CN113890413B - 一种张减机振动能收集传感一体化系统及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种张减机振动能收集传感一体化系统及其制作方法，一体化系统包括振动能收集模块、能量存储模块、电源管理模块、传感模块、信号处理与无线发射模块和上位机；振动能收集模块包括设置在张减机悬臂梁上的压电复合薄膜。本发明通过压电复合薄膜将张减机中大量存在的振动机械能转换为电能同时根据压电复合薄膜输出监测振动大小，并利用电源管理模块和能量存储模块将电能进行有效存储进一步给传感器供电，然后传感器监测轧制装备轧制钢材过程中的技术参数，主要包括轧制钢材温度、轧制速度，实时监控轧制过程中张减机的运行状态。
Description
技术领域
本发明涉及传感检测领域，具体涉及一种张减机振动能收集传感一体化系统及制作方法。
背景技术
无线传感器网络在智能制造、机器人和物联网等领域中应用广泛，但在空间受限的场景中用传统的电池和有线供电来驱动整个传感器网络的方式很难实现。然而在空间受限的精密轧制装备张减机中，工作时会产生大量的振动机械能，因此收集张减机中大量存在的振动机械能为传感器供电成为了可能。但在现有的技术背景之下，对于广泛存在于张减机中的振动机械能往往不能有效的利用起来。除此之外对于张减机的工作状态的判断也大多根据经验和实验性的测试，是人工去判断轧制钢材成品质量从而去判断张减机的工作状态，因此这种方法造成的误差较大且不能实时的对张减机的工作状态进行有效监测。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种张减机振动能收集传感一体化系统及制作方法解决了现有方法不能实时的对张减机的工作状态进行有效监测的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种张减机振动能收集传感一体化系统，其包括振动能收集模块、能量存储模块、电源管理模块、传感模块、信号处理与无线发射模块和上位机；振动能收集模块包括设置在张减机悬臂梁上的压电复合薄膜；
压电复合薄膜，用于通过张减机工作过程中振动引起的悬臂梁的形变而产生压电输出；
能量存储模块，用于存储压电复合薄膜产生的电能；
电源管理模块，用于对传感模块、信号处理与无线发射模块供电；
传感模块，用于获取张减机在工作过程中的技术参数；技术参数包括轧制钢材温度、轧制速度、张减机轴向受力及振动；
信号处理与无线发射模块，用于将传感模块监测到的模拟信号转换为数字信号，通过无线通信方式将数字信号发送至上位机，完成张减机振动能收集传感；
上位机，用于根据来自信号处理与无线发射模块的数据获取张减机在工作过程中的技术参数；根据信号处理与无线发射模块的信号间隔时间获取悬臂梁的振动形变情况。
进一步地，压电复合薄膜包括从下到上依次设置的底电极、压电层和顶电极，压电层中取向平行排列有至少两层MXene片；压电层由聚偏氟乙烯制成。
进一步地，能量存储模块包括超级电容器C2和两个整流器；两个整流器的输入端分别与两个压电复合薄膜相连，两个整流器的正极输出端分别连接低通滤波电容C1的两端，两个整流器的负极输出端均接地；低通滤波电容C1的一端与电感L1的一端相连，低通滤波电容C1的另一端与超级电容器C2的负极相连并接地；电感L1的另一端连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接超级电容器C2的正极。
进一步地，超级电容器C2包括电容单元和用于封装电容单元的PDMS膜；电容单元包括基板，基板上设置有一层银集流体，银集流体上设置有多孔碳材料，多孔碳材料上设置有一层PVA/H2SO4电解质。
进一步地，电源管理模块包括型号为LT1302的芯片，芯片的引脚1分别连接超级电容器C2的负极、电容C3的一端、电容C4的一端、芯片的引脚8、电容C5的一端、芯片的引脚3、电阻R1的一端、电容C6的一端和地并作为电源管理模块的负极输出端；
芯片的引脚4分别连接电容C6的另一端和超级电容器C2的正极并作为电源管理模块的正极输出端；芯片的引脚7连接二极管D3的正极；电容C3的另一端分别连接电容C4的另一端、低通滤波电容C1的非接地端和芯片的引脚6；芯片的引脚5连接电阻R1的另一端；芯片的引脚2连接电容C5的另一端。
