专利名称：用于活套区冷轧带钢跑偏检测的自供电无线传感器节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及系统检测领域，更具体而言，涉及一种用于活套区冷轧带钢跑偏检测的自供电无线传感器节点。
背景技术：
在带钢的生产中，设备、来料、工艺以及操作上的问题都会引起带钢跑偏。带钢跑偏会给生产带来很大的危害，影响带钢的质量，使得钢卷边缘参差不齐。跑偏严重时会对设备造成损坏，严重影响生产正常进行，造成重大经济损失。由于冷轧带钢生产线上的纠偏系统能力有限，因此，在带钢偏移量较小时能够尽早检测到带钢跑偏现象，并及时将报警状态传送给纠偏控制系统，对避免重大事故的发生、提高产品质量、提高生产效率，保障生产安全等都具有重要的意义。在活套区域，活套小车是检测冷轧带钢是否跑偏的最佳位置。但活套小车处于运动状态，因此，以线缆方式供电及传送信号的方式难以适用。一般的无线传感器节点监测节点都采用电池供电，但是受功耗的影响，电池供电存在电池更换困难、无法连续监测等局限性，影响检测系统的稳定性和连续性。
发明内容
为了解决现有技术中无线传感器节点布线难，系统功耗大、电池更换困难等问题，实现节点对带钢位置长期方便灵活的监测，本发明提供了一种自供电型无线传感器节点，持续为传感器供电，避免频繁地更换电池，实现了传感器的连续稳定作业。本发明的技术方案如下:—种用于活套区冷轧带钢跑偏检测的自供电无线传感器节点，其特征在于:包括动能获取机构(2)、发电机(1)、电路(102)、铅酸蓄电池(103)、电源管理模块和传感器(104)，所述动能获取结构(2)的输入端与活套小车的滚筒(100)摩擦传动，所述动能获取结构(2)的输出端与所述发电机(I)相连并驱动所述发电机(I)发电；所述电路
(102)对所述发电机(1)发出的电进行处理，并向所述传感器(104)供电；所述传感器(104)用于对带钢是否跑偏进行检测并通过电路(102)将检测信号通过无线传输的方式发出，所述传感器(104)安装在带钢边缘位置。进一步的，所述动能获取机构(2)包括摩擦轮(3)、传动轴(4)、第一传动轮(5)和第二传动轮(6)，所述摩擦轮(3)与所述活套小车的滚筒(100)摩擦接触，所述摩擦轮(3)通过传动轴(4)带动所述第一传动轮(5)转动，所述第一传动轮(5)与所述第二传动轮(6)配合传动，所述第二传动轮(6)带动所述发电机(I)发电。进一步的，所述第一传动轮(5)上设置有橡胶圈(7)，所述第二传动轮(6)为摩擦轴，所述第一传动轮(5)和所述第二传动轮(6)摩擦传动。进一步的，所述活套小车的滚筒(100)与所述摩擦轮(3)之间的传动比为i i，所述第一传动轮(5)与所述第二传动轮(6)之间的传动比为i u，所述滚筒(100)与所述第二传动轮(6)之间的传动比为i=i丨.i n, i彡110。进一步的，还包括一双稳态机构，所述机构包括底座(8)、滑动架(9)、直线滚动导轨(10)、丝杠(11)、螺母(22)、滑块(23 )及转动手轮(16)；所述旋转手轮(16)、丝杠(11)带着滑动架(9)在直线滚动导轨(10)上滑动，滑动架(9)另一端靠着第一弹簧(17)紧压产生压紧力，第一弹簧(17)的缓冲结构避免了由于刚性接触，滑动架(9)在底座(8)上的移动由直线滚动导轨(10)实现,滑动架(9)可在直线滚动导轨(10)上相对底座(8)直线移动，拧紧防松螺母(21)可以将丝杠位置固定，实现稳定的工作状态；所述双稳态机构可实现所述发电机(I)在工作状态与非工作状态之间切换。进一步的，还包括压紧机构，所述压紧机构由第一弹簧(17)、滑动架(9)、丝杠
(11)等组成第一压紧装置，将所述摩擦轮(3)和所述活套小车的滚筒(100)弹性压紧；以及由发电机(I)、电机固定板(18)、电机挡板(19)、第二弹簧(20)组成第二压紧装置，将所述第二传动轮(6)与所述第一传动轮(5)弹性压紧；电机挡板(19)固定在滑动架(9)上，电机固定板(18)沿着滑动架(9)的斜槽轨道即弹簧的轴向移动，利用电机挡板(19)与第二弹簧
