专利名称：提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种滚筒应力场检测装置及方法，特别是一种提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置及方法。
背景技术：
目前，对提升机运行状态的监测都是通过对提升钢丝绳力的检测来实现的。提升钢丝绳张力的检测方法包括直接检测法和间接检测法。直接检测法是在提升容器顶端安装钢丝绳张力检测装置，该装置由传感器、信号采集模块、无线发射模块和蓄电池构成。检测的钢丝绳张力信号通过无线发射模块发送，由井口的接收模块接受后进行数据处理得到钢丝绳张力。检测与钢丝绳张力的传感器主要有以下三种:拉力传感器，串联在提升钢丝绳提升容器间；三点式钢丝绳张力传感器；油压传感器，适用于提升容器与钢丝绳之间有液压平衡装置的多绳摩擦提升机。直接检测法主要存在四点缺陷:无线通信在井筒中的传输距离短，当井筒深度超过500米，无法实现可靠的通信；蓄电池需要定期更换，维护不便；传感器安装维护不便；拉力传感器灵敏度低，张力传感器会加剧钢丝绳的疲劳磨损，油压传感器只适合用于提升容器与钢丝绳直接有液压平衡装置的场合。间接检测法是在天轮的轴承底座上安装测力传感器来检测钢丝绳张力。该方法要求测力传感器具有结构实用性、功能实用性、长期稳定性和高可靠性。传感器研制困难、成本很高，而且很难安装。当传感器毁坏时也很难及时发现。根据以上分析可以发现，目前通过提升钢丝绳张力的检测来反映提升机运行状态的方法主要存在以下缺陷:传感器安装不便，检测系统维护困难；检测系统应用具有一定的局限性，不能应用于深井检测；蓄电池供电的方案需要定期更换电池，维护不便；现有传感器存在成本高、灵敏度低、对钢丝绳有损害等问题。
发明内容
本发明的目的是要提供一种无需维护、能够应用于深井检测、传感器寿命无限、成本低、灵敏度高、对钢丝绳无损害的提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置及方法。本发明的目的是这样是实现的，本发明包括装置和方法，该装置包括:提升机滚筒、应力无线传感器工作节点、应力无线传感器冗余节点、汇聚节点、USB接口和工控机；应力无线传感器工作节点和冗余节点间隔性地均匀固定在提升机滚筒上，汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，汇聚节点通过USB接口与工控机相连。所述的应力无线传感器工作节点和冗余节点均由微型风力发电机、同步电荷提取电路、Buck-Boost调压器、应变片、信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、PCB天线、时钟芯片和电源模块构成；应变片与信号调理电路连接，信号调理电路的输出端与MCU微控芯片的输入端连接，MCU微控芯片的输出端与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器连接，时钟芯片输出端与MCU微控芯片相连，UffB无线收发芯片输出端与PCB天线连接，微型风力发电机与同步电荷提取电路连接，同步电荷提取电路与电源模块连接，电源模块与Buck-Boost调压器连接，Buck-Boost调压器与信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片与时钟芯片连接。所述的微型风力发电机为基于风致振动机理的微型压电风力发电机，所述的微型压电风力发电机由硅衬底、压电复合梁和质量块组成；压电复合梁采用悬臂梁结构，采用微加工技术将一端固定于娃衬底上，压电复合梁中含有多层PZT压电片，每一层PZT压电片的上下表面均有金属电极用于收集电荷，其中每两层PZT压电片之间的金属电极共用；质量块位于压电复合梁自由端。所述的汇聚节点由MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片、AC-DC开关电源模块和低压差线性稳压器构成；MCU微控芯片的输出端与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路相接，时钟芯片与MCU微控芯片相连，UWB无线收发芯片与PCB天线连接，与交流电连接的AC-DC开关电源模块输出端与低压差线性稳压器连接，低压差线性稳压器与MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。