井下风致振动压电能量收集技术

周代勇

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 400037）

矿用无线低功耗传感器作为煤矿各监测监控系统感知层的重要组成部分，在保障煤矿安全生产方面具有特殊的作用，能够完全应用于煤矿井下各种恶劣的环境，方便、灵活和低能量等特点特别适合用于煤矿井下环境。但现阶段矿井企业安全监测装备绝大多数产品都是采用在线式供电传感器设备，是因为在线式传感器设备具有能长时间稳定可靠工作的优点，实际使用时却存在着布线成本高，井下布线难度大、线路电能损耗大的问题[1-2]。而无线低功耗传感器却受制于能源供给问题无法大规模地推广应用。若采用矿用电池供电，在恶劣煤矿井下的环境中定期更换矿用电池是无法突出矿用无线低功耗传感器的设计优势，并且更换难度较大[3-5]。传统有线供电方式则失去了无线传感器的灵活性，还大大增加了成本。同时无线传感器网络节点对所需能量的需求量大，无线传感器节点担负着环境参数的采集和无线传输的重要任务，自身功耗较大，所需能量也较大，对于传感器设备有限的能源却变得尤为重要[6-8]。因此，需要研究煤矿井下自供电技术，将煤矿井下的自然资源转换成微能量，满足无线低功耗传感器的就地供电。

通过大量学者对煤矿井下环境能量的特点、转换功率大小进行研究发现，可以利用的井下环境能量主要有噪声能、电磁能、振动能和风能，其中噪声能、电磁能和振动能都存在着持续可靠的缺陷，不适合用于井下的自然资源能量收集[9-10]。同时矿井通风是煤矿企业生产的必要因数，通风所产生的风能在井下是无处不在。这为设计能量收集提供稳定可靠的能源基础。又因压电材料的压电效应特点、成本低、结构简单和加工容易等优点。为井下压电材料的风能自供电技术提供了研究方向，通过探索井下风能的采集、转换、存储及电源管理技术满足矿用无线低功耗传感器的供电需求，解决矿用无线低功耗传感器电池供电容量低的问题，为普及矿用无线低功耗传感器提供能源保障。

1 压电能量收集

1880年法国物理学家在实验室发现某类晶体在外力作用下能够产生电性，后又发现对晶体拉伸或压缩时，晶体的相对面会有等量是的异电荷，此现象被科学界称为压电效应[11]。伴随着压电晶体材料的创新和发展，压电材料已经成为了压电振动能量收集的核心。常用于压电能量收集的压电材料主要有铁电单晶PZN和PMN、压电陶瓷PZT,压电纤维复合材料MFC、压电聚合物PVDF和压电复合材料PZT-PVDF[12]。各种材料各有优缺点，由于煤矿井下环境的特殊性，需要将微风能转换为振动能，因此风致振动压电能量收集的压电材料采用的是压电纤维复合材料MFC。是压电纤维复合材料MFC由夹在粘合剂、电极和聚酰亚胺薄膜层之间的矩形压电陶瓷棒组成，电极以互相交叉模式附着在薄膜上，交叉电极将从带状压电棒上输出电压，同时这种材料具有很好的柔韧性、轻便、成本低和灵敏度高，容易感应变形、噪音和振动，是从振动中获取能量的绝佳材料。

压电材料的正压电效应的基本原理是，如果对压电材料施加压力或震动时，压电材料的两端便会产生电位差。根据大量的研究发现电位差的大小跟压电应力、压电常数、常应力恒定时的介电系数和电场有关。公式描述为：

D=Td+εE

式中：D为电位差；T为压电应力；d为压电常数；ε为常应力恒定时的介电系数；E为电场。

当风致振动悬臂梁压电振子自由端受到巷道风致后，产生振动形变，压电振子的压电材料拉伸和压缩，压电层将产生电荷分离，形成电位移动后产生电位差。电位差大大小与压电层发生形变的大小有关，压电层发生形变的大小与压电振子和巷道风速有关。

2 风致振动压电振子

根据《煤矿安全规程》掘进中的岩巷风速为0.15～4.00 m/s，采煤工作面、掘进中的煤巷和半煤岩巷风速为0.25～4.00 m/s，运输机巷、采区进、回风巷风速为1.00～8.00 m/s。因此，井下风能充足，能够利用风能对空气流动的速度不稳定导致的振动（风致振动）来进行固定点的能量收集，即压电材料的压电效应就能够满足对振动能量的能量收集材料。首先需要制作具有压电材料的压电振子将井下微风能转换为可收集的微振动能量。

压电振子的制作将会影响到整个结构的弹性，弹性的强弱能够影响到微风能与振动能量的转换效率。因此需要考虑压电振子的厚度，当压电振子的频率接近风速环境的频率时，整个压电振子的输出才会最大化，所获得的振动能量才能够最大化，与压电材料进行综合考虑后，选择的压电振子基板材料尺寸为100 mm×18 mm×2 mm,选择的压电振子压电片材料尺寸为37 mm×18 mm×4 mm。

