自供电式船舶轴系振动监测装置设计

徐雨琴，董良雄，陈天然，俞嘉阳

（浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022）

船舶推进轴系是船舶动力装置系统中的重要部件，因发生故障所引发的事故后果相当严重，所以其可靠性和稳定性对于船舶安全具有重要意义。根据《海船系泊和航行试验通则》，船舶投入营运前一般需要进行轴系扭振测试，此外在轴系的故障诊断中也常常需要进行轴系扭振测试[1]。为实现整个监测装置长期有效的工作，首先需要解决的问题是为监测装置提供足够的、长期的能量，而现有的测试技术一般采用应变片测试应力信号，然后再用加速度传感器、位移传感器测试，将应力信号转换为振动信号。并且利用电池提供电源，但这种装置的持续运行时间和使用寿命较短，在轴系的故障监测报警中的运用会受到很大的限制。为了保证轴系扭振监测的连续性，就必须不断地更新电池[2]，但在实际操作中，这是非常困难的。目前，通过采收周围环境中能量为传感器供能已成为研究热点，其中压电式能量收集具有易于集成、结构简单的优点，具有广泛的应用前景。代显智[3]通过采集环境的能量源，实现了传感器的自供电并解决了无线传感器携带电池能量有限的问题；文玉梅[4]针对能量采集器的输出功率过低，根据根据调谐和阻抗变换原理对能量采集器进行了阻抗匹配，设计振动自供能无线传感器的电源管理电路；陈韬[5]提出了在一些缺乏环境能源的条件下，单对多点激光主动供能方式为无线传感器网络供能；但这些研究只针对了如何为传感器供能作为影响推进轴系的其中一个因素来简单分析和考虑。根据该思路，本文提出了一种能收集船舶轴系扭振中的能量，并加以储存，从而为监测装置供能，又解决了推进轴系的振动持续监测问题的方案。

1 自供电的振动监测装置设计原理

自供电轴系扭振监测系统包括三部分，它们分别是无线节点模块、能量收集存储模块、压电发电模块。压电发电模块采用双晶悬臂梁式压电振子，压电自发电的理论基础是正压电效应，利用压电振子的变形来完成机械能往电能的转换，从而实现发电的目的。能量存储电路由能量收集器、电池充电器和锂电池这三部分构成，其中的压电发电装置具有体积小、质量轻（大约150 g）、不会产生干扰等优良特性。其作用是将压电振子产生强度较为衰弱的交流电信号转换为无线节点模块需要的强度较为平稳恒定的直流电；无线节点模块由微处理器、无线收发器和传感器这三部分构成，这三个模块形成了一个完整的自供电无线传感网络节点设计方案，结构图如图1所示。

图1 自供电的振动监测装置结构图Fig.1 The structure of Self-powered vibration monitoring device

2 压电振子自发电结构

装置采用的结构是双晶悬臂梁式压电振子[6]，其外形如图2所示，它由压电层与中性层组成，发电能力强，结构简单。中性层可采用可导电磷青铜薄板；压电层采用PZT-5H压电陶瓷，位于金属薄板上下端面。通过导电胶使金属薄板与压电层进行粘接，其发电原理主要以第一类压电方程为基础，其边界条件是电学短路、机械自由情况，如式（1）所示：

式中：εT为介电常数；E为电场；dt为d的转置；SE为弹性柔顺系数；S为应变；T为应力；d为压电应变常数；D为电位移。

在外界激振力振动下，压电层会发生变形，由于压电效应，表面产生电荷;而当振动停止时，形状恢复，此时电荷消失。当处于谐振状态时，即外在激振频率等于压电振子的固有频率时，压电材料产生最大变形[7]，发电效果最佳，输出电压或电荷量最大。。

压电振子长50 mm，宽10 mm，厚1.3 mm。在简谐正弦激振力的作用下，简谐正弦激振力的幅值电压Vp-p为0.3 V，不同激振频率其输出功率如图3所示，显而易见，压电振子在激振频率为54.05 Hz的作用下[8]，输出功率为945 μW，此时它的变形最大，发电能力最强。

3 能量收集存储电路搭建

图2 双晶悬臂梁式压电振子Fig.2 The double cantilever type of piezoelectric vibrator

图3 压电振子输出功率-激阵频率关系图Fig.3 The change of Piezoelectric oscillator output power with Burst frequency

电路的组成部分分别是2个LTC407电池充电器、1个LTC3588-1能量收集器、2个LIR7508 mAh锂电池以及外部电路，如图4所示。LTC3588-1内部集成了一个效率较高的降压型转换器和一个全波桥式、损耗较低的整流器，可在2.7～20 V的输入电压范围内工作，该装置选3.3 V作为工作电压。LTC3588-1将压电振子产生的交流电转换成直流输出，为无线节点模块供电[9]。与此同时通过采用充电电路以及LTC4071芯片，将剩下的能量存储在充电电池中，LTC4071能对锂电池进行连续充电或者断续充电，充电电流范围为550 nA～50 m A。因为其工作电流较低，很合适给低容量的锂离子电池收集能量[10]。该能量收集存储模块有充电和放电两种工况，根据环境中采收能量与否，充电模式与放电模式可以交替运行。

