电路5和蜂鸣器6供能。悬臂梁式传感器固有频率与被诊断设备的故障频率接近，当设备发生故障，悬臂梁式压电传感器4产生电信号使开关电路导通，蜂鸣器6产生蜂鸣声，判断设备出现故障。
结合图2，能量收集器1是由4层圆形PVDF压电薄膜1-1堆叠而成，压电薄膜之间用钢环1-2隔开保证每层压电片的最大变形量，保证产生足够的电能，每层压电薄膜的上下表面引出导线作为电极1-3，多层压电片可也在电学上采取并联或者串联的连接方式，本发明当中运用的是串联的电学连接方式。能量收集器还可以通过增加圆形PVDF压电薄膜的数量来增加电能的转化，圆形压电薄膜堆叠层数越多产生电能越多。
结合图3，充电电路2部分包括AC-DC转换模块2-1，将能量收集器产生的交流电压转换为直流电压，然后通过DC-DC转换模块2-2，将直流电压进行变压达到稳定的3V电压为可充电电池3充电，可充电电池采用锂电池或者其他寿命长的可充电电池，保证故障诊断装置具有很长的使用寿命。
结合图4，悬臂梁式压电传感器4包括矩形PVDF压电薄膜4-1，悬臂梁固定端4-2，悬臂梁梁体4-3和悬臂梁配重4-4组成。PVDF长方形的压电薄膜上下两表面通过导线引出电极然后串联到整流装置将变形产生电压作为传感器信号。PVDF矩形压电薄膜通过树脂胶粘贴到悬臂梁梁体上，悬臂梁的梁体可以使用铜材料或者铝材料，可以通过改变悬臂梁的几何尺寸(长度、宽度、厚度)和自由端配重来改变整个悬臂梁式压电传感器的固有频率，使悬臂梁式传感器的固有频率与被诊断设备的故障频率接近，当机械设备出现故障时，悬臂梁式压电传感器可以产生共振，使悬臂梁式压电传感器可以产生大于开关电路导通的阀值电压，使开关导通。压电式悬臂梁可以根据不同的被诊断设备调节自身的固有频率，从而达到对不同设备进行诊断的目的。
结合图5，开关电路5主要是运用光电耦合器设计的开关电路，光电耦合器可以实现“电-光-电”的转换。整个电路部分是这样实现的，将可充电电池的正极与光电耦合器的集电极相连，电池正极与集电极之间再串联蜂鸣器，电池的负极接在光电耦合器的发射极。悬臂梁式压电传感器经过整流之后的两个电极接在光电耦合器的正极与负极，作为光电耦合器中发光器(红外线发光二极管)的导通信号，光电耦合器中受光器(光敏半导体)接受发光器的光源，受光器会有电流通过，此时蜂鸣器就会导通，从而产生起到报警作用的蜂鸣声。
本发明中可以将压电能量收集器1、充电电路2、可充电电池3、悬臂梁式传感器4、开关电路5蜂鸣器6采用平铺的方式安装在固定板7上，增加装置的整体性，固定板7上加工螺纹孔，可以将此装置通过螺栓连接到被诊断机械设备上。
本发明还公开了一种基于压电效应的自供电故障诊断方法，主要通过以下步骤实现：
(1)使用螺栓通过固定板上的螺纹孔将基于压电效应的自供电故障诊断装置安装在被诊断设备上；
(2)压电能量收集器收集被诊断设备的机械振动能量，利用压电效应将收集的能量转化为电能，并通过充电电路将电能进行整流、变压为稳定的3V电压，为可充电电池充电；
(3)可充电电池储存电能，达到储存阈值后为开关电路及蜂鸣器供能；
(4)悬臂梁式压电传感器采集被诊断设备的振动频率，当被诊断设备出现故障，振动频率达到故障频率时，悬臂梁式压电传感器与被诊断设备达到共振，产生电压传输至开关电路；
(5)当悬臂梁式压电传感器的输出电压大于开关电路开通的阈值电压时，开关电路的开关导通，蜂鸣器发出蜂鸣声，提示工作人员被诊断设备出现故障。
实施例2
与实施例1相同，其主要区别在于：
机械设备出现故障时往往会有多个故障频率，例如故障频率通常是正常运行频率的二分之一倍频，二倍频率，因此可以通过增加压电式悬臂梁的个数，调节悬臂梁的参数使每个悬臂梁式传感器的固有频率对应其中的一种故障频率，提高诊断装置的准确性。
此自供电故障诊断装置，应用压电材料的压电效应产生电能，不需要外部电源供电，节省能源，压电传感器与其他商用传感器相比不需要电源供电，压电传感器变形量与电荷量之间具有良好的线性关系，灵敏度、精确度高，将悬臂梁式压电传感器与光电耦合器配合使用。