(20)之间的预紧力将摩擦轴压紧在大带轮的橡胶圈(7)上。进一步的，所述电源模块包括电源管理模块、主控制芯片和射频模块，所述电源管理模块包括三相整流模块、SEPIC拓扑模块、两级DC-DC降压模块和蓄电池充电管理模块及蓄电池，对所述发电机(I)输出的三相交流电进行整流，输出为0-40V左右的直流电，经过SEPIC拓扑模块的调压、将电压稳定为直流17V输出，由充电管理模块对铅酸蓄电池进行浮充充电，铅酸蓄电池输出电压为12V，经过两级DC-DC降压模块输出3.3V与5V电压对主控制电路、射频电路和传感器进行供电；所述主控制芯片用于对蓄电池的电量信息、传感器接口进行监测和采集；并通过射频模块进行无线数据传输。电路上预留有发电机输出接口、传感器接口和铅酸蓄电池充放电接口。进一步的，所述发电机(I)的输出端与所述主控制芯片之间、所述传感器本体(2)与所述主控制芯片之间均通过接插件的形式连接。本发明提供的技术方案，利用摩擦传动获取活套小车滚筒的动能，通过增速传动机构驱动发电机产生电能，再经过整流、滤波、调压，达到电源输出的要求，给带钢跑偏检测传感器供电，并以无线的方式将带钢位置信息发送到相应的数据接收器。该方案满足了在运动条件下带钢跑偏无线检测节点对电源的要求，解决了布线难，电池更换不易的问题，灵活方便，可对冷轧带钢跑偏现象进行在线检测，快速、准确地判断带钢的轴向位置，为纠偏系统提供及时准确的反馈控制信号，有助于避免意外事故的发生，提高冷轧带钢生产系统稳定性和产品生产作业的安全性。
图1是根据本发明所述自供电无线传感器节点的组成结构图；图2是根据本发明所述自供电无线传感器节点中机械部分的整体结构图；图3是图2中传动模块的结构示意图；图4是图2中双稳态机构的结构示意图；图5是图2中压紧机构的结构示意
图6是根据本发明所述自供电无线传感器节点的电路结构布局图7是总体电源方案示意图；图8是三相全波整流桥原理图；图9a是SEPIC拓扑电路原理图；图9b是最大占空比与输出频率的对应关系图；图9c是晶振频率与RT/CT的关系图；图10是铅酸蓄电池浮充充电电路原理图；图11是12V转5V电路原理图；图12是5V转3.3V电路原理图；图13是主芯片电路原理图；图14是CCllOO射频模块外围电路示意图；图15是根据本发明所述自供电无线传感器节点的安装示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明所述自供电无线传感器节点的构造进行详细说明，本领域的技术人员应当理解，以下所述只是本发明的一个优选实施例，本发明的保护范围不受下述实施例的限制。如图1至15所示，本 发明所述的自供电无线传感器节点分为机械部分和电路部分，其整体构造如图1所示。机械部分的主要功能为:根据滚筒100和发电机I的输入要求确定传动比，通过合适的传动方式实现发电机I的动力输入。此外还需要设计一个双稳态结构，以实现发电机I在工作状态和空闲状态(即非工作状态)之间灵活切换。根据系统对结构的要求，机械部分的设计方案如图2所示，本方案的整体结构包括:由底座8、滑动架9、直线滚动导轨10、丝杠螺母机构等组成的双稳态结构；由摩擦轮3、轴承座12、传动轴4、大带轮(即第一传动轮5)、摩擦轴(即第二传动轮6)等组成的传动机构；以及由发电机1、电机固定板13、电机挡板14、弹簧15、防松螺母21等组成的压紧装置。传动机构的构造如图3所示，由摩擦轮3、传动轴4、大带轮(即第一传动轮5)、橡胶圈7、摩擦轴(即第二传动轮6)和发电机I组成。本机构通过摩擦轮3与活套小车滚筒100之间的摩擦传递动能，再通过传动轴4带动大带轮转动。安装在发电机I输入轴上的摩擦轴与大带轮上的橡胶圈7接触摩擦，这样就将动能传递给发电机，并由发电机转动发电。整个能量传递过程为:滚筒一摩擦轮一传动轴一带轮一摩擦轴一发电机。