CN115987141A - 一种面向煤机的复合自供电无线监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，旨在解决传统煤机旋转部件在线监测传感系统持续工作能力弱、信号传输效率低、功耗高等应用问题。本复合自供电无线监测装置降低系统体积、增加系统功能，提高系统监测实时性与准确性，提升煤机旋转部件在线监测专用传感系统的实用能力，同时提高自供电的能量采集效率，通过压电、电磁感应、摩擦等方式捕获机械能，更加高效地将机械能转为电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线监测装置，具体涉及一种面向煤机的复合自供电无线监测装置。
背景技术
矿用机械中的掘进机之类的旋转型机械，在工作过程中很容易受到煤层的各种撞击，进而会导致矿用煤机出现机械系统的故障，其故障往往表现为异常的振动和温度变化。传统的煤机监测方式一般为有线测量，但是有线的测量方式由于跟旋所导致线路缠绕等问题不能广泛实施，无线传感(WSN)技术能够有效地解决监测设备跟旋难题，但是在无线传感设备中基本都是由电池来负责提供能量，电池的电量又给无线设备的持续工作能力带来了限制。
能量采集技术是指将系统装置所处自然环境中普遍存在的各种形式的能量，能量采集技术发展比较成熟的除常规的光伏发电外，温差发电和机械振动发电也是处于发展速度飞快的状态，在煤机工作环境中存在最广泛且利用最方便的就是机械振动能，能够提供足够监测与传输的能量。
CN207304122U公开了一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，包括用于收集井下的振动能量并转化为电能的压电发电装置，能够实现煤矿井下瓦斯监测传感器节点的全天候工作，保证煤矿井下的安全。但是该装置主要依靠压电装置捕获机械震动产生的能量，能量采集装置较为单一，效率较低。
发明内容
针对智能煤矿机械领域旋转机械在线监测对低功耗、自供电、无线传感系统的技术需求，本实例新型公开了一种新型自供电无线监测装置，旨在解决传统煤机旋转部件在线监测传感系统持续工作能力弱、信号传输效率低、功耗高等应用问题，降低系统体积、增加系统功能，提高系统监测实时性与准确性，提升煤机旋转部件在线监测专用传感系统的实用能力，同时提高自供电的能量采集效率，通过压电、电磁感应、摩擦等方式捕获机械能，更加高效的将机械能转为电能。
一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，包括电源管理电路、信号采集模块、核心控制电路、无线数据传输电路；
电源管理模块包括能源管理电路、振动纳米发电器件、锂离子电池，能源管理电路通过纳米发电器件和锂离子电池共同实现监测装置的供能；
振动纳米发电器件包括压电薄膜、磁振子发电机及摩擦纳米发电机，利用压电效应、电磁感应效应和摩擦生电原理把环境中的振动能量转化为电能；
信号采集模块包括振动传感器与温度传感器，实现煤机旋转部件的实时振动和温度信号采集；
核心控制电路负责整个系统的逻辑运行；
无线数据传输电路将监测装置与外部物联网连接，实现动态数据的实时传送与静态状态的待机切换。
进一步地，振动纳米发电器件在煤机振动时，磁振子发电机中的磁浮振子相对磁基座上下振动，切割磁浮振子中的感应线圈产生感应电流，同时磁浮振子的上下振动撞击压电薄膜，使压电薄膜产生形变发生压电效应，同时压电薄膜上具有微结构产生摩擦电，进而通过摩擦纳米发电机产生电流。
进一步地，核心控制电路采用FPGA控制芯片及其周边配置电路。
进一步地，振动传感器采用低功耗加速度传感器ADXL345。
进一步地，温度传感器采用低功耗温度传感器DS18B20。
进一步地，无线数据传输电路采用蓝牙芯片CC2540。
进一步地，电源管理模块中包含电池充放电保护电路，包括带隙基准电路、过温保护电路、分压电路、比较器电路、振荡器电路、分频器电路和逻辑控制电路，其中，采用电阻对锂电池的电压进行采样分压，为保护电路提供电池检测比较电压；
