振動能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點設(shè)計應(yīng)用

郭文彥

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 興縣 033600)

0 引 言

隨著采煤機械化水平的提高，煤礦開采逐漸向可智能化、自動化和信息化方向發(fā)展，少人或無人綜采工作面發(fā)展趨勢對井下設(shè)備監(jiān)測提出了更高的要求。為此，已有不少研究者進(jìn)行過相關(guān)方面的研究，張文棟、申湛仙等綜述了煤礦機械設(shè)備的主要故障類型、產(chǎn)生的原因以及故障的表現(xiàn)形式,根據(jù)信號采集時煤機設(shè)備是否需要停機以及故障診斷的時效性,總結(jié)了機械故障診斷的方法及其特點;針對當(dāng)前煤礦機械工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的不足,提出了基于微能源技術(shù)實現(xiàn)煤礦機械設(shè)備工作狀態(tài)信息采集與發(fā)送系統(tǒng)自供電,結(jié)合Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸和通用分組無線服務(wù)技術(shù)通信方式實現(xiàn)煤礦機械設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動化在線監(jiān)測的發(fā)展方向[1-2]。王飛針對煤礦井下礦用無線傳感器的電池使用壽命有限、更換困難的問題,提出一種基于能量自給的煤礦無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案, 對煤礦安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的應(yīng)用起到重要作用[3]。筆者針對煤礦井下傳統(tǒng)有線監(jiān)測布線難、供電難等問題，基于振動在采煤機工作時普遍存在的特點，借助振動能量收集技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對礦用無線監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)以及硬件進(jìn)行了設(shè)計相關(guān)研究，為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

1 振動能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點總體設(shè)計

1.1 工作原理及功能

以采煤機應(yīng)用為例，根據(jù)井下實際工作環(huán)境以及機械運轉(zhuǎn)狀況自主研制了振動能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點，將無線監(jiān)測節(jié)點布置于采煤機上，通過采煤機工作時產(chǎn)生的振動信號，振動能量以電能的方式儲存在單元中為監(jiān)測節(jié)點供電，軟件以及硬件通過傳感器采集信號、發(fā)送以及處理顯示，達(dá)到實現(xiàn)采煤機振動狀態(tài)的檢測。通過大量的實踐以及試驗證明，振動能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點應(yīng)具備以下功能：①無線監(jiān)測節(jié)點的核心是芯片，為了適應(yīng)礦區(qū)實際惡劣的工作環(huán)境，芯片性能應(yīng)足夠好，振動能量的供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點的芯片應(yīng)該以CC2530為主，采煤機振動信號通過壓電式加速度傳感器采集，傳感器采集的信號通過信號調(diào)節(jié)器處理，主芯片上的8051MCU將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通訊技術(shù)傳動至協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)調(diào)器處理，最后顯示；②在信號采集的過程中，涉及到能量的轉(zhuǎn)化以及存儲，這一功能的實現(xiàn)依賴于壓電俘能器，壓電俘能器將信號進(jìn)行采集以及轉(zhuǎn)化，最后以電能的形式存儲在單元格中，以供無線監(jiān)測節(jié)點的供電；③在實際采煤機工作中，因為工作環(huán)境以及設(shè)備本身的差異等，使得其具有極大的隨機性，又因為壓電俘能器工作頻率有限，因此節(jié)點在采集處理信號時，應(yīng)該適當(dāng)?shù)慕档托盘柌杉l率，以便后期數(shù)據(jù)傳送以及處理，適當(dāng)增加睡眠時間可以實現(xiàn)無線節(jié)點的節(jié)能優(yōu)化；④出于采煤的安全性，無線監(jiān)測節(jié)點必須安裝防爆裝置，以便節(jié)點通信以及電路的安全性，礦井應(yīng)該根據(jù)實際情況設(shè)計制定合理的節(jié)點封裝工藝，最大化實現(xiàn)節(jié)點在煤礦開采中的應(yīng)用價值。

1.2 無線監(jiān)測節(jié)點的結(jié)構(gòu)組成

礦用振動能量供電的無線監(jiān)測節(jié)點由仿真接口、硬件平臺以及軟件平臺三部分組成，不同部分之間通過數(shù)據(jù)通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送以及處理。硬件平臺主要有無線監(jiān)測節(jié)點、無線傳感器、加速度傳感器以及壓電俘能器等模塊組成；軟件平臺主要有監(jiān)測顯示界面和串口助手平臺。