系统传动比为:i=ij.in,I1=Cl1Zd2,in=d3/d4,式中吨为滚筒直径；d2为摩擦轮直径；d3为大带轮直径；d4为摩擦轴直径。由:(^=1200111111, d2=125mm, d3=310mm, d4=26mm得^=Cl1.d3/d2.d4=114。活套小车滚筒的转速范围为ω =4.7 78r/min，本传动方案两级加速均采用摩擦传动，平摩擦传动的传动效率为0.85 0.92，取η 1= η2=0.85，则经过增速后的发电机输入转速范围为:ω ο= η j.η2.i.ω j=387 6424r/min。双稳态结构如图4所示，由底座8、滑动架9、直线滚动导轨10、丝杠11、螺母22、滑块23等部分组成。转动手轮16，丝杠带着滑动架9在直线滚动导轨18上滑动，滑动架9另一端靠着第一弹簧17紧压产生压紧力，第一弹簧17的缓冲结构避免了由于刚性接触，在冲击下对装置结构产生破坏。其行程为=L=S1-S2=STmm,式中s2=36mm。滑动架9在底座8上的移动由直线滚动导轨10实现，滑动架9可在直线滚动导轨10上相对底座8直线移动。压紧机构如图5，由发电机1、电机固定板18、电机挡板19、第二弹簧20等部分组成。电机挡板19固定在滑动架9上，电机固定板18沿着滑动架9的斜槽轨道(弹簧的轴向)移动，利用电机挡板19与第二弹簧20之间的预紧力将摩擦轴压紧在大带轮的橡胶圈7上。利用该压紧机构，能保证摩擦轴与大带轮以一定的压紧力紧密接触，又能在转速过快或速度骤变的时候打滑，起到保护，防止冲击的作用。电路部分由三 种功能模块组成:电源管理模块,无线射频模块,主芯片模块,其结构如图6所示。电源管理模块:由于活套小车运行速度不稳定，经过一系列增速传递后，发电机发出的电压大致为3 40V三相交流电。而电路需要的电压为12V，5V，3V三种电压，以及对12V7Ah的铅酸蓄电池进行充电。根据实际要求设计采集电路的电源方案如图7所示。三相整流桥:整流，就是把交流电变为直流电的过程。一般发电机发出来的电都是交流电，而各种传感器、芯片需要用直流电。利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的交流电变换为直流电。利用六只晶体二极管组成的全桥式整流电路，可以将三相交流电变换为直流电。图8为三相全波整流桥的原理图。电路中的小容量高频陶瓷电容COl的作用为吸收冲击电压，保护二极管，阻止负载电流瞬变，使电流更加平稳。大容量电解铝电容的作用为整流，使电压输出更加平稳。而自恢复保险丝RO与瞬态抑制二极管DO组成的高压保护电路能够在电压瞬间浪涌的情况下断开电路，保护元器件，浪涌过后又能自行恢复，提高系统的安全性与可靠性。直流4V到40V变化输入的调压电路:根据现场的发电情况，发电机输出电压在
4-40V内波动，而铅酸蓄电池充电电路需要的电压为17V，本设计采用SEPIC拓扑实现升降压调压。电路原理图如图9a所示，最大输出电流为2A。占空比D:
权利要求
1.一种用于活套区冷轧带钢跑偏检测的自供电无线传感器节点，其特征在于: 包括动能获取机构(2 )、发电机(I)、电路(102 )、铅酸蓄电池(103 )、电源管理模块和传感器(104)，所述动能获取结构(2)的输入端与活套小车的滚筒(100)摩擦传动，所述动能获取结构(2)的输出端与所述发电机(I)相连并驱动所述发电机(I)发电；所述电路(102)对所述发电机(I)发出的电进行处理，并向所述传感器(104)供电；所述传感器(104)用于对带钢是否跑偏进行检测并通过电路(102)将检测信号通过无线传输的方式发出，所述传感器(104)安装在带钢边缘位置。
2.根据权利要求1所述的自供电无线传感器节点，其特征在于:所述动能获取机构(2)包括摩擦轮(3)、传动轴(4)、第一传动轮(5)和第二传动轮(6)，所述摩擦轮(3)与所述活套小车的滚筒(100)摩擦接触，所述摩擦轮(3)通过传动轴(4)带动所述第一传动轮(5)转动，所述第一传动轮(5)与所述第二传动轮(6)配合传动，所述第二传动轮(6)带动所述发电机(I)发电。