提升机滚筒应力场检测方法包括:应力无线传感器节点的供能方法和提升机滚筒应力场的检测方法；所述的应力无线传感器节点的供能方法是:采用微型风力发电机和锂电池混合结构对应力无线传感器节点供电，使得各组件优势互补；所述的提升机滚筒应力场的检测方法是:设定采样频率，设定时钟同步，按照设定的采样频率分别触发应力无线传感器工作节点和汇聚节点，应力无线传感器工作节点将收集的信息发送到汇聚节点，汇聚节点对接受到的信息预处理，然后通过USB接口将数据发送给工控机，工控机将接收的信息分处理得到滚筒应力场状态；当应力无线传感器工作节点发生故障时，汇聚节点可启动冗余节点代替应力无线传感器工作节点，实现对提升机滚筒应力信息的采集。有益效果，由于采用了上述方案，采用微型压电风力发电机和锂电池混合结构对应力无线传感器节点供电，使得各组件优势互补:用能量收集器一微型压电风力发电机作为系统的能量源，它可以输出无限的能量，但是功率不足以直接向无线传感器供电，而电池的输出功率较高，但是存储的能量有限，因此将其作为功率缓存使用，需要时则输出功率，其它时间不断从收集器接受电荷；所述的微型风力发电机俘获滚筒旋转带动的风能并将其转换为电能，由于空气有粘性，粘性的存在使滚筒表面附近的气体随滚筒转动，滚筒的速度一般为几米每秒到十几米每秒，远小于声速，所以可以将滚筒附近随滚筒一起转动的气体看作理性不可压缩流体。滚筒在粘性不可压缩流体中绕轴旋转，粘性引起的气体的圆形流线运动等价于点涡诱导的理想流体无旋流动的流场。假定滚筒的速度为tv滚筒表面的气体附着在滚筒表面以速度绕滚筒轴线旋转，与滚筒相对静止，其上的气体流速随旋转半径的增加反比例减少。质量块位于压电悬臂梁自由端，调节压电复合梁的频率，并作为钝体在风中形成旋涡，漩涡脱落引起质量块的振动，引起压电悬臂梁的变形，进而引起压电内应力和应变的变化，由于压电效应，压电层的上下电极之间将产生变化的电势差，实现对锂离子电池的供电。(I)基于无线传感器网络技术，通过设计应力无线传感器工作节点、应力无线传感器冗余节点和汇聚节点，实现了对提升机滚筒应力检测；
(2)基于MEMS微能源技术,通过微型压电风力发电机与锂电池结合的混合结构对无线应力传感器节点供电，实现了无线传感器节点无需维护，寿命无限的优点，并且减小了节点尺寸；
(3)该提升机滚筒应力场检测方法与装置不会给提升系统带来任何安全隐患，安全可
罪；
(4)采用UWB超宽带无线通信技术，具有很高的通信速率和通信可靠性，系统响应快速，功耗低；
(5)方法及结构简单，稳定性强，可靠性高，安装简单、无需维护、成本低、灵敏度高、能够用于深井检测。无需维护、能够应用于深井检测、传感器寿命无限、成本低、灵敏度高、对钢丝绳无损害，达到本发明的目的。优点:该提升机滚筒应力场的检测装置不会给提升机带来任何安全隐患，安全可靠；传感器网络采用冗余构架，即使某个节点发生故障也不会影响系统正常运行；采用混合结构对应力无线传感器工作节点和冗余节点供电，使得各组件优势互补，实现了传感器永久供电。而且基于风致振动机理的微型压电风力发电机不需要转动机构，结构简单，便于采用微硅加工技术进行批量生产，成本低，与锂离子电池组合成混合结构，极大的节省了空间。
图1是本发明的系统结构图。图2是本发明的应力无线传感器工作节点和冗余节点的结构图。图3是本发明的应力无线传感器工作节点和冗余节点的结构图。图4是本发明的压电风力发电微系统的结构图。图5是本发明的同步电荷提取电路的电路图。图6是本发明的Buck-Boost调压器的电路图。图7是本发明的锂电池保护电路的电路图。图8是本发明的汇聚节点的结构图。图中:1、应力无线传感器工作节点；2、应力无线传感器冗余节点；1(2) — 1、应力无线传感器和同步电荷提取电路；1(2) — 2、压电复合梁；1(2) — 3、质量块；1(2) — 4、娃衬底；
3、提升机滚筒；4、汇聚节点；5、USB总线；6、工控机；7、操作台。
