专利名称：一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及转子设备状态监测技术领域，特别涉及一种转子设备的埋入式自供能 无线监测装置。
背景技术：
转子设备的状态监测装置对于转子设备十分重要，通过状态监测装置可监测转子 设备的异常状况，保证其良好运行、降低事故发生率、极大减少损失。但是目前常见的转子 设备状态监测装置都是通过安装在轴座上的加速度传感器或安装在近轴位置的涡流传感 器来监测转子振动、通过数据采集与分析系统来监测其运行状态的，此类装置普遍存在以 下不足(1)安装非常不便，有些情况下监测设备的安装甚至会影响设备的正常工作，而且 加速度传感器和涡流传感器等监测传感器的安装要求非常严格，难度很高；( 监测设备 需要专门的电源供电，在设备状态明显良好的情况下，耗费了大量不必要的能源；(3)通过 监测传感器得到的信号需要专门设备经行调理、计算和分析，才能得到转子设备的异常振 动信息，过程复杂；(4)需要定期对监测传感器、调理分析设备进行维护，成本较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种转子设备的埋入式自 供能无线监测装置，能够回收设备运行过程中产生的振动能量，并以此驱动自身工作，无需 供电及额外的监测传感器和调理设备，有异常状态监控、振动量采集功能，同时具有安装方 便、免于维护且成本低廉的优点。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置，包括压电模块1、回收控制电路2和 无线模块3，压电模块1和回收控制电路2连接，回收控制电路2和无线模块3连接。所述的压电模块1包括状态监测单元4和能量回收单元5，状态监测单元4和能 量回收单元5均由金属-压电陶瓷复合材料构成，状态监测单元4仅由一个复合材料单体 构成，能量回收单元5由至少三个复合材料单体并联而成，状态监测单元4位于振动核心位 置，能量回收单元5以状态监测单元4为中心，呈中心对称分布，所述的金属-压电陶瓷复 合材料是由两片铜片或其他金属片与夹在其中间的压电陶瓷复合而成的材料。所述的回收控制电路2包括状态监测电路6、振动采集电路7、能量回收电路8、稳 压电路9和控制芯片10，状态监测单元4的输出端和状态监测电路6的输入端及振动采集 电路7的信号输入端连接，状态监测电路6和振动采集电路7的输出端分别与控制芯片10 的第一中断引脚和第一 A/D引脚相连，能量回收单元5的输出端和能量回收电路8的能量 输入端连接，能量回收电路8的供能输出端和稳压电路9的输入端连接，稳压电路9的输出 端和控制芯片10的电源引脚连接，能量回收电路8的控制信号输出端和能量状态输出端分 别和控制芯片10的第二中断引脚和第二 A/D引脚连接，控制芯片10输出的第一控制引脚、 第一控制引脚分别和振动采集电路7的控制输入端和能量回收电路8的控制输入端连接，控制芯片10与无线模块3通过标准接口连接。所述的能量回收电路8包括带有电感的双向电子开关11、全桥整流电路12、电流 监控器13、超级电容14、参考电压产生电路15、比较器16、高边驱动电路17，能量回收单元 5两个输出端同时连接到带有电感的双向电子开关11两端和全桥整流电路12输入端，全桥 整流电路12正输出端通过电流监控器13连接到超级电容14和稳压电路9正输入端，电流 监控器13的输出直接连接到控制芯片10的第二 A/D引脚，稳压电路9的输出端同时连接 到参考电压产生电路15的输入端和控制芯片10的电源引脚，电流监控器12、参考电压产生 电路15的输出端分别连接至比较器16的同相和反相输入端，比较器16的输出端连接到控 制芯片10的第二中断引脚，控制芯片10输出的第二控制引脚连接到高边驱动电路17的输 入端，高边驱动电路17的输出端连接到带有电感的双向电子开关11的控制输入端，超级电 容14、稳压电路9、参考电压产生电路15、控制芯片10的负极均接地。所述的状态监测电路6由全桥整流电路18、峰值检测电路19和比较电路20组成， 状态监测单元4的输出端连接到全桥整流电路18的输入端，全桥整流电路18输出端连接 到峰值检测电路19的输入端，峰值检测电路19的输出端输入到比较电路20的输入端，比 较电路20输出和控制芯片10的第一中断引脚连接。所述的振动采集电路7由电子开关21、全桥整流电路22和调理电路23组成，状态 监测单元4的输出端通过电子开关21连接到全桥整流电路22的输入端，全桥整流电路22 的输出端连接到调理电路23的输入端，调理电路23的输出端连接到控制芯片10的第一 A/ D引脚，控制芯片10输出的第一控制引脚连接到电子开关21的控制输入端。