3.根据权利要求2所述的自供电无线传感器节点，其特征在于，所述第一传动轮(5)上设置有橡胶圈(7)，所述第二传动轮(6)为摩擦轴，所述第一传动轮(5)和所述第二传动轮(6)摩擦传动。
4.根据权利要求2所述的自供电无线传感器节点，其特征在于，所述活套小车的滚筒(100)与所述摩擦轮(3)之间的传动比为i i，所述第一传动轮(5)与所述第二传动轮(6)之间的传动比为i U，所述滚筒(100)与所述第二传动轮(6)之间的传动比为i=i I.in,i≥110。
5.根据权利要求1所述的自供电无线传感器节点，其特征在于:还包括一双稳态机构，所述机构包括底座(8)、滑动架(9)、直线滚动导轨(10)、丝杠(11)、螺母(22)、滑块(23)及转动手轮(16);所述旋转手轮(16)、丝杠(11)带着滑动架(9)在直线滚动导轨(10)上滑动，滑动架(9)另一端靠着第一弹簧(17)紧压产生压紧力，第一弹簧(17)的缓冲结构避免了由于刚性接触，滑动架(9 )在底座(8 )上的移动由直线滚动导轨(IO )实现，滑动架(9 )可在直线滚动导轨(10)上相对底座(8)直线移动，拧紧防松螺母(21)可以将丝杠位置固定，实现稳定的工作状态； 所述双稳态机构可实现所述发电机(I)在工作状态与非工作状态之间切换。
6.根据权利要求1所述的自供电无线传感器节点，其特征在于，还包括压紧机构，所述压紧机构由第一弹簧(17)、滑动架(9)、丝杠(11)等组成第一压紧装置，将所述摩擦轮(3)和所述活套小车的滚筒(100)弹性压紧；以及由发电机(I)、电机固定板(18)、电机挡板(19)、第二弹簧(20)组成第二压紧装置，将所述第二传动轮(6)与所述第一传动轮(5)弹性压紧；电机挡板(19)固定在滑动架(9)上，电机固定板(18)沿着滑动架(9)的斜槽轨道即弹簧的轴向移动，利用电机挡板(19)与第二弹簧(20)之间的预紧力将摩擦轴压紧在大带轮的橡胶圈(7)上。
7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的自供电无线传感器节点，其特征在于:所述电源模块包括电源管理模块、主控制芯片和射频模块，所述电源管理模块包括三相整流模块、SEPIC拓扑模块、两级DC-DC降压模块和蓄电池充电管理模块及蓄电池，对所述发电机(I)输出的三相交流电进行整流，输出为0-40V左右的直流电，经过SEPIC拓扑模块的调压、将电压稳定为直流17V输出，由充电管理模块对铅酸蓄电池进行浮充充电，铅酸蓄电池输出电压为12V，经过两级DC-DC降压模块输出3.3V与5V电压对主控制电路、射频电路和传感器进行供电；所述主控制芯片用于对蓄电池的电量信息、传感器接口进行监测和采集；并通过射频模块进行无线数据传输。电路上预留有发电机输出接口、传感器接口和铅酸蓄电池充放电接口。
8.根据权利要求7所述的自供电无线传感器，其特征在于:所述发电机(I)的输出端与所述主控制芯片 之间、所述传感器本体(2)与所述主控制芯片之间均通过接插件的形式连接。
全文摘要
本发明提供了一种自供电无线传感器节点，利用摩擦传动获取活套小车滚筒的动能，通过增速传动机构驱动发电机产生电能，再经过整流、调压，达到电源输出的要求，给带钢跑偏检测传感器供电，并以无线的方式将带钢位置信息发送到相应的数据接收器。该方案满足了在运动条件下带钢跑偏无线检测节点对电源的要求，解决了布线难，电池更换不易的问题，灵活方便，可对冷轧带钢跑偏现象进行在线检测，快速、准确地判断带钢的轴向位置，为纠偏系统提供及时准确的反馈控制信号，有助于避免意外事故的发生，提高冷轧带钢生产系统稳定性和产品生产作业的安全性。
文档编号B21B37/00GK103230944SQ201310128448
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者阳建宏, 刘锋, 黄克桦, 刘亚军, 黎敏 申请人:北京科技大学