具体实施例方式实施例1:本发明包括装置和方法，该装置包括:提升机滚筒、应力无线传感器工作节点、应力无线传感器冗余节点、汇聚节点、USB接口和工控机；应力无线传感器工作节点和冗余节点间隔性地均匀固定在提升机滚筒上，汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，汇聚节点通过USB接口与工控机相连。所述的应力无线传感器工作节点和冗余节点均由微型风力发电机、同步电荷提取电路、Buck-Boost调压器、应变片、信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、PCB天线、时钟芯片和电源模块构成；应变片与信号调理电路连接，信号调理电路的输出端与MCU微控芯片的输入端连接，MCU微控芯片的输出端与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器连接，时钟芯片输出端与MCU微控芯片相连，UffB无线收发芯片输出端与PCB天线连接，微型风力发电机与同步电荷提取电路连接，同步电荷提取电路与电源模块连接，电源模块与Buck-Boost调压器连接，Buck-Boost调压器与信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片与时钟芯片连接。所述的微型风力发电机为基于风致振动机理的微型压电风力发电机，所述的微型压电风力发电机由硅衬底、压电复合梁和质量块组成；压电复合梁采用悬臂梁结构，采用微加工技术将一端固定在娃衬底上，压电复合梁中含有多层PZT压电片，每一层PZT压电片的上下表面均有金属电极用于收集电荷，其中每两层PZT压电片之间的金属电极共用；质量块位于压电复合梁自由端。所述的汇聚节点由MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片、AC-DC开关电源模块和低压差线性稳压器构成；MCU微控芯片的输出端与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路相接，时钟芯片与MCU微控芯片相连，UWB无线收发芯片与PCB天线连接，与交流电连接的AC-DC开关电源模块输出端与低压差线性稳压器连接，低压差线性稳压器与MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。提升机滚筒应力场检测方法包括:应力无线传感器节点的供能方法和提升机滚筒应力场的检测方法；所述的应力无线传感器节点的供能方法是:采用微型风力发电机和锂电池混合结构对应力无线传感器节点供电，使得各组件优势互补；所述的提升机滚筒应力场的检测方法是:设定采样频率，设定时钟同步，按照设定的采样频率分别触发应力无线传感器工作节点和汇聚节点，应力无线传感器工作节点将收集的信息发送到汇聚节点，汇聚节点对接受到的信息预处理，然后通过USB接口将数据发送给工控机，工控机将接收的信息分处理得到滚筒应力场状态；当应力无线传感器工作节点发生故障时，汇聚节点可启动冗余节点代替应力无线传感器工作节点，实现对提升机滚筒应力信息的采集。图1中，提升机滚筒应力检测装置主要有6个应力无线传感器工作节点、6个应力无线传感器冗余节点、提升机滚筒、汇聚节点、USB接口和工控机构成。12个应力无线传感器工作节点和冗余节点间隔性地均匀固定在提升机滚筒的边缘，用于检测滚筒的应力，根据现场实际需要，应力无线传感器节点可增加或减少；在提升机操作台外壳上固定一个汇聚节点，用于接收应力无线传感器工作节点发送的应力数据并进行判断，数据正常则进行预处理，之后通过USB接口将数据发送给工控机，当数据异常或工作节点未发送数据时，汇聚节点则要求故障节点5s内做出正常响应，否则就弃之并打开冗余节点代替故障节点完成对提升机滚筒应力场的检测；工控机将接收的信息分析处理得到提升机滚筒应力场信肩、O图2中，基于风致振动的微型压电风力发电机与应力无线传感器集成于一体。微型压电风力发电机由压电复合梁、质量块及硅衬底构成。压电复合梁采用悬臂梁结构，采用微加工技术将一端固定在娃衬底上。压电复合梁中含有多层PZT压电片,用于调节发电机内阻抗或提高发电机的输出特性，每一层压电层的上下表面均有金属电极用于收集电荷，其中每两层压电层之间的金属电极共用。质量块位于压电悬臂梁自由端，调节压电复合梁的频率，并作为钝体在风中形成旋涡，漩涡脱落引起质量块的振动，引起压电悬臂梁的变形，进而引起压电内应力和应变的变化，由于压电效应，压电层的上下电极之间将产生变化的电势差，实现对锂离子电池的供电。在图3中，无线应力传感器工作节点和冗余节点均由微型风力发电机、同步电荷提取电路、Buck-Boost调压器、应变片、信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、PCB天线、时钟芯片及电源模块构成。应变片由4片构成，其中两片用于检测周向和径向应变，另两个用于温度补偿，四个应变片构成全桥电路。信号调理电路由滤波放大电路构成，将全桥电路输出的电压信号转换成0-5V标准信号输入MCU微控芯片。MCU微控芯片选用MSP430F1611低功耗芯片，该芯片内部集成8通道12位A/D转换器将电压信号进行模数转换并存储在内部RAM中。