提升机滚筒监测无线传感器网络节点能量收集装置

陈美杉+李莹+许涛

摘 要：通过检测滚筒应力场反应提升机的运行状态，但检测節点电池寿命短，维护成本高。利用提升机滚筒转动时与周围空气发生相对运动，产生的空气流动从而转化成电能，对无线传感网络持续供电。分析比较微型风力发电机技术研究：微型涡轮机风力发电机、微型风箱发电机、微型电磁风力发电机和风致振动压电能量收集装置，提出实时收集风致振动压电能量对提升机滚筒的无线检测网络节点的持续供电方案。

关键词：风能转换；能量收集装置；压电

引言

矿用提升矿石、煤炭物料、升降人员和设备的主要机械设备就是矿井提升机。但是随着矿山资源发展方向的不断深部化和大型化，复杂的地形和多变的现场环境极大增加了断绳坠落等重大恶性事故的可能性。随着科技的不断发展和检测技术的完善，各种不同类型的煤矿检测系统相继被安装在大中型矿井中，检测参数主要为井下瓦斯、CO的浓度、风速、粉尘，电压、电流、风门开闭和重要设备开停工等工况。

相比于有线监测，无线监测即使在复杂的地理位置也可以远距离监测与测量井下各种环境与设备参数；随着无线通信技术的进步，可以实现长时间、不间断并稳定的监测；安装简单，节省铺设线缆的费用，成本低，可靠性高[1]。

中国矿业大学朱真才等人发明了提升机滚筒应力场检测方法与装置，能够适用于深井下工作环境，传感器灵敏度高以达到对滚筒状态的监测[2]。无线传感器节点结构原理如图1所示。

通过无线传感器应力场检测，实时检测滚筒应力。在旋转体上布置的节点需采用电池供电，但是由于采样频率高，电池频繁使用更换，维修成本高，虽然采用了低能耗的设备，但系统运行仍然不稳定且续航能力低。因提升机滚筒转动时，与空气有一定的相对速度，产生转动方向的空气流动。所以考虑将风能转化成电能，给无线传感器网络节点持续供电。

1 风力发电技术

微型风力发电机技术研究[3]有以下四种：微型涡轮机风力发电机、微型风箱发电机、微型电磁风力发电机和风致振动压电能量收集装置。

涡轮风力电机，依靠上升力（与风向垂直）和阻力（与风向平行）两大空气动力带动转子转动。涡轮叶片直径越大，捕获的风能也就越多。但随着叶片的减小，由于轴承摩擦等因素，其发电效率逐渐降低；风箱发电机，在风速较高时有较大输出效率，然而当风速小于3.5m/s，输出功率较小，且有极大的噪声；电磁风力发电机，放置电机线圈在指定空间中，风力作用下让电机往复转动，切割磁感线从而产生交流电，其运行平稳，使用安全[4]，但是在风速较低的情况下，会因为磁铁的重量而无法发电；风致振动压电能量收集装置，利用压电材料，结构简单紧凑且安装方便，无电磁干扰，价格低，对低风速敏感，机电转化效率高[5]。

对周围环境中的振动能量和流体能用微型压电装置收集是目前国内外的研究热点，且压电技术研究集中，发展较快，因此提升机滚筒无线传感器网络节点能量收集装置选风致振动压电能量收集技术。

2 压电

2.1 压电材料

压电振动能量转换的核心材料就是压电材料。目前广泛应用的压电材料大致有复合压电材料、压电单晶体、压电陶瓷、压电高分子聚合物等。

2.2 器件结构

受到机械作用力的情况下压电结构会产生电荷，影响压电振子发电能力的最重要因素就是其支撑方式和器件结构。通常压电振子有四种不同的边界条件：悬梁壁支撑、刚性夹持支撑、自由支撑和简支支撑。

因为悬臂梁式压电振子可产生最大挠度和柔顺系数，有较低的谐振频率，最为常用，所以选择双晶片悬臂梁振动模型[6]。

描述风致振动气动弹性力学问题[7]，则可表示为：

其中Fa是外载荷作用力；？籽是空气密度，U是特征风速；S是结构的有效面积；Ca是结构无量纲气动力系统；Q是流场变量；X是结构的运动位移；■是速度；t是时间；Re是雷诺数，且Ca与Q，X，■，t和Re有关。