本发明的工作原理为本装置安装于转子设备振动特征明显的地基中，转子设备运行时，会产生周期性 的压力作用于设备地基，从而作用于压电模块1中由金属-压电陶瓷复合材料组成的状态 监测单元4和能量回收单元5上，从而将振动信息及振动能量转化为电压信号和电能输出， 能量回收单元5由多个复合材料单体组成，能够在振动作用下产生较多的电能并通过控制 芯片10控制的能量回收电路8进行最大限度的回收，并将能量存储在超级电容14中，供控 制芯片10和无线模块3正常工作使用。状态监测单元4根据设备的振动情况来感知其工作状态，设备的振动峰值通过状 态监测电路6的峰值检测电路19进行检测，当出现异常情况时，振动峰值急剧增大，比较电 路20输出由低电平转为高电平并持续保持高电平，触发控制芯片10产生中断，启动无线模 块3发出表示设备故障的无线信号；故障消除后，状态监测电路6输出再由高电平转为低电 平，控制芯片10不再发出警报信号，恢复正常工作。在需要对设备运行状态进行评估而需 进行振动量采集时，可通过外部无线设备向装置发送采集指令，控制芯片10根据无线模块 3收到的指令闭合电子开关21，从而启动平时处于关闭状态的振动采集电路7，状态监测单 元4感知到的设备双极性振动信号通过全桥整流电路22和调理电路23转变为控制芯片10 电压采集范围内的单极性的半波振动信号进行A/D采集并通过无线模块3进行发送。本发明安装于转子设备地基中，无需外接传感器和信号调理设备，因此不会对设 备的正常工作产生影响；装置通过设备振动产生的振动能量驱动自身工作无需外接电源， 而且由于采用位于地基受压的压电状态监测单元感受振动，寿命长且不存在使用振动传感 器监测装置存在的定期维护问题；装置不仅能够对设备异常状态进行预警，而且可以通过外部无线装置唤醒控制芯片进行振动量采集，对设备运行状态进行评估，简单便捷且成本 低廉，对于转子设备正常运行、降低损失和维护成本有重要意义。
图1为本发明的结构原理框图。图2为本发明压电模块1的结构示意图。图3为本发明能量回收电路8的结构原理框图。图4为本发明状态监测电路6和振动采集电路7的结构原理框图。图5为本发明的控制流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。参照图1，一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置，包括压电模块1、回收控 制电路2和无线模块3，压电模块1和回收控制电路2连接，回收控制电路2和无线模块3 连接。参照图2，所述的压电模块1由状态监测单元4和能量回收单元5组成，分别用 于监测设备振动状态和提供装置工作所需电能，二者均由金属-压电陶瓷复合材料单体构 成，形状可以是钹型、带有狭缝的钹型或鼓型，状态监测单元4与能量回收单元5各自独立， 其中状态监测单元4仅包含一个单体，位于压电模块1中心，能非常有效感受设备振动，其 特点是输出电荷量较大而输出电压较低，方便调理且符合控制芯片10的A/D采集对电压的 要求，同时又有较高的振动测量灵敏度；能量回收单元5由至少两个单体并联而成，均衡地 分布在状态监测单元4周围，以状态监测单元4为中心呈中心对称分布，使设备运行过程中 产生的振动作用能够更好地作用于状态监测单元4，同时对瞬时的冲击干扰有一定的削弱 作用，保证振动信号能够很好地传递到状态监测单元4，输出准确表征设备振动的电信号， 提高振动监测精度，使用金属-压电陶瓷复合材料，有效放大了作用在复合材料中压电材 料上的作用力，能量回收单元5的均衡分布，使组成它的单体输出能量有较好的一致性，从 而高效回收设备振动产生的能量。压电陶瓷材料硬度高，装置工作时金属-压电陶瓷复合 材料单体内部的应力在0. 3MPa以内，变形微小，使得装置的安装不会对转子设备的正常工 作产生影响。所述的回收控制电路2包括状态监测电路6、振动采集电路7、能量回收电路8、稳 压电路9和控制芯片10，状态监测单元4的输出端和状态监测电路6的输入端及振动采集 电路7的信号输入端连接，状态监测电路6和振动采集电路7的输出端分别与控制芯片10 的第一中断引脚和第一 A/D引脚相连，能量回收单元5的输出端和能量回收电路8的能量 输入端连接，能量回收电路8的供能输出端和稳压电路9的输入端连接，稳压电路9的输出 端和控制芯片10的电源引脚连接，能量回收电路8的控制信号输出端和能量状态输出端分 别和控制芯片10的第二中断引脚和第二 A/D引脚连接，控制芯片10输出的第一控制引脚、 第一控制引脚分别和振动采集电路7的控制输入端和能量回收电路8的控制输入端连接， 控制芯片10与无线模块3通过标准接口连接，设备振动能量通过能量回收单元5产生交流 电压信号，经过能量回收电路8转为直流电压，并通过稳压电路9产生标准电压供回收控制电路2及无线模块3工作使用，控制芯片10根据能量回收电路8输入的能量状态信号和控 制信号控制能量回收电路8的工作方式，以最大回收效率回收振动能量。