在采煤機工作時，安裝在采煤機上的無線監(jiān)測節(jié)點將采煤機的振動信號通過內(nèi)部壓電俘能器轉(zhuǎn)化為電信號，并以電能的方式存儲，收集的電能經(jīng)過能量收集電路整流、穩(wěn)壓之后存儲于各個單元中，最后經(jīng)過DC-DC穩(wěn)壓電源電路實現(xiàn)對振動能量供電的無線監(jiān)測節(jié)點的供電。而對采煤機實現(xiàn)監(jiān)測的功能則是將振動傳感器采集的信號經(jīng)過采集處理等手段，通過調(diào)理電路的電路調(diào)理功能經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，后經(jīng) ZigBee無線傳感模塊將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點協(xié)調(diào)器；節(jié)點協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與實時顯示，實現(xiàn)采煤機振動狀態(tài)在線監(jiān)測的功能。圖1為振動能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點的示意簡圖。

圖1 振動能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點的示意圖

2 無線監(jiān)測節(jié)點的硬件設(shè)計

振動能量供電的礦用無線檢測節(jié)點硬件設(shè)計是基礎(chǔ)，硬件部分包含有傳感器模塊的設(shè)計、無線通信模塊的設(shè)計和能量管理電路的設(shè)計。本文以傳感器模塊的設(shè)計為主，其作為無線監(jiān)測節(jié)點的重要組成，傳感器的選擇設(shè)計對檢測節(jié)點的穩(wěn)定性以及檢測精度有著重要影響。傳感器的選擇應(yīng)遵循以下特征：①考慮礦用采煤機振動頻率以及幅度大等原因，傳感器應(yīng)選擇振動傳感器，而壓電式傳感器因其動態(tài)檢測范圍大以及可靠性高等原因更適合復(fù)雜環(huán)境的檢測；②傳感器線性范圍應(yīng)盡可能的大，線性范圍越大，檢測精度越高，因此在實際傳感器的選擇時，應(yīng)該滿足振動加速度幅值在-20～20 g 范圍之內(nèi)；③采煤機在工作狀態(tài)下振動加速度幅值范圍為-20～20 g，而A/D轉(zhuǎn)換的電壓為2.5 V，傳感器的靈敏度精度應(yīng)該滿足采煤機的工作狀態(tài)；④對于礦用無線監(jiān)測節(jié)點而言，其能量俘獲裝置中壓電材料阻抗較高，且外界振動環(huán)境復(fù)雜多變，振動能量收集裝置俘獲的能量有限，為了延長節(jié)點儲能單元工作壽命，需要傳感器具有較低的功耗。

壓電加速度傳感器是一個弱阻尼的器件，因此在其幅頻特性的較高頻率段會出現(xiàn)一個很高的共振峰，此峰值會在傳感器信號中引起高頻噪聲，會使輸入信號發(fā)生失真并產(chǎn)生一定程度的干擾。而對于振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷而言，采煤機搖臂中各部件故障頻率在 0～1 000 Hz范圍內(nèi)[4]，在低頻范圍內(nèi)，為了消除頻率較高的噪音，需在放大器中采用低通濾波器。因為礦用振動能量的無線監(jiān)測節(jié)點頻率不高，選擇用二階 RC 有源濾波器，其原理示意圖如圖2所示，二階 RC 有源濾波器結(jié)構(gòu)簡單且易于調(diào)節(jié)。

圖2 低通濾波電路示意圖

通過上述電路原件參數(shù)值得到二階低通濾波電路的頻率特性為：

其中，放大倍數(shù)取2，因此，截止頻率fn為：

上述已經(jīng)說明振動傳感器的振動頻率為0～1 000 Hz，二階有源低通濾波電路可消除高頻振動對于傳感器數(shù)據(jù)采集造成的干擾。

根據(jù)電壓傳感器的工作原理，傳感器通過壓電材料進(jìn)行工作，輸出的電荷最終轉(zhuǎn)化為電信號并進(jìn)行放大，最后才可以進(jìn)行信號的采集和處理。電荷放大電路如圖3所示，由運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，電荷放大電路集成在CA-YD-168TE 傳感器中。

圖3 傳感器電荷放大電路

通過以上無線監(jiān)測節(jié)點的硬件設(shè)計，對其進(jìn)行能量俘獲效率試驗，得到無線監(jiān)測節(jié)點能準(zhǔn)確實現(xiàn)外部環(huán)境振動監(jiān)測，壓電俘能器的能量俘獲效率有明顯的提升，可有效滿足煤礦井下采掘設(shè)備無線監(jiān)測的要求。

3 結(jié) 語

振動能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點是采煤機等礦用機械設(shè)備檢測的重要基礎(chǔ),針對煤礦井下傳統(tǒng)有線監(jiān)測布線難、能量供給難等問題，研制了振動能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點，并對硬件設(shè)計思路和功能做了詳細(xì)的分析，理論上實現(xiàn)了監(jiān)測節(jié)點抗干擾，高精度監(jiān)測的目的，通過試驗驗證，得到在采掘機械設(shè)備的激勵下，壓電俘能器能有效延長節(jié)點儲能單元更換周期，同時節(jié)點實現(xiàn)了振動狀態(tài)的監(jiān)測，且運行效果良好。