2.3 振动特性

惯性自由振动式、冲击自由振动式、强制振动式是压电振子发电的三种激励方式。惯性自由振动式发电能力弱，但持续振动时间长，且不需要人为参与便可实现能量转化；冲击自由振动式能瞬间产生高压、大电流；强制振动式可以单独使用，也可以与其他电器集成一体。施加振幅强度增强，电流强度就强；反之强度减小。

2.4 电路转化与电能储存

因为振动发电机所产生的电能为交流电，并且需要储能电路储存足够的电能驱动传感器节点中的各个电路。图2所示的整流和储能电路，采用反馈和前馈联合控制的电路，可有效提高能量转换效率[8]。

通过振动发电机所产生的电能要通过整流电路和电能储存电路才能为传感器，MCU，射频电路等供电。振动的数据会通过信号处理电路来滤除噪声干扰并送给MCU进行处理。

3 悬梁臂振动分析

3.1 压电模型的建立

根据伯努利-欧拉梁假设，建立压电双晶悬臂振动理论模型[9]。直梁在平面内做横向振动，且各截面中心主惯性轴在平面XOY内，外载荷也作用在该平面。

横向振动微分方程：

其中？籽是单位体积梁的密度；A是悬臂梁的截面积；y（x，t）是梁上距原点x处截面在t时刻横向位移；E是材料的弹性模量；q（x，t）是单位长度梁上分布的外力。

3.2 固有频率和主振型

固有频率：

位移方程：

本文讨论的压电能量收集装置是悬臂梁支持，所以其边界条件为挠度和界面转角为零；转矩为零，剪力和质量惯性力平衡。

则悬臂梁主振型[10]

求得各阶相应的主振型后，梁的固有振型等于各阶主振型的叠加。

3.3 振动产生的电能

压电片的应力就是悬梁臂表面的应力，则悬臂梁压电振子的应力可表示为：

正压电效应：

其中D是电位移；d是压电常数；？着是介电常数；T是应力；E是电场。

采用正压电效应，介质内部不存在空间电荷和边缘电场，则E=0，D3=d31T1

压电振子产生的电荷为：

其中：

4 结束语

本文针对矿用提升机滚筒无线传感器网络节点的能量供给问题，查阅相关风能发电技术，确定压电振动能量收集装置，捕获提升机转动时周围环境产生的风能，将其转化为电能。根据伯努利-欧拉梁假设，建立压电双晶悬臂梁的振动理论模型，讨论了固有频率、输出电压等理论表达式，推导出振动方程。

参考文献

[1]魏来.基于有线/无线传感器网络协议的矿井监测系统研究[D].上海交通大学，2012.

[2]朱真才，邵兴国，周公博，等.提升机滚筒应力场检测方法与装置[P].中国专利：CN200810236314.6，2009-04-22.

[3]张新房，徐大平，吕跃刚，等.风力发电技术的发展及若干问题[J].现代电力，2003，20（5）：29-34.

[4]管维亚，吴峰，鞠平.直驱永磁风力电系统仿真与优化控制[J].2014， 42（09）.

[5]刘细平，于仲安，梁建伟.风力发电技术研究与发展[J].微电机，2007，40（4）：76-79.

[6]王后连，张朋，等.滚筒辐板表面风致振动能量收集装置设计[J].2015， 36（07）.

[7]曹 ，陈仁文.基于风致振动机理的微型压电风能采集器[J].2016， 38（04）.

[8]秦显远，吴迪，刘超.振动能量供电的矿用无线传感器网络研究[J].机电元件，2012，06.

[9]张存娥.基于压电材料的风能转换装置理论研究与创新设计[D].西安：西安理工大学，2009.

[10]黄玲花.面对提升机滚筒应力检测传感器节点的风致振动压电能量收集技术[D].徐州：中国矿业大学，2014.