时钟芯片选用X1226，用于定时唤醒MCU微控芯片采集应力数据。UWB无线收发芯片选用XS110，该芯片的无线信号发送频率为3.1GHz，通信速率为110M/S，用于将MCU微控芯片采集的应力数据通过PCB天线发送给汇聚节点。采用混合结构对应力无线传感器供电，使得各组件优势互补:用能微型风力发电机作为系统的能量源，它可以输出无限的能量，但是功率不足以直接向无线传感器供电，而电池的输出功率较高，但是存储的能量有限，因此将其作为功率缓存使用，需要时则输出功率，其它时间不断从收集器接受电荷。压电风力发电机、锂离子电池和应力无线传感器节点具有不同的电压和电流特性。这里通过间歇式涓流同步电荷提取电路周期性地将压电风力发电机上积累的电荷转移到锂离子电池中，实现为锂离子电池的不断充电。采用保护电路对锂离子电池的进行过放、过充和短路保护。采用Buck-Boost调压器为信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片与时钟芯片提供稳定的3.3V电压。在图4中，基于风致振动的压电风力发电机将风能转换为电能，通过间歇式涓流同步电荷提取电路周期性地将压电风力发电机上积累的电荷转移到锂离子电池中，实现为锂离子电池的不断充电。采用保护电路对锂离子电池的进行过放、过充和短路保护并采用Buck-Boost调压器为传感器负载提供稳定的3.3V电压。图5为同步电荷提取电路，锂离子电池和应力无线传感器节点具有不同的电压和电流特性。这里通过间歇式涓流同步电荷提取电路周期性地将压电风力发电机上积累的电荷转移到锂离子电池中，实现为锂离子电池的不断充电。图6为Buck-Boost调压器电路原理图,米用Buck-Boost调压器为信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片与时钟芯片提供稳定的3.3V电压，其由可控开关Q、储能电感L、二极管D、滤波电容C、负载电阻&和控制电路等组成。图7为锂离子电池保护电路，锂离子电池的额定电压一般为3.7V，终止放电电压约为2.7V，终止充电电压约为4.2V，超过了终止放电电压或终止充电电压的过放或过充将损坏电池，造成电池性能的显著下降。这里采用保护电路对锂离子电池的进行过放、过充和短路保护。其中集成保护电路ICR5421用来检测保护电路当前的电压、电流、时间等参数以此来控制场效应管Vl和V2的开关状态；场效应管Vl和V2则根据保护IC来控制回路中是否有需开或关；贴片电阻用作限流；贴片电容作用为滤波、调节延迟时间；热敏电阻用来检测电池块内的环境温度；保险丝防止流过电池的电流过大，切断电流回路。在图8中，汇聚节点由于不需要检测应力信息，所以在它的结构设计中没有应变片和信号调理电路。由于汇聚节点处于实时工作状态，能耗较大，并且其所在位置便于供电，所以采用交流电为其供电。220V交流电源经AC-DC开关电源模块A0C_5S转换成5V直流电压，然后由低压差线性稳压器MAX16999为外围电路及芯片提供稳定的3.3V电压。其余部分与应力无线传感器节点相同。对滚筒应力场检测方法作进一步详述:
(1)、在提升机滚筒边缘间隔性地均匀固定12个无线应力传感器工作节点和冗余节点，在操作台外壳上固定汇聚节点，并通过USB总线与工控机相连；
(2)、打开应力无线传感器工作节点与汇聚节点，节点上电初始化，设定采样频率为10Hz，并设定节点之间时钟同步；
(3)、每隔0.1s时钟芯片唤醒应力无线传感器工作节点和汇聚节点的MCU微控芯片，节点开始工作。应力无线传感器工作节点采集并发送应力信息，汇聚节点接受这些信息并判断正常后进行预处理，然后通过USB总线发送给工控机，工控机对数据处理得到滚筒应力场信息。(4)、当某个节点发生故障时,汇聚节点要求其重新发送数据，当故障节点未在5s之内做出正常反应时，汇聚节点则启动冗余节点代替故障节点完成对提升机滚筒应力场的检测。(5)、当一个提升循环结束后，自动对节点进行时钟同步，防止各节点时钟误差的累积，保证各节点之间同步工作。
权利要求
1.一种提升机滚筒应力场检测与节点能量收集方法，其特征在于，应力无线传感器节点的供能方法是:采用微型风力发电机和锂电池混合结构对应力无线传感器节点供电，使得各组件优势互补；提升机滚筒应力场的检测方法是:设定采样频率，设定时钟同步，按照设定的采样频率分别触发应力无线传感器工作节点和汇聚节点，应力无线传感器工作节点将收集的信息发送到汇聚节点，汇聚节点对接受到的信息进行判断，数据正常则进行预处理，之后通过USB接口将数据发送给工控机，当数据异常或工作节点未发送数据时，汇聚节点则要求故障节点5s内做出正常响应，否则就弃之并打开冗余节点代替故障节点完成对提升机滚筒应力场的检测；工控机将接收的信息处理得到滚筒应力场状态。