进一步地，信号处理与无线发射模块包括采样保持电路和量化编码电路；
采样保持电路，用于将来自传感模块的连续变化的模拟信号转换为时间上断续、幅度上等于采样时间内模拟信号大小的脉冲信号；
量化编码电路，用于对信号进行量化，将量化后的信号用二进制进行编码，编码后的二进制码即数字信号。
提供一种张减机振动能收集传感一体化系统的制作方法，其包括以下步骤：
S1、建立振动能收集模块和能量存储模块；
S2、建立电源管理模块、传感模块，以及信号处理与无线发射模块；
S3、将振动能收集模块设置在张减机悬臂梁上；根据传感模块的类型将传感模块设置在张减机对应位置处；
S4、将振动能收集模块、能量存储模块和电源管理模块依次连接，将电源管理模块与传感模块和信号处理与无线发射模块相连；将信号处理与无线发射模块与上位机通信连接。
进一步地，步骤S1中建立振动能收集模块的具体方法为：
从下到上依次设置底电极、压电层和顶电极，并通过刮涂方式将双层MXene片排列在压电层中形成压电复合薄膜，得到振动能收集模块。
进一步地，步骤S1中建立能量存储模块的具体方法包括以下子步骤：
S1-1、采用碱溶液水热的方法对苎麻进行初步活化，将碱金属粒子嵌入苎麻中制备得到前驱体；
S1-2、采用烧结的方式对前驱体进行碳化及造孔，得到造孔后的前驱体；
S1-3、将造孔后的前驱体升温至700℃并通入惰性气体作为保护气进行1-2小时的活化，冷却至室温并进行酸碱中和处理，得到中和后的样品；
S1-4、采用去离子水对中和后的样品进行洗涤，得到多孔碳材料；
S1-5、在基板上设置一层银集流体，将多孔碳材料喷涂在银集流体上，并在多孔碳材料上设置一层PVA/H2SO4电解质，得到单个电容单元；
S1-6、采用PDMS膜对单个电容单元进行封装，并将封装得到的电容单元进行串联和/或并联得到超级电容器C2；
S1-7、将两个整流器的输入端分别与两个压电复合薄膜相连，将两个整流器的正极输出端分别连接低通滤波电容C1的两端，将两个整流器的负极输出端接地；
S1-8、将低通滤波电容C1的一端通过电感L1与二极管D3的正极相连，将二极管D3的负极与超级电容器C2的正极相连；
S1-9、将低通滤波电容C1的另一端与超级电容器C2的负极相连并接地。
本发明的有益效果为：本发明通过压电复合薄膜将张减机中大量存在的振动机械能转换为电能同时根据压电复合薄膜输出监测振动大小，并利用电源管理模块和能量存储模块将电能进行有效存储进一步给传感器供电，然后传感器监测轧制装备轧制钢材过程中的技术参数，主要包括轧制钢材温度、轧制速度，实时监控轧制过程中张减机的运行状态。将前端振动能收集和能量储存单元监测获得的张减机运行过程中产生的振动数据和后端传感器监测获得的轧制钢材温度、轧制速度等数据整合起来，并以此基础来控制或调节张减机的运行参数，由此可以进一步提高轧制产品的质量。
附图说明
图1为本系统的结构框图；
图2为能量存储模块与电源管理模块的电路图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该张减机振动能收集传感一体化系统包括振动能收集模块、能量存储模块、电源管理模块、传感模块、信号处理与无线发射模块和上位机；振动能收集模块包括设置在张减机悬臂梁上的压电复合薄膜；
压电复合薄膜，用于通过张减机工作过程中振动引起的悬臂梁的形变而产生压电输出；
能量存储模块，用于存储压电复合薄膜产生的电能；
电源管理模块，用于对传感模块、信号处理与无线发射模块供电；
传感模块，用于获取张减机在工作过程中的技术参数；技术参数包括轧制钢材温度、轧制速度、张减机轴向受力及振动；
信号处理与无线发射模块，用于将传感模块监测到的模拟信号转换为数字信号，通过无线通信方式将数字信号发送至上位机，完成张减机振动能收集传感；
上位机，用于根据来自信号处理与无线发射模块的数据获取张减机在工作过程中的技术参数；根据信号处理与无线发射模块的信号间隔时间获取悬臂梁的振动形变情况。
压电复合薄膜包括从下到上依次设置的底电极、压电层和顶电极，压电层中取向平行排列有至少两层MXene片；压电层由聚偏氟乙烯制成。
