自供电传感监测的煤机械振动能量采集器设计

杨子杨，刘 铮，翟 聪，郑永秋，薛晨阳

(1.中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；2.北京卫星环境工程研究所,北京 100094)

0 引言

作为我国的主要能源，煤炭对国民经济发展起到重要作用。伴随着煤矿机械化程度的提高，由机械事故引起的设备损坏、人员伤害事故屡有发生。振动和温度信号能够反映煤机设备的工作状态[1-3]，包含了煤机系统、零部件在工作过程中受到的冲击、污染等信息，通过采集和分析煤机设备振动和温度信号，可对煤机系统的运行状态进行监控，有效识别设备的故障类型以及故障原因。

传统的有线监测方式由于井下环境复杂，布线比较困难不能进行广泛的应用，无线传感(wireless sensingnetwork,WSN)技术能够有效地解决这些难题[4]。但对已安装到煤机系统中的无线传感设备的电池进行更换和充电费时费力，因此针对具有自供电功能的无线传感器终端设备进行研究具有重要意义[5-6]。本文提出了一种自供电传感监测的煤机械振动能量采集器，从能源采集方面入手，设计了磁悬浮式电磁发电机，获取井下煤机设备的振动能量并转化为电能为传感装置供电，减轻系统对电池的依靠；同时针对环境振动较小时，能量采集模块输出电压不能有效启动传感模块的问题，设计升压电路，将煤机空载时，能量采集模块输出电压升至4 V以上，保障传感模块的正常工作。

1 能量采集器系统设计

1.1 系统组成

自供电传感监测的煤机械振动能量采集器壳体采用防爆ABS材料，强度大，耐冲击，内装有磁悬浮电磁发电机及电路模块，使用环氧树脂进行灌封防爆，能承受住井下复杂环境的考验。整个系统尺寸(5×5×6)cm3，放置在掘进机主体内侧部位，占据空间较小，不易受到破坏。电路模块主要由传感信号采集模块、核心控制电路、能源采集管理电路、无线数据传输电路4部分组成，各模块间相互关系如图1所示。其中能源采集管理模块为整个系统提供稳定持续的电能，包含了能源管理电路、晶体二极管升压电路；传感信号采集模块集成了三轴加速度传感器、温度传感器，能够实时监测煤机旋转部件状态，采集环境振动、温度及电池电量信息，实现监测系统传感功能；核心控制电路负责整个系统的逻辑运行，协调各个模块有序工作；无线数据发送模块实现动态数据的实时传送。

图1 自供电传感监测系统总体结构图

1.2 工作原理

本装置内部的磁悬浮式电磁发电机以磁悬浮结构作为敏感单元，以圆形铜线圈作为悬浮体，铜线圈由上下两夹板固定，下夹板有3个小孔，孔内放置圆形小磁铁，底部为直径为37 mm、厚8 mm圆形磁铁(极性与小磁铁相反)[7]。结构如图2所示。

图2 能源采集装置结构图

发电装置依靠悬浮线圈感应外部振动，在外部振动激励作用下，悬浮的圆形线圈脱离平衡位置，在磁场力的作用下逐渐回复到初始状态。在这一过程中，线圈会上下往复运动，电磁感应单元会产生感应电势。在线圈往复运动过程中铜线圈内磁通量发生变化，基于法拉第电磁感应原理，铜线圈内产生感应电动势。煤机工作时会产生大量振动能量，通过发电装置收集起来，输出电能经过晶体二极管升压电路为传感和通讯模块供电。三轴加速度传感器监测煤机振动情况，温度传感器监测煤机工作环境温度。无线通讯模块将传感模块采集到的加速度温度数据发送到接收端上位机，然后进行分析处理得出煤机运转情况[8]。实现无线无源煤机械状态监测。

2 关键电路设计

虽然井下振动能量较大，但采煤机械设计的重要指标之一就是稳定性。在实际井上采煤机运转实验中，发现采煤机振幅较小，频率较大，一般为50～200 Hz[9]。经过井上实验测试，在振动频率100 Hz以上的环境下，能量采集器采集到的能量较小，不足以支撑大功率传感器的正常运行。为了实现能量采集器在井下正常工作，需要对能量采集器电路进行优化。

要使能量采集器电路模块正常工作，至少需要4 V的直流电压。使用激振台模拟井下振动，使用能量采集器对10 μF钽电解电容充电[10]。如图3所示，在低频微振幅振动条件下能量采集装置可将电容电压充至40 V，满足探测器的正常运行，但在高频情况下，磁悬浮线圈振动响应迟缓，电容电压最高只能达到1.3 V，不能使传感装置正常工作。

为了实现能量采集器正常工作，本设计采用了晶体二极管升压电路，如图4所示。探测器主控传感电路部分需要电流较小、电压较大，而能量采集器输出的电压较小、电流较大。晶体二极管升压电路可以把频率较大、电压较低的交流电，经过耐压较低的整流二极管和电容器后，输出一个较高的直流电压。

(a)频率为50 Hz

(b)频率为200 Hz图3 对电容充电曲线

图4 晶体二极管升压电路

在高频振动条件下分别对加装和不加装升压电路的能量采集器的发电能力进行测试，实验发现在94 Hz微振幅振动环境条件下采集到的能量不经过升压电路存储在电容中，如图5(a)所示，电容电压最高仅为3.8 V，达不到探测器正常工作的要求；加装升压电路后，在94 Hz微振幅振动环境下，输出电压能达到5 V，能使整体装置正常工作。如图5(b)所示，在200 Hz微振幅振动环境下，不加升压电路，电容电压最高仅为1.4 V；经过升压电路后的电压则能达到4.4 V，满足传感装置正常工作的需求。

(a)频率为94 Hz

(b)频率为200 Hz图5 升压电路对输出电压的影响

自供电传感监测的煤机械振动能量采集器的主控系统及所有工作电路都装在防爆ABS壳体内，保证了装置能在井下正常稳定工作。为了满足监测装置的工作需求，精确采集监测装置的工作环境情况以及电池电量等信息，将新型低功耗温度、加速度传感器集成到主控板上，通过主控控制可控稳压对传感器供电。另外，通过ZigBee通用无线通讯模块，能量采集器可实时回传采集到的煤机状态数据。该无线通讯模块载波频率为2.4 GHz，传输速率高达3 300 bit/s，在空旷地带有效传输距离可达1 km，井下复杂环境实测发送距离可达20 m，满足煤机械监测需求[11]。最终设计的硬件电路如图6所示。

图6 系统硬件电路实物图

3 性能测试

经过井下模拟实验验证，本装置可有效地采集到周围环境的振动能量，将煤机温度、振动情况，由主控芯片处理进行编码打包，通过无线数据传输模块实时发送至接收终端，并通过接收端传输至上位机进行显示。如图7所示，能量采集器采集温度为24.3 ℃，实测环境温度为25.5 ℃，误差为4.7%；加速度计传输数据也符合振动规律，较好地反映出探测器姿态变化。

图7 探测器回传数据

4 结论

(1)本文提出的自供电传感监测的煤机械振动能量采集器可采集矿井下振动能量为无线传感装置供电。

(2)振动能量采集器可以采集井下环境的温度、振动情况，并通过无线模块稳定发送至上位机。解决了井下复杂环境布线难的问题。

(3)所采用的晶体二极管升压电路有效地解决了在高频振动环境下能量采集装置输出电压不足问题，电压提升效果最高可达3.14倍。

该能量采集器在煤矿设备及其他工业设备上具有很广阔的应用前景。