楊子楊，劉 錚，翟 聰，鄭永秋，薛晨陽

(1.中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

0 引言

作為我國的主要能源，煤炭對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用。伴隨著煤礦機(jī)械化程度的提高，由機(jī)械事故引起的設(shè)備損壞、人員傷害事故屢有發(fā)生。振動(dòng)和溫度信號(hào)能夠反映煤機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)[1-3]，包含了煤機(jī)系統(tǒng)、零部件在工作過程中受到的沖擊、污染等信息，通過采集和分析煤機(jī)設(shè)備振動(dòng)和溫度信號(hào)，可對(duì)煤機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，有效識(shí)別設(shè)備的故障類型以及故障原因。

傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)方式由于井下環(huán)境復(fù)雜，布線比較困難不能進(jìn)行廣泛的應(yīng)用，無線傳感(wireless sensingnetwork,WSN)技術(shù)能夠有效地解決這些難題[4]。但對(duì)已安裝到煤機(jī)系統(tǒng)中的無線傳感設(shè)備的電池進(jìn)行更換和充電費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此針對(duì)具有自供電功能的無線傳感器終端設(shè)備進(jìn)行研究具有重要意義[5-6]。本文提出了一種自供電傳感監(jiān)測(cè)的煤機(jī)械振動(dòng)能量采集器，從能源采集方面入手，設(shè)計(jì)了磁懸浮式電磁發(fā)電機(jī)，獲取井下煤機(jī)設(shè)備的振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)化為電能為傳感裝置供電，減輕系統(tǒng)對(duì)電池的依靠；同時(shí)針對(duì)環(huán)境振動(dòng)較小時(shí)，能量采集模塊輸出電壓不能有效啟動(dòng)傳感模塊的問題，設(shè)計(jì)升壓電路，將煤機(jī)空載時(shí)，能量采集模塊輸出電壓升至4 V以上，保障傳感模塊的正常工作。

1 能量采集器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

自供電傳感監(jiān)測(cè)的煤機(jī)械振動(dòng)能量采集器殼體采用防爆ABS材料，強(qiáng)度大，耐沖擊，內(nèi)裝有磁懸浮電磁發(fā)電機(jī)及電路模塊，使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封防爆，能承受住井下復(fù)雜環(huán)境的考驗(yàn)。整個(gè)系統(tǒng)尺寸(5×5×6)cm3，放置在掘進(jìn)機(jī)主體內(nèi)側(cè)部位，占據(jù)空間較小，不易受到破壞。電路模塊主要由傳感信號(hào)采集模塊、核心控制電路、能源采集管理電路、無線數(shù)據(jù)傳輸電路4部分組成，各模塊間相互關(guān)系如圖1所示。其中能源采集管理模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定持續(xù)的電能，包含了能源管理電路、晶體二極管升壓電路；傳感信號(hào)采集模塊集成了三軸加速度傳感器、溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)煤機(jī)旋轉(zhuǎn)部件狀態(tài)，采集環(huán)境振動(dòng)、溫度及電池電量信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感功能；核心控制電路負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)行，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊有序工作；無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。

圖1 自供電傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

本裝置內(nèi)部的磁懸浮式電磁發(fā)電機(jī)以磁懸浮結(jié)構(gòu)作為敏感單元，以圓形銅線圈作為懸浮體，銅線圈由上下兩夾板固定，下夾板有3個(gè)小孔，孔內(nèi)放置圓形小磁鐵，底部為直徑為37 mm、厚8 mm圓形磁鐵(極性與小磁鐵相反)[7]。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 能源采集裝置結(jié)構(gòu)圖

發(fā)電裝置依靠懸浮線圈感應(yīng)外部振動(dòng)，在外部振動(dòng)激勵(lì)作用下，懸浮的圓形線圈脫離平衡位置，在磁場(chǎng)力的作用下逐漸回復(fù)到初始狀態(tài)。在這一過程中，線圈會(huì)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電磁感應(yīng)單元會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。在線圈往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中銅線圈內(nèi)磁通量發(fā)生變化，基于法拉第電磁感應(yīng)原理，銅線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。煤機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量振動(dòng)能量，通過發(fā)電裝置收集起來，輸出電能經(jīng)過晶體二極管升壓電路為傳感和通訊模塊供電。三軸加速度傳感器監(jiān)測(cè)煤機(jī)振動(dòng)情況，溫度傳感器監(jiān)測(cè)煤機(jī)工作環(huán)境溫度。無線通訊模塊將傳感模塊采集到的加速度溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端上位機(jī)，然后進(jìn)行分析處理得出煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況[8]。實(shí)現(xiàn)無線無源煤機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

雖然井下振動(dòng)能量較大，但采煤機(jī)械設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一就是穩(wěn)定性。在實(shí)際井上采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)振幅較小，頻率較大，一般為50～200 Hz[9]。經(jīng)過井上實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在振動(dòng)頻率100 Hz以上的環(huán)境下，能量采集器采集到的能量較小，不足以支撐大功率傳感器的正常運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)能量采集器在井下正常工作，需要對(duì)能量采集器電路進(jìn)行優(yōu)化。