2.一种实现权利要求1所述提升机滚筒应力场检测与节点能量收集方法的装置，其特征在于，本发明的装置包括提升机滚筒、应力无线传感器工作节点、应力无线传感器冗余节点、汇聚节点、USB接口和工控机；应力无线传感器工作节点和冗余节点间隔性地均匀固定在提升机滚筒上，汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，汇聚节点通过USB接口与工控接相连。
3.根据权利要求2所述的提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置，其特征在于，所述的应力无线传感器工作节点和冗余节点由微型风力发电机、同步电荷提取电路、Buck-Boost调压器、应变片、信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、PCB天线、时钟芯片和电源模块构成；应变片与信号调理电路连接，信号调理电路的输出端与MCU微控芯片连接，MCU微控芯片的输出端与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器连接，时钟芯片输出端与MCU微控芯片相连，UffB无线收发芯片输出端与PCB天线连接，微型风力发电机与同步电荷提取电路 连接，同步电荷提取电路与电源模块连接，电源模块与Buck-Boost调压器连接，Buck-Boost调压器与信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片与时钟芯片连接。
4.根据权利要求2所述的提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置，其特征在于，所述的汇聚节点由MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片、AC-DC开关电源模块和低压差线性稳压器构成，MCU微控芯片的输出端与UffB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路相接，时钟芯片与MCU微控芯片相连，UffB无线收发芯片与PCB天线连接，与交流电连接的AC-DC开关电源模块输出端与低压差线性稳压器连接，低压差线性稳压器与MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。
5.根据权利要求3所述的提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置，其特征在于，所述的微型风力发电机为基于风致振动机理的微型压电风力发电机，所述的微型压电风力发电机由硅衬底、压电复合梁和质量块组成；压电复合梁采用悬臂梁结构，采用微加工技术将一端固定于娃衬底上，压电复合梁中含有多层PZT压电片，每一层PZT压电片的上下表面均有金属电极用于收集电荷，其中每两层PZT压电片之间的金属电极共用；质量块位于压电复合梁自由端。
全文摘要
一种提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置及方法，属于滚筒应力场检测装置及方法。微型风力发电机与应力无线传感器一体化设计，应力无线传感器工作节点和冗余节点固定在提升机滚筒上，采用锂离子电池和基于风致振动机理的微型压电风力发电机的混合结构供电，汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，汇聚节点通过USB接口与工控机相连。优点该检测装置安全可靠；传感器网络采用冗余构架，即使某个节点发生故障也不会影响系统正常运行；采用混合结构对应力无线传感器节点供电，使得各组件优势互补，实现了传感器永久供电。而且基于风致振动机理的微型压电风力发电机不需要转动机构，结构简单，成本低，与锂离子电池组合成混合结构，节省了空间。
文档编号H04W84/18GK103217235SQ20121040935
公开日2013年7月24日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者周公博, 黄玲花, 朱真才, 张朋, 李伟, 曹国华, 彭玉兴, 蔡志雄 申请人:中国矿业大学