如图2所示，能量存储模块包括超级电容器C2和两个整流器（D1和D2）；两个整流器的输入端分别与两个压电复合薄膜（压电单元1和压电单元2）相连，两个整流器的正极输出端分别连接低通滤波电容C1的两端，两个整流器的负极输出端均接地；低通滤波电容C1的一端与电感L1的一端相连，低通滤波电容C1的另一端与超级电容器C2的负极相连并接地；电感L1的另一端连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接超级电容器C2的正极。
超级电容器C2包括电容单元和用于封装电容单元的PDMS膜；电容单元包括基板，基板上设置有一层银集流体，银集流体上设置有多孔碳材料，多孔碳材料上设置有一层PVA/H2SO4电解质。
如图2所示，电源管理模块包括型号为LT1302的芯片，其引脚1为GND（信号地面引脚），引脚2为VC（频率补偿引脚），引脚3为SHDN（关断引脚），引脚4为SNS（反馈引脚），引脚5为IT（电流模式引脚），引脚6为VIN（供应引脚），引脚7为SW（开关引脚），引脚8为PGND（电源接地引脚）。芯片的引脚1分别连接超级电容器C2的负极、电容C3的一端、电容C4的一端、芯片的引脚8、电容C5的一端、芯片的引脚3、电阻R1的一端、电容C6的一端接地并作为电源管理模块的负极输出端；
芯片的引脚4分别连接电容C6的另一端和超级电容器C2的正极并作为电源管理模块的正极输出端；芯片的引脚7连接二极管D3的正极；电容C3的另一端分别连接电容C4的另一端、低通滤波电容C1的非接地端和芯片的引脚6；芯片的引脚5连接电阻R1的另一端；芯片的引脚2连接电容C5的另一端。
机械能经过2个压电复合薄膜（压电单元1和压电单元2）转换为电能，压电复合薄膜产生信号为交流电信号，经由整流器后转换为直流电。整流完成后，利用低通滤波电容C1对整流后的直流信号进行滤波，减小电压的脉动，使得输出电压更加平滑。而后，输出信号经过由电感L1、二极管D3以及电容C2组成的同步电荷提取电路，将压电换能器件采集到的电荷周期性的转移到储能电容C2中，其工作原理如下：压电信号是一种脉冲信号，在受力状态下产生后经整流滤波后以电荷形式转移到电感L1上，在外部压力释放后，电感L1上的电荷通过续流二极管D3转移到储能电容C2上，压电电荷的提取及初步存储完成。随后，电容C2上的电荷传递至LT 1302芯片中，此芯片是一款内置放大调节电路的低功率、高输出电流升压型DC/DC转换器，其主要功能是将C2上的电荷输出转换为稳定的3.3 V输出，输出后储存在电容器C5和C6中，当电容器的电压达到后端用于驱动张减机上传感器的额定电压时，电容C6进行瞬时放电，驱动传感器进行工作。随着传感器对电能的持续消耗，当C6的电压下降至阈值电压下限后，放电电路结束一个放电周期，同时传感器件完成一次监测过程，储能电容再次进入下一个工作周期。通过上述过程的循环进行，即实现了通过利用张减机振动过程中产生的机械能为传感器供电实现对张减机状态的监测这一闭环，器件在服役过程中无需外部电能补充，实现自供电监测。电容器C5和C6可以为与电容C2相同的超级电容。
信号处理与无线发射模块包括采样保持电路和量化编码电路；
采样保持电路，用于将来自传感模块的连续变化的模拟信号转换为时间上断续、幅度上等于采样时间内模拟信号大小的脉冲信号；
量化编码电路，用于对信号进行量化，将量化后的信号用二进制进行编码，编码后的二进制码即数字信号。量化和编码的过程可以由AD转换电路实现，AD转换电路主要由三个部分组成，分别是比较电路、信号锁存电路和编码电路。其中，根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系，比较器的输出状态由D触发器储存，在时钟沿信号的作用下锁存器输出该数字信号，并为编码电路提供稳定的输入信号。编码电路对锁存器输出的信号进行优先编码，输出最终的数字结果。得到数字信号后，可以通过蓝牙、射频或Zigbee等通讯手段将数字信号传输给上位机。
该张减机振动能收集传感一体化系统的制作方法包括以下步骤：
S1、建立振动能收集模块和能量存储模块；
S2、建立电源管理模块、传感模块，以及信号处理与无线发射模块；
S3、将振动能收集模块设置在张减机悬臂梁上；根据传感模块的类型将传感模块设置在张减机对应位置处；