带隙基准电路采用高PSRR低温漂的MOS带隙基准电路，为保护电路提供偏置电压和高精度的参考比较电压；
过温保护电路在检测到电温度过高时，产生一个低电平的信号，为其他电路模块提供使能信号，关闭保护电路的其他模块，使电池和芯片的温度及系统功耗降低；
分压电路对电池电压采样，将采样的电池电压经过电阻分压后得到的检测电压送入过充放电压比较器中，并与基准提供的参考比较电压进行比较；
比较器电路包括充电过电压比较器、放电过电压比较器、放电过电流比较器和短路比较器，其功能是将采样的检测电压与带隙基准电路提供的参考比较电压作比较；
振荡器电路内部振荡器产生频率为40k Hz的时钟信号，为分频器提供分频时钟信号；
分频器电路在使能信号控制下对振荡器电路产生的时钟信号进行分频并得到各种异常情况下的参考延时信号；
此外，通过逻辑控制电路对锂电池充放电过程实现动态管理。
进一步地，电源管理模块包含能源转换模块，其包括交流/直流转换整流电路、储能网络、开关电源电路、储能电容和模拟开关，振动纳米发电器件所输出的电能首先通过整流电路对其进行整流稳压，而后将处理过的电能存储到储能网络中的储能电容中，当储能电容两端的电压值达到预设好的阈值时，储能网络中的模拟开关控制电路放电，降压-升压型开关电源电路将储能网络释放出来的电能转化为稳定电压的直流输出。
本发明达到的有益效果为：
(1)利用机械振动产生的压电、磁电、摩擦电作为监测装置的能源供给，结合无线数据传输电路，实现供能、通信的完全无线传输；
(2)以压电、磁电、摩擦电三种发电形式进行结合，提高自供电的能量采集效率，提高机械能转化为电能的效率；
(3)通过电源管理电路，结合压电、磁电、摩擦电结合的发电形式，提高系统监测实时性与准确性，解决传统煤机旋转部件在线监测传感系统持续工作能力弱、功耗高等应用问题。
附图说明
图1为本发明实施例中的系统原理框图。
图2为本发明实施例中的环境能量获取系统原理图。
图3为本发明实施例中的终端传感器节点硬件设计图。
图4为本发明实施例中的能源管理电路原理示意图。
图5为本发明实施例中的电池充放电保护电路原理示意图。
图6为本发明实施例中的复合式换能器结构示意图。
图中，1-磁基座，2-摩擦材料薄膜阴极，3-摩擦材料薄膜阳极，4-磁浮振子，5-压电薄膜，6-感应线圈。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，主要由低功耗振动传感器、低功耗温度传感器、核心控制电路、能源管理电路、无线数据传输电路五部分组成，如图1所示。电源管理模块为整个系统的动力来源，其主要包含了能源管理电路、纳米发电器件、锂离子电池，能源管理电路主要负责协调振动纳米发电器件和锂离子电池的共同作用，将磁电输出、压电输出和摩擦电输出这些不稳定的电能转化为稳定持续的电量输出，实现系统供能；信号采集模块是由振动传感器电路与温度传感器电路集成，主要实现煤机旋转部件在线状态实时振动、温度信号采集，是系统功能实现的决定性环节；核心控制电路负责整个系统的逻辑运行，是整个系统的大脑；无线数据发送模块，是本系统与外部物联网的连接纽带，可实现动态数据的实时传送与接受外部输入信号进行活动模式与待机模式的切换。
本发明的自供电环境能量获取系统如图2所示，能量采集与电源管理模块主要由复合式换能器、管理电路组成，系统依靠复合式换能器实现将煤机振动产生的机械能转化为电能，复合式换能器由压电换能器、磁电换能器和摩擦纳米发电机构成，主要利用压电效应、电磁感应效应和摩擦生电原理把环境中的振动能量转化为电能；管理电路包括AC-DC转换、能量存储、动态路径管理、输出功率控制及备份电池监测和保护等功能模块，复合式换能器获取外部的不稳定的能量，通过压电材料、电磁线圈、纳米摩擦发电机将机械能转换为电能，通过AC-DC转换为直流电，通过电容进行电能储存，再通过DPPM进行控制为锂电池进行充电；同时，为了保护电池，对电池的充电电压、放电电压电流进行实时监测，防止电池出现过渡充放电以及短路问题。
电源管理系统的设计关键在于两个方面：