综上，本发明公开了一种通过压电传感器感知设备故障频率，并作为控制开关电路的控制信号，通过光电耦合控制蜂鸣器发出报警信号。其中自供电故障诊断装置包括压电能量采集器，充电电路，可充电电池，悬臂梁式压电传感器，开关电路，蜂鸣器。压电能量采集器通过充电电路为可充电电池充电，电池为开关电路和蜂鸣器供能。悬臂梁式压电传感器用来采集被诊断设备的故障频率，当设备出现故障，压电传感器可以使开关电路导通，蜂鸣器发出响声，起到报警的作用。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，其特征在于：包括压电能量收集器(1)、充电电路(2)、可充电电池(3)、悬臂梁式压电传感器(4)、开关电路(5)、蜂鸣器(6)及固定板(7)；压电能量收集器(1)、充电电路(2)、可充电电池(3)、悬臂梁式压电传感器(4)、开关电路(5)及蜂鸣器(6)分别安装在固定板(7)上，充电电路(2)分别与压电能量收集器(1)及可充电电池(3)连接，可充电电池(3)后端连接有开关电路(5)及蜂鸣器(6)，悬臂梁式压电传感器(4)与开关电路(5)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，其特征在于：所述的压电能量收集器(1)包括圆形PVDF压电薄膜(1-1)、钢环(1-2)及电极(1-3)；压电能量收集器(1)由n层圆形PVDF压电薄膜(1-1)堆叠组成，各层之间通过钢环(1-2)隔开，每层圆形PVDF压电薄膜(1-1)的上下表面引出导线作为电极(1-3)。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，其特征在于：所述的压电能量收集器(1)中n层圆形PVDF压电薄膜(1-1)之间通过并联或者串联的方式连接；采用串联的方式连接时，压电能量收集器(1)中圆形PVDF压电薄膜(1-1)的层数n越大，压电能量收集器(1)产生的电能越大，n的大小根据实际所需的电能大小决定。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，其特征在于：所述的充电电路(2)中包括AC-DC转换模块(2-1)及DC-DC转换模块(2-2)，AC-DC转换模块(2-1)将压电能量收集器(1)产生的交流电压转换为直流电压，DC-DC转换模块(2-2)将直流电压进行变压达到稳定的3V电压，为可充电电池(3)充电。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，其特征在于：所述的悬臂梁式压电传感器(4)包括矩形PVDF压电薄膜(4-1)及悬臂梁，悬臂梁又包括悬臂梁固定端(4-2)，悬臂梁梁体(4-3)及悬臂梁配重(4-4)；矩形PVDF压电薄膜(4-1)粘贴在悬臂梁梁体(4-3)上，上下两表面通过导线引出电极，与整流装置相连接，后端连接开关电路(5)。
6.根据权利要求5所述的一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，其特征在于：所述的悬臂梁中通过改变悬臂梁梁体(4-3)的几何尺寸及悬臂梁配重(4-4)来改变悬臂梁式压电传感器(4)的固有频率，从而与被诊断设备的故障频率相适应；其中，几何尺寸包括悬臂梁梁体(4-3)的长度、宽度、厚度。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，其特征在于：所述的开关电路(5)中主要包括光电耦合器，可充电电池(3)的正极与光电耦合器的集电极相连，负极与光电耦合器的发射级相连，可充电电池(3)的正极与光电耦合器的集电极中间还串联有蜂鸣器(6)；光电耦合器中包括发光器及受光器，悬臂梁式压电传感器(4)经过整流后的两个电极分别连接光电耦合器的正极，为发光器提供导通信号，受光器接收发光器的光源，产生电流导通蜂鸣器(6)。
8.根据权利要求1所述的一种基于压电效应的自供电故障诊断装置，其特征在于：所述的固定板(7)上开有螺纹孔，通过螺栓将整体装置安装在被诊断设备上。
9.一种基于压电效应的自供电故障诊断方法，其特征在于，主要通过以下步骤实现：
(1)使用螺栓通过固定板上的螺纹孔将基于压电效应的自供电故障诊断装置安装在被诊断设备上；
(2)压电能量收集器收集被诊断设备的机械振动能量，利用压电效应将收集的能量转化为电能，并通过充电电路将电能进行整流、变压为稳定的3V电压，为可充电电池充电；
(3)可充电电池储存电能，达到储存阈值后为开关电路及蜂鸣器供能；
(4)悬臂梁式压电传感器采集被诊断设备的振动频率，当被诊断设备出现故障，振动频率达到故障频率时，悬臂梁式压电传感器与被诊断设备达到共振，产生电压传输至开关电路；
(5)当悬臂梁式压电传感器的输出电压大于开关电路开通的阈值电压时，开关电路的开关导通，蜂鸣器发出蜂鸣声，提示工作人员被诊断设备出现故障。
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