要使能量采集器電路模塊正常工作，至少需要4 V的直流電壓。使用激振臺(tái)模擬井下振動(dòng)，使用能量采集器對(duì)10 μF鉭電解電容充電[10]。如圖3所示，在低頻微振幅振動(dòng)條件下能量采集裝置可將電容電壓充至40 V，滿足探測(cè)器的正常運(yùn)行，但在高頻情況下，磁懸浮線圈振動(dòng)響應(yīng)遲緩，電容電壓最高只能達(dá)到1.3 V，不能使傳感裝置正常工作。

為了實(shí)現(xiàn)能量采集器正常工作，本設(shè)計(jì)采用了晶體二極管升壓電路，如圖4所示。探測(cè)器主控傳感電路部分需要電流較小、電壓較大，而能量采集器輸出的電壓較小、電流較大。晶體二極管升壓電路可以把頻率較大、電壓較低的交流電，經(jīng)過耐壓較低的整流二極管和電容器后，輸出一個(gè)較高的直流電壓。

(a)頻率為50 Hz

(b)頻率為200 Hz圖3 對(duì)電容充電曲線

圖4 晶體二極管升壓電路

在高頻振動(dòng)條件下分別對(duì)加裝和不加裝升壓電路的能量采集器的發(fā)電能力進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在94 Hz微振幅振動(dòng)環(huán)境條件下采集到的能量不經(jīng)過升壓電路存儲(chǔ)在電容中，如圖5(a)所示，電容電壓最高僅為3.8 V，達(dá)不到探測(cè)器正常工作的要求；加裝升壓電路后，在94 Hz微振幅振動(dòng)環(huán)境下，輸出電壓能達(dá)到5 V，能使整體裝置正常工作。如圖5(b)所示，在200 Hz微振幅振動(dòng)環(huán)境下，不加升壓電路，電容電壓最高僅為1.4 V；經(jīng)過升壓電路后的電壓則能達(dá)到4.4 V，滿足傳感裝置正常工作的需求。

(a)頻率為94 Hz

(b)頻率為200 Hz圖5 升壓電路對(duì)輸出電壓的影響

自供電傳感監(jiān)測(cè)的煤機(jī)械振動(dòng)能量采集器的主控系統(tǒng)及所有工作電路都裝在防爆ABS殼體內(nèi)，保證了裝置能在井下正常穩(wěn)定工作。為了滿足監(jiān)測(cè)裝置的工作需求，精確采集監(jiān)測(cè)裝置的工作環(huán)境情況以及電池電量等信息，將新型低功耗溫度、加速度傳感器集成到主控板上，通過主控控制可控穩(wěn)壓對(duì)傳感器供電。另外，通過ZigBee通用無線通訊模塊，能量采集器可實(shí)時(shí)回傳采集到的煤機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)。該無線通訊模塊載波頻率為2.4 GHz，傳輸速率高達(dá)3 300 bit/s，在空曠地帶有效傳輸距離可達(dá)1 km，井下復(fù)雜環(huán)境實(shí)測(cè)發(fā)送距離可達(dá)20 m，滿足煤機(jī)械監(jiān)測(cè)需求[11]。最終設(shè)計(jì)的硬件電路如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件電路實(shí)物圖

3 性能測(cè)試

經(jīng)過井下模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本裝置可有效地采集到周圍環(huán)境的振動(dòng)能量，將煤機(jī)溫度、振動(dòng)情況，由主控芯片處理進(jìn)行編碼打包，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)時(shí)發(fā)送至接收終端，并通過接收端傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示。如圖7所示，能量采集器采集溫度為24.3 ℃，實(shí)測(cè)環(huán)境溫度為25.5 ℃，誤差為4.7%；加速度計(jì)傳輸數(shù)據(jù)也符合振動(dòng)規(guī)律，較好地反映出探測(cè)器姿態(tài)變化。

圖7 探測(cè)器回傳數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)本文提出的自供電傳感監(jiān)測(cè)的煤機(jī)械振動(dòng)能量采集器可采集礦井下振動(dòng)能量為無線傳感裝置供電。

(2)振動(dòng)能量采集器可以采集井下環(huán)境的溫度、振動(dòng)情況，并通過無線模塊穩(wěn)定發(fā)送至上位機(jī)。解決了井下復(fù)雜環(huán)境布線難的問題。

(3)所采用的晶體二極管升壓電路有效地解決了在高頻振動(dòng)環(huán)境下能量采集裝置輸出電壓不足問題，電壓提升效果最高可達(dá)3.14倍。

該能量采集器在煤礦設(shè)備及其他工業(yè)設(shè)備上具有很廣闊的應(yīng)用前景。