1.从电路功能的角度：在充电方面，管理电路需要实时监测电池的充电电流和电池端电压，避免过度充电导致电池损坏，发生漏液等现象；在放电方面，需要对电池作放电保护，在线监测电池端电压，以防止因为过度放电而导致电池损坏。为此在电源管理系统中设计了电池充放电保护电路，如图5所示。充放电保护电路的设计包括众多的重要子模块，包括带隙基准电路、过温保护电路、分压电路、比较器电路、振荡器电路、分频器电路和逻辑控制电路等。其中，采用电阻对锂电池的电压进行采样分压，为保护电路提供电池检测比较电压。
带隙基准采用高PSRR低温漂的MOS带隙基准电路，为保护电路提供偏置电压和高精度的参考比较电压。
过温保护电路可以在检测到电池或芯片的温度过高时，产生一个低电平的信号，为其他电路模块提供使能信号，关闭保护电路的其他模块，使电池和芯片的温度及系统功耗降低。
分压电路对电池电压采样，将采样的电池电压经过电阻分压后得到的检测电压送入过充放电压比较器中，并与基准提供的参考比较电压进行比较。
比较器电路主要包括充电过电压比较器、放电过电压比较器、放电过电流比较器和短路比较器，其功能是将采样的检测电压与带隙基准电路提供的参考比较电压作比较。
分频器电路在使能信号控制下对振荡器电路产生的时钟信号进行分频并得到各种异常情况下的参考延时信号。
振荡器内部振荡器产生频率为40k Hz的时钟信号，为分频器提供分频时钟信号。
此外，为了让各个状态下正常工作，还需要逻辑控制电路对锂电池充放电过程实现动态管理。
2.从能量转换效率的角度：管理电路要能将不稳定的电量输入转化为稳定的电量输出，而后经过DC-DC转换后给后续电路供电，并实现DC-DC电路的输出电量的合理存储，以达到对系统的输入能量和输出能量都进行最大限度的利用。为此在电源管理电路中设计了能源转换模块，如图4所示。能源转换模块主要包含交流/直流转换、储能网络、开关电源电路等功能模块，其中C1、C2为储能电容，S1、S2、S3、S4为模拟开关，换能器所输出的电能首先通过整流电路对其进行整流稳压，而后将处理过的电能存储到储能网络中的电容中，当电容两端的电压值达到预设好的阈值时，储能网络中的开关控制系统控制电路放电，降压—升压(buck—boost)型开关电源电路将储能网络释放出来的电能转化为稳定电压的直流输出。
在一个实施例中，终端硬件如图3所示，主要由能源管理模块、主控模块、信号采集模块、无线通信模块以及各模块的配置电路构成该电路，信号采集模块算作数据采集模块，能源管理模块负责将复合型发电器件的不稳定输出转化可以供后续电路利用的电能，数据采集模块的基本功能是对温度以及加速度传感信号的采集，无线通信模块采用蓝牙芯片CC2540完成低功耗、小范围的传感数据传输，利用蓝牙通讯协议负责在终端节点和上位机之间的数据传输，选择以FPGA控制芯片配以低功耗温度传感器DS18B20、低功耗加速度传感器ADXL345组成数据采集模块，实施监测煤机的温度与加速度信息，并通过蓝牙无线射频发送给远程控制终端。
为了将机械振动能转化为持续稳定的电能为无线传感网络系统有效供电，基于压电薄膜和磁振子发电机，在本实例设计了一种基于开关电源技术的压电—磁电复合微能源采集电路，如图2所示，该电路能将pvdf压电薄膜、磁振子及PDMS-100型摩擦纳米发电机产生的不规律、不稳定的电能转化为稳定的电量输出进而可以为无线物联网络节点供电及电池充电，如图3所示，该种复合式换能器由压电换能器、磁电换能器和摩擦纳米发电机构成，主要利用压电效应、电磁感应效应和摩擦生电原理把环境中的振动能量转化为电能，当所处环境发生振动时，复合式换能器中心的磁浮振子相对磁基座上下振动，切割磁浮振子中的感应线圈产生感应电流，另一方面磁浮振子的上下振动会撞击压电薄膜，使压电薄膜产生形变发生压电效应，同时压电薄膜上具有微结构能产生摩擦电，进而产生电流，复合式换能器各元件结构示意如图6所示，包括由下至上的磁基座1、摩擦材料薄膜阴极2、摩擦材料薄膜阳极3、磁浮振子4、压电薄膜5和感应线圈6。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (8)
