面向采煤機(jī)自供電無線監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)研究

劉鑫

摘 要：針對(duì)煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所采用的傳統(tǒng)供電方式存在的弊端，設(shè)計(jì)研究振動(dòng)能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)方案，并監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件組成和原理進(jìn)行分析研究，通過對(duì)傳感器電荷放大電路以及低通濾波電路的分析計(jì)算，提升監(jiān)測精度，并為后續(xù)連采機(jī)振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)能量;無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn);低通濾波電路

鑒于煤礦井下作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜惡劣，采用傳統(tǒng)的有線監(jiān)測難以滿足現(xiàn)代化礦井的監(jiān)測要求，振動(dòng)能量收集技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦監(jiān)測的應(yīng)用提高其可靠性，解決煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中的設(shè)備監(jiān)測問題。為此，諸多學(xué)者對(duì)此開展研究，張曉鵑[1]針對(duì)當(dāng)前煤礦機(jī)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(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)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)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(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化在線監(jiān)測的發(fā)展方向。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及硬件進(jìn)行了研究，并為后續(xù)連采機(jī)振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

1 礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)際井下工作環(huán)境以及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀況自主研制了振動(dòng)能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，以采煤機(jī)為例，將無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)布置于采煤機(jī)上，通過采煤機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)能量以電能的方式儲(chǔ)存在單元中以供為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)供電，軟件以及硬件通過傳感器采集信號(hào)、發(fā)送以及處理顯示，達(dá)到實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的檢測。通過大量的實(shí)踐以及試驗(yàn)證明，振動(dòng)能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備以下功能：

①無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的核心是芯片。由于煤礦井下作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)控系統(tǒng)的芯片性能應(yīng)可靠，礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)選用CC2530芯片，采煤機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)通過壓電式加速度傳感器采集，傳感器采集的信號(hào)通過信號(hào)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(dòng)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(hào)采集的過程中，涉及到能量的轉(zhuǎn)化以及存儲(chǔ)，這一功能的實(shí)現(xiàn)依賴于壓電俘能器，壓電俘能器將信號(hào)進(jìn)行采集以及轉(zhuǎn)化，最后以電能的形式存儲(chǔ)在單元格中，以供無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的供電;③鑒于煤礦井下作業(yè)環(huán)境惡劣和機(jī)械設(shè)備自身差異性，使得其具有極大的隨機(jī)性，又因?yàn)閴弘姺芷鞴ぷ黝l率有限，因此節(jié)點(diǎn)在采集處理信號(hào)時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)?shù)慕档托盘?hào)采集頻率，以便后期數(shù)據(jù)傳送以及處理，適當(dāng)增加睡眠時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)無線節(jié)點(diǎn)的節(jié)能優(yōu)化;出于采煤的安全性，無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)必須安裝防爆裝置，以便節(jié)點(diǎn)通信以及電路的安全性，礦井應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)制定合理的節(jié)點(diǎn)封裝工藝，最大化實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在煤礦開采中的應(yīng)用價(jià)值。

本文以實(shí)現(xiàn)礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)，以壓電俘能器為研究基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自俘能和采煤機(jī)狀態(tài)在線監(jiān)測的功能。礦用振動(dòng)能量供電的無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由仿真接口、硬件平臺(tái)以及軟件平臺(tái)三部分組成，不同部分之間通過數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送以及處理。硬件平臺(tái)主要有無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、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(tái)主要有監(jiān)測顯示界面和串口助手平臺(tái)。

2 礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)工作原理

無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的工作原理是采煤機(jī)在運(yùn)行時(shí)，通過在采煤機(jī)上安裝的無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)將采煤機(jī)的振動(dòng)信號(hào)通過內(nèi)部壓電俘能器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并以電能的方式存儲(chǔ)，收集的電能經(jīng)過能量收集電路整流、穩(wěn)壓之后存儲(chǔ)于各個(gè)單元中，最后經(jīng)過DC-DC 穩(wěn)壓電源電路實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)能量供電的無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的供電。而對(duì)采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的功能則是將振動(dòng)傳感器采集的信號(hào)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(diǎn)協(xié)調(diào)器;節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)振動(dòng)狀態(tài)在線監(jiān)測的功能。振動(dòng)能量供電的礦用無線監(jiān)測系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

3 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

振動(dòng)能量供電的礦用無線檢測節(jié)點(diǎn)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是硬件的設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，硬件部分的完成包含有傳感器模塊的設(shè)計(jì)、無線通信模塊的設(shè)計(jì)和能量管理電路的設(shè)計(jì)。本文以傳感器模塊的設(shè)計(jì)為主，其作為無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的重要組成，傳感器的選擇設(shè)計(jì)對(duì)檢測節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性以及檢測精度有著重要影響。

監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的選型：

①因?yàn)榈V用采煤機(jī)振動(dòng)頻率以及幅度大等原因，傳感器應(yīng)選擇振動(dòng)傳感器，而壓電式傳感器因其動(dòng)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(shí)際傳感器的選擇時(shí)，應(yīng)該滿足振動(dòng)加速度幅值在-20-20g 范圍之內(nèi);③采煤機(jī)在工作狀態(tài)下振動(dòng)加速度幅值范圍為-20-20g，而A/D轉(zhuǎn)換的電壓為2.5V，傳感器的靈敏度精度應(yīng)該滿足采煤機(jī)的工作狀態(tài);對(duì)于礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)而言，其能量俘獲裝置中壓電材料阻抗較高，且外界振動(dòng)環(huán)境復(fù)雜多變，振動(dòng)能量收集裝置俘獲的能量有限，為了延長節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)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(gè)弱阻尼的器件，因此在其幅頻特性的較高頻率段會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很高的共振峰，此峰值會(huì)在傳感器信號(hào)中引起高頻噪聲，會(huì)使輸入信號(hào)發(fā)生失真并產(chǎn)生一定程度的干擾。而對(duì)于振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷而言，采煤機(jī)搖臂中各部件故障頻率在 0-1000Hz 范圍內(nèi)，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?yàn)榈V用振動(dòng)能量的無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)頻率不高，固選擇用二階 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)。

其中，R1=R2=R，C1=C2=C，截止頻率f0=f2=1/2 ΠRC，首選電容C=0.1μF，通過截止頻率1kHz計(jì)算得到R=1.6KΩ，選取等效品質(zhì)因數(shù)Q=1，計(jì)算得到Auf=2，則有Rf=R6=6.2 KΩ。

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：

通過研究，得知振動(dòng)傳感器的振動(dòng)頻率為0-1000Hz，二階有源低通濾波電路可消除高頻振動(dòng)對(duì)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(hào)并進(jìn)行放大，最后才可以進(jìn)行信號(hào)的采集和處理。電荷放大電路如圖3所示，其由運(yùn)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。

4 結(jié)論

本文針對(duì)采煤機(jī)故障發(fā)生原因及監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，采用振動(dòng)能量供電技術(shù)為為采煤機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)提供穩(wěn)定能量，解決傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)體積和質(zhì)量較大的問題。同時(shí)，提升監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力和監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]張曉鵑.礦用重型采掘裝備振動(dòng)傳感器優(yōu)化配置方法[J].煤礦機(jī)械，2011，32（3）：173-175.