（1）充电工况：能量收集装置在轴系的连续振动下进入充电工况[11]，压电发电模块通过压电振子的弯曲变形，压电发电模块产生了微弱的交流电信号，该信号被送入能量收集存储模块[12]，经过LTC3588-1的整流作用将信号存储在电容C2上，同时将信号转换成3.3 V标准电压，然后将其输出。与此同时，存储在电容C2上的电能在通过LTC4071芯片的调理后，为锂电池充电。

（2）放电工况：当压电发电模块没有电荷输出时，LTC3588-1的VIN端电压会因而下降，此时充电电池开始释放电荷至C2。将无线节点模块中采集的数据送入无线节点模块并发送给附件的接受装置。

图4 能量收集电路Fig.4 Energy harvesting circuit

4 无线节点模块结构

为兼顾低功耗和可靠性，装置选用基于CC2530芯片的ZigBee片上的系统，该芯片内含AD转换模块，压电振子的系统通讯采用2.4 GHz的IEEE 802.15.4标准。由于采用了0.18 μm CMOS生产工艺，CC2530芯片在发射和接收模式下，电流损耗分别低于27 mA和25 mA，特别适合供电能力较弱的工况。为更大程度上节省能量，模块分别采用监测模式和休眠模式两种间歇工作方法：

（1）休眠模式：当轴系运转平稳且扭振幅度较小时，轴系扭振处于安全工作范围内，不需要持续监测。同时压电振子产生电荷的能力较弱，因此可使无线节点模块进入休眠模式。在该模式下自发电模块继续工作，并能在扭振幅度增强时迅速唤醒无线节点模块，进入监测模式。

（2）监测模式：经过一定时间的集能量，无线节点模块电量超过一定的值，或是轴系振动幅度增加到一定的值，都会唤醒无线节点模块进入监测模式，轴系振动幅度增加，刚好满足了电信号采集与发送的能量需求[13]。

表1 无线节点模块工作模式参数Tab.1 The parameters of Wireless node module operating mode

由表1中可知，处于监测模式时，只要激振频率达到10以上，若需要节点工作时的占空比为1%，压电发电模块在节点休眠的时间内能够积累约100 mA的电荷，这满足节点一次工作要求，因为大于节点收发一次所需能量；从休眠模式转换到工作模式的所需时间短，所需时间符合节点供电收集能量所需的时间[14]。与此同时，在大概100 h的时间内，两块容量为8 mAh的LIR750可充电锂电池就能够充满电。

5 振动监测装置性能测试

根据检测要求，振动监测装置的测量范围可以进行推算，即根据轴系各部件承受的扭振力矩或扭应力推算频谱数据及振幅。本文所取例船参数为：转速129 r/min，功率7 860 kW，中间轴颈直径300 mm，其许用值/瞬时许用值为65.42/111.21（N/mm2），轴系共振转速59.0 r/min，轴系的常用工况频率为8～17 Hz，进而按轴系自由振动的Holzer表可推算出许用振幅为0.53～1.376（deg）。

根据装置的工作频率，为了对其综合性能进行分析，利用激振器给装置提供各种频率和幅值的工况，测量能量收集电路开路电压与振动频率，然后分析确定两者之间的关系。测量结果如图5所示。

图5 输出电压与激励频率之间的关系图Fig.5 The change of the output voltage with excitation frequency

图6 节点占空比与激励振幅之间的关系图Fig.6 The change of the Node duty cycle with Excitation amplitude

从图5可以看出，能量收集器输出的电压最大时的外部激励信号约为12 Hz。根据测算，在轴系的常用工况，在大约为50 h的时间内，两块LIR750容量为8 mAh的可充电锂电池就可以充满电。根据船舶轴系振动能量的供应特点，可将8 Hz，17 Hz作为系统工作的振动阈值[15]，当装置监测模块判断出船舶轴系扭振幅度小于或等于第一扭振阈值时，监测模块进入休眠模式；当轴系扭振幅度大于或等于第二扭振阈值时，监测模块进入监测模式。

进一步根据轴系的常用频率11、12、13、14、15 Hz[16]，选择激振器不同的简谐正弦信号幅值，进行无线模块工作性能测试。测取节点工作的占空比与振动幅值之间的关系如图6所示。从图6可以看出，在0.53～1.8（deg）区域，工作的占空比为1%～3%，振动幅度越强则占空比越高，这样基本满足振动监测的周期间隔要求，因此装置能够对轴系运转许用应力超过70%的工况进行及时报警。

6 结论

针对船舶推进轴系的监测需求，提出了一种自供电无线传感网络节点设计方案,并研制出了自供电的激振测试装置。该装置利用压电自发电结构及能量收集存储电路，收集轴系振动产生的能量，并加以储存，从而为监测装置供能，有效解决了目前船舶轴系扭振测试中的持续供电难题。同时自供电装置性能稳定，体积小，发电量大，输入与输出信号的线性度良好。同轴系转动，对轴系的参数几乎没有多大影响。该装置既能对推进轴系振动进行监测，又可适用于各种复杂的振动环境。

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