S4、将振动能收集模块、能量存储模块和电源管理模块依次连接，将电源管理模块与传感模块和信号处理与无线发射模块相连；将信号处理与无线发射模块与上位机通信连接。
步骤S1中建立振动能收集模块的具体方法为：从下到上依次设置底电极、压电层和顶电极，并通过刮涂方式将至少两层MXene片排列在压电层中形成压电复合薄膜，得到振动能收集模块。
步骤S1中建立能量存储模块的具体方法包括以下子步骤：
S1-1、采用碱溶液水热的方法对苎麻进行初步活化，将碱金属粒子嵌入苎麻中制备得到前驱体；
S1-2、采用烧结的方式对前驱体进行碳化及造孔，得到造孔后的前驱体；
S1-3、将造孔后的前驱体升温至700℃并通入惰性气体作为保护气进行1-2小时的活化，冷却至室温并进行酸碱中和处理，得到中和后的样品；
S1-4、采用去离子水对中和后的样品进行洗涤，得到多孔碳材料；
S1-5、在基板上设置一层银集流体，将多孔碳材料喷涂在银集流体上，并在多孔碳材料上设置一层PVA/H2SO4电解质，得到单个电容单元；
S1-6、采用PDMS膜对单个电容单元进行封装，并将封装得到的电容单元进行串联和/或并联得到超级电容器C2；即可以根据额定电压和/或电流的值选择将多个封装得到的电容单元进行串联及并联；
S1-7、将两个整流器的输入端分别与两个压电复合薄膜相连，将两个整流器的正极输出端分别连接低通滤波电容C1的两端，将两个整流器的负极输出端接地；
S1-8、将低通滤波电容C1的一端通过电感L1与二极管D3的正极相连，将二极管D3的负极与超级电容器C2的正极相连；
S1-9、将低通滤波电容C1的另一端与超级电容器C2的负极相连并接地。
在本发明的一个实施例中，由于压电复合薄膜压电输出和压力大小关系基本成线性的正比关系，因此能量存储模块能通过额定电容的充电时间判断其压电输出的大小，从而反应出张减机运行过程中产生的振动情况。将电容设置为达到额定电压才会驱动后续模块向外输出一次信号，当我们获取两次相邻信号的时间差，从而获得充满额定电容的充电时间，进而可以判断张减机运行过程中悬臂梁产生的振动大小，同时也可以获取带动悬臂梁振动的相关部件的振动值。
传感模块用于监测轧制装备在钢材轧制过程中的技术参数，主要包括轧制钢材温度、轧制速度、张减机轴向受力及振动，上述信号的监测通过选用商用传感器实现，实时监控轧制过程中的轧制状态。其中，压力传感器固定在张减机尾架处实现张减机在纵向方向上受力的监测，温度传感器安装在张减机导卫安装压板实现轧制过程中轧辊温度和钢材温度的监测，速度传感器安装在张减机连接管上实现钢材轧制速度的监测，依靠这些监测数据从而实现对轧机轧制参数的智能调节。
综上所述，本发明采用全新的压电复合薄膜极大提升了压电器件的能量转换效率，将轧制过程中产生的振动能转换为电能并根据压电复合薄膜的压电输出监测其振动大小与频率，同时利用电源管理模块和能量存储模块将电能进行有效存储，持续供给给后端模块使用，实现了精密轧机轧制过程中运行参量的可视化监测。本发明突破了在精密轧机轧制过程中运行参量无法实时监测的难题，创新性的提出了基于能量收集与传感的一体化系统用于实现钢材精密轧制的过程监测。相比于传统的检测方法，即通过人工检测轧制钢材成品的质量来判断轧制过程中的钢材性质，本发明无需外部人员干预，极大的提高了检测参数的准确性，同时也能有效节省人力成本。
Claims (7)
1.一种张减机振动能收集传感一体化系统，其特征在于，包括振动能收集模块、能量存储模块、电源管理模块、传感模块、信号处理与无线发射模块和上位机；振动能收集模块包括设置在张减机悬臂梁上的压电复合薄膜；
所述压电复合薄膜，用于通过张减机工作过程中振动引起的悬臂梁的形变而产生压电输出；
所述能量存储模块，用于存储压电复合薄膜产生的电能；
所述电源管理模块，用于对传感模块、信号处理与无线发射模块供电；
所述传感模块，用于获取张减机在工作过程中的技术参数；技术参数包括轧制钢材温度、轧制速度、张减机轴向受力及振动；
所述信号处理与无线发射模块，用于将传感模块监测到的模拟信号转换为数字信号，通过无线通信方式将数字信号发送至上位机，完成张减机振动能收集传感；
所述上位机，用于根据来自信号处理与无线发射模块的数据获取张减机在工作过程中的技术参数；根据信号处理与无线发射模块的信号间隔时间获取悬臂梁的振动形变情况；