风致振动压电振子是采用并联双压电片模式的悬臂梁进行制作，具体制作过程如下步骤：

1）压电振子基板制作。需用铜板作为基板，加工制作出尺寸为100 mm×18 mm×2 mm的铜基板，将铜基板表面进行处理，使铜基板表面无杂质、无油污、光滑平整。在铜基板的固定端打1个机械孔，为转换装置能够更好地固定压电振子。

2）压电片与基板粘合。在铜基板固定端的表面涂抹上不导电胶，将2片压电片粘合在铜基板固定端的同一位置表面，不导电胶凝固后，处理溢出多余不导电胶，并用焊锡进一步焊接压电片和基板的连接处。

3）引出极性线和固定板制作。由于采用的是并联双压电片模式的悬臂梁制作的压电振子，即引出极性线，分别在压电片的表面和铜基板的表面。同时在固定板上开2个孔，固定板接压电振子侧贴上铜板，极性线通过2个孔引入到固定板的另一端。

风致振动压电振子悬臂梁的结构如图1。

图1 风致振动压电振子Fig.1 Wind-induced vibration piezoelectric vibrator

根据设计原理进行压电振子片样片组装，同时采用振动实验测试压电振子能量的输出，将振动器的振动能量等级设置为LEVEL1，分别在10、15、20、25、30 Hz下进行试验测试。在振动等级为LEVEL1等级下，压电振子能量与振动频率的关系见表1。

表1 压电振子能量与振动频率的关系Table 1 The relationship between piezoelectric vibrator energy and vibration frequency

通过振动试验测试可知，压电振子振动能量与振动频率的关系可总结为：在可承受的振动等级内，随着振动频率的增加，峰峰值电压值增大。到一定频率后，压电振子与振动器产生共振，这时输出的峰峰值电压最大。超出共振频率后，随着频率的增加，峰峰值电压开始降低。根据压电振子峰峰值电压范围，可预测风致振动时压电振子的最高电压为8V左右，并为不规则的交流电压。

3 能量收集电路

井下巷道风速持续均匀稳定在一定范围内，悬臂梁压电振子将受到往返持续振动，压电材料始终伴随着振动反复的拉伸和压缩，压电振子根据压电效应原理，在极性线两端可获得不稳定输出的交流电。可往往这种微弱的交流电并没有直接使用价值，需要特殊处理后，最终给矿用无线低功耗传感器提供供电能力，从而替代矿用电池为无线低功耗传感器供电。

由于矿用无线低功耗传感器供电只能用本质安全型直流电供电，因此，将悬臂梁压电振子输出不稳定的交流电转化本质安全型的直流电，向矿用无线低功耗传感器提供稳定可靠的本质安全型供电方案。

压电振子输出不稳定的交流电需通过桥式整流电路、滤波电路、调压电路和稳压电路将交流信号变成可存储的直流信号，若采用各个模块电路的设计，不仅设计电路复杂，而且在线能量损耗较多，可获得的存储能量有效。因此，考虑用高精度线性电池充电控制电路，低功耗专用充电控制芯片SL1053,该芯片支持恒定电流充电、恒定电压充电、电池状态检测、温度监测等功能。功耗仅需300 mW,最小充电电压仅需2.8 V，完全能够适合应用于能量收集的存能控制芯片，微能量收集存储电路如图2。

图2 微能量收集存储电路Fig.2 Micro energy harvesting and storage circuit

4 试验验证

风致振动压电能量收集装置是将巷道内持续均匀的风能收集存储于存能设备中，其试验测试过程是将压电能量收集装置进行不同风速能量收集试验，因风致振动导致压电振子两端集聚自由电荷，从而出现不规则的交流电压，利用能量收集电路板将不规则的交流电转换成可用的直流电，完成能量收集。同时根据《煤矿安全规程》规定通风巷道的最高允许风速为8 m/s，对风致振动压电能量收集装置进行了不同风速的能量收集测试，试验风速为2、4、6、8 m/s时的能量收集装置存储输出电压分别为3.8、5.4、6.2、8.4 V。

通过试验测试可知，风致振动能量收集装置在风速为2.00～8.00 m/s内,能量收集装置的储能设备输出电压为3.8～8.4 V，可供低功耗传感器供电。

5 结语

井下风致振动压电能量收集技术，是将井下巷道中的风能通过风致振动的形式，使压电振子具有了振动能量，压电振子中的压电材料根据压电效应将振动能转换为有效动态的电荷，利用微能量收集电路将动态的电荷收集存储到储能元件中。通过试验验证，风致振动压电能量收集装置能够在风速为2.00～8.00 m/s内，储能设备输出电压为为3.8～8.4 V，能够为矿用无线低功耗传感器提供供电。