1.一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，包括电源管理电路、信号采集模块、核心控制电路、无线数据传输电路，其特征在于：
电源管理模块包括能源管理电路、振动纳米发电器件、锂离子电池，能源管理电路通过纳米发电器件和锂离子电池共同实现监测装置的供能；
振动纳米发电器件包括压电薄膜、磁振子发电机及摩擦纳米发电机，利用压电效应、电磁感应效应和摩擦生电原理把环境中的振动能量转化为电能；
信号采集模块包括振动传感器与温度传感器，实现煤机旋转部件的实时振动和温度信号采集；
核心控制电路负责整个系统的逻辑运行；
无线数据传输电路将监测装置与外部物联网连接，实现动态数据的实时传送与静态状态的待机切换。
2.根据权利要求1所述的一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，其特征在于：振动纳米发电器件在煤机振动时，磁振子发电机中的磁浮振子相对磁基座上下振动，切割磁浮振子中的感应线圈产生感应电流，同时磁浮振子的上下振动撞击压电薄膜，使压电薄膜产生形变发生压电效应，同时压电薄膜上具有微结构产生摩擦电，进而通过摩擦纳米发电机产生电流。
3.根据权利要求1所述的一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，其特征在于：核心控制电路采用FPGA控制芯片及其周边配置电路。
4.根据权利要求1所述的一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，其特征在于：振动传感器采用低功耗加速度传感器ADXL345。
5.根据权利要求1所述的一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，其特征在于：温度传感器采用低功耗温度传感器DS18B20。
6.根据权利要求1所述的一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，其特征在于：无线数据传输电路采用蓝牙芯片CC2540。
7.根据权利要求1所述的一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，其特征在于：电源管理模块中包含电池充放电保护电路，包括带隙基准电路、过温保护电路、分压电路、比较器电路、振荡器电路、分频器电路和逻辑控制电路，其中，采用电阻对锂电池的电压进行采样分压，为保护电路提供电池检测比较电压；
带隙基准电路采用高PSRR低温漂的MOS带隙基准电路，为保护电路提供偏置电压和高精度的参考比较电压；
过温保护电路在检测到电温度过高时，产生一个低电平的信号，为其他电路模块提供使能信号，关闭保护电路的其他模块，使电池和芯片的温度及系统功耗降低；
分压电路对电池电压采样，将采样的电池电压经过电阻分压后得到的检测电压送入过充放电压比较器中，并与基准提供的参考比较电压进行比较；
比较器电路包括充电过电压比较器、放电过电压比较器、放电过电流比较器和短路比较器，其功能是将采样的检测电压与带隙基准电路提供的参考比较电压作比较；
振荡器电路内部振荡器产生频率为40k Hz的时钟信号，为分频器提供分频时钟信号；
分频器电路在使能信号控制下对振荡器电路产生的时钟信号进行分频并得到各种异常情况下的参考延时信号；
此外，通过逻辑控制电路对锂电池充放电过程实现动态管理。
8.根据权利要求1所述的一种面向煤机的复合自供电无线监测装置，其特征在于：电源管理模块包含能源转换模块，其包括交流/直流转换整流电路、储能网络、开关电源电路、储能电容和模拟开关，振动纳米发电器件所输出的电能首先通过整流电路对其进行整流稳压，而后将处理过的电能存储到储能网络中的储能电容中，当储能电容两端的电压值达到预设好的阈值时，储能网络中的模拟开关控制电路放电，降压-升压型开关电源电路将储能网络释放出来的电能转化为稳定电压的直流输出。
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