压电复合薄膜包括从下到上依次设置的底电极、压电层和顶电极，压电层中取向平行排列有至少两层MXene片；压电层由聚偏氟乙烯制成。
2.根据权利要求1所述的张减机振动能收集传感一体化系统，其特征在于，能量存储模块包括超级电容器C2和两个整流器；两个整流器的输入端分别与两个压电复合薄膜相连，两个整流器的正极输出端分别连接低通滤波电容C1的两端，两个整流器的负极输出端均接地；低通滤波电容C1的一端与电感L1的一端相连，低通滤波电容C1的另一端与超级电容器C2的负极相连并接地；电感L1的另一端连接二极管D3的正极，二极管D3的负极连接超级电容器C2的正极。
3.根据权利要求2所述的张减机振动能收集传感一体化系统，其特征在于，超级电容器C2包括电容单元和用于封装电容单元的PDMS膜；电容单元包括基板，基板上设置有一层银集流体，银集流体上设置有多孔碳材料，多孔碳材料上设置有一层PVA/H2SO4电解质。
4.根据权利要求2所述的张减机振动能收集传感一体化系统，其特征在于，电源管理模块包括型号为LT1302的芯片，芯片的引脚1分别连接超级电容器C2的负极、电容C3的一端、电容C4的一端、芯片的引脚8、电容C5的一端、芯片的引脚3、电阻R1的一端、电容C6的一端和地并作为电源管理模块的负极输出端；
芯片的引脚4分别连接电容C6的另一端和超级电容器C2的正极并作为电源管理模块的正极输出端；芯片的引脚7连接二极管D3的正极；电容C3的另一端分别连接电容C4的另一端、低通滤波电容C1的非接地端和芯片的引脚6；芯片的引脚5连接电阻R1的另一端；芯片的引脚2连接电容C5的另一端。
5.根据权利要求1所述的张减机振动能收集传感一体化系统，其特征在于，信号处理与无线发射模块包括采样保持电路和量化编码电路；
采样保持电路，用于将来自传感模块的连续变化的模拟信号转换为时间上断续、幅度上等于采样时间内模拟信号大小的脉冲信号；
量化编码电路，用于对信号进行量化，将量化后的信号用二进制进行编码，编码后的二进制码即数字信号。
6.一种如权利要求1-5任一所述的张减机振动能收集传感一体化系统的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立振动能收集模块和能量存储模块；
S2、建立电源管理模块、传感模块，以及信号处理与无线发射模块；
S3、将振动能收集模块设置在张减机悬臂梁上；根据传感模块的类型将传感模块设置在张减机对应位置处；
S4、将振动能收集模块、能量存储模块和电源管理模块依次连接，将电源管理模块与传感模块和信号处理与无线发射模块相连；将信号处理与无线发射模块与上位机通信连接；
步骤S1中建立振动能收集模块的具体方法为：
从下到上依次设置底电极、压电层和顶电极，并通过刮涂方式将双层MXene片排列在压电层中形成压电复合薄膜，得到振动能收集模块。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤S1中建立能量存储模块的具体方法包括以下子步骤：
S1-1、采用碱溶液水热的方法对苎麻进行初步活化，将碱金属粒子嵌入苎麻中制备得到前驱体；
S1-2、采用烧结的方式对前驱体进行碳化及造孔，得到造孔后的前驱体；
S1-3、将造孔后的前驱体升温至700℃并通入惰性气体作为保护气进行1-2小时的活化，冷却至室温并进行酸碱中和处理，得到中和后的样品；
S1-4、采用去离子水对中和后的样品进行洗涤，得到多孔碳材料；
S1-5、在基板上设置一层银集流体，将多孔碳材料喷涂在银集流体上，并在多孔碳材料上设置一层PVA/H2SO4电解质，得到单个电容单元；
S1-6、采用PDMS膜对单个电容单元进行封装，并将封装得到的电容单元进行串联和/或并联得到超级电容器C2；
S1-7、将两个整流器的输入端分别与两个压电复合薄膜相连，将两个整流器的正极输出端分别连接低通滤波电容C1的两端，将两个整流器的负极输出端接地；
S1-8、将低通滤波电容C1的一端通过电感L1与二极管D3的正极相连，将二极管D3的负极与超级电容器C2的正极相连；
S1-9、将低通滤波电容C1的另一端与超级电容器C2的负极相连并接地。
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