参照图3，所述的能量回收电路8包括全桥整流电路12、超级电容14、电流监控器 13、参考电压产生电路15、比较器16、高边驱动电路17及带有电感的双向电子开关11，能量 回收单元5两个输出端同时连接到带有电感的双向电子开关11两端和全桥整流电路12输 入端，全桥整流电路12正输出端通过电流监控器13连接到超级电容14和稳压电路9正输 入端，电流监控器13的输出直接连接到控制芯片10的第二 A/D引脚，稳压电路9的输出端 同时连接到参考电压产生电路15的输入端和控制芯片10的电源引脚，电流监控器12、参考 电压产生电路15的输出端分别连接至比较器16的同相和反相输入端，比较器16的输出端 连接到控制芯片10的第二中断引脚，控制芯片10输出的第二控制引脚连接到高边驱动电 路17的输入端，高边驱动电路17的输出端连接到带有电感的双向电子开关11的控制输入 端，超级电容14、稳压电路9、参考电压产生电路15、控制芯片10的负极均接地。参照图4，所述的状态监测电路6由全桥整流电路18、峰值检测电路19和比较电 路20组成，状态监测单元4的输出端连接到全桥整流电路18的输入端，全桥整流电路18 输出端连接到峰值检测电路19的输入端，峰值检测电路19的输出端输入到比较电路20的 输入端，比较电路20输出和控制芯片10的第一中断引脚连接。参照图4，所述的振动采集电路7由电子开关21、全桥整流电路22和调理电路23 组成，状态监测单元4的输出端通过电子开关21连接到全桥整流电路22的输入端，全桥整 流电路22的输出端连接到调理电路23的输入端，调理电路23的输出端连接到控制芯片10 的第一 A/D引脚，控制芯片10输出的第一控制引脚连接到电子开关21的控制输入端，通常 情况下控制芯片10断开电子开关21，电路不工作，只有在需要进行振动量采集时，电子开 关21才会闭合启动振动采集电路7进行工作。本发明的工作原理为本装置安装于转子设备振动特征明显的地基中，转子设备运行时，会产生周期性 的压力作用于设备地基，从而作用于压电模块1中由金属-压电陶瓷复合材料组成的状态 监测单元4和能量回收单元5上，从而将振动信息及振动能量转化为电压信号和电能输出， 能量回收单元5由多个复合材料单体组成，能够在振动作用下产生较多的电能并通过控制 芯片10控制的能量回收电路8进行最大限度的回收，并将能量存储在超级电容14中，供控 制芯片10和无线模块3正常工作使用。参照图5，在转子设备正常工作时，振动量平稳且基本稳定，不会产生较为剧烈的 振动，通过状态监测单元4产生的电压值也处于正常水平，状态监测电路6输入到控制芯片 10的信号持续为低电平，不产生故障中断信号，此时能量回收电路8以2倍于转子设备旋转 频率产生SSHI控制中断请求，当电流监控器13输出的表征输出电流的信号足够大且超级 电容14储能充足时，控制芯片10适时短暂闭合带有电感的双向电子开关11进行SSHI控 制，同时在中断中，控制芯片10也将表征转子设备运行正常的无线信号发出，之后进入低 功耗休眠模式。当设备出现偏心、碰磨、喘振等异常状态时，振动强度明显增加，作用于状态监测 单元4的振动明显加强，从而使其产生的电压峰值明显大于正常情况下的电压峰值，状态 监测电路6的峰值检测电路19得到此时的高电压峰值，与参考电压在比较电路20进行比较，由于此时电压峰值高于参考电压值，与控制芯片10相连的输入端即产生上升沿跳变并 持续高电平。上升沿触发控制芯片10产生故障中断，从休眠状态被唤醒后以高速高功率发 出表征设备出现异常状况的无线信号，警示需要进行故障排除，防止事故发生，产生损失， 并不断检测状态监测电路6是否持续保持高电平，如果持续高电平，将持续发出无限警报 信号。在任何情况下，故障中断拥有最高的中断优先级，发生故障中断后立即发送表征设备 出现异常状况的无线信号。在设备停机或者监测维修进行故障排除后，状态监测电路6输 入到控制芯片10的信号又转变为低电平，控制芯片检测到低电平后，停止发送故障信号， 进入正常休眠状态。在设备运行一段时间后需要对设备运行状态进行评估时，可利用外部无线装置发 送表征振动采集的数字信息至该装置，控制芯片10接收到无线信号后产生无线采集中断， 立即从休眠模式进入工作模式。为了尽量减少作用于能量回收单元5的并联SSHI控制方 法对振动采集的影响，控制芯片关闭SSHI控制功能，能量回收电路8进入标准的全桥整流 回收电路进行能量回收，同时闭合电子开关21将振动采集电路7与状态监测单元4连通， 状态监测单元感知的振动信号经过全桥整流电路22进行极性转化后经调理电路23转变为 控制芯10A/D采样转换范围内的电压进行高速A/D采集并通过无线发送，其采集到的信号 为半波振动信号，正半周相负半周间隔但均以正半周表现。数据采集结束后，控制芯片10 再次启用SSHI控制功能并断开电子开关，关闭振动采集电路7后进入休眠。附图中压电模块1 ；回收控制电路2 ；无线模块3 ；状态监测单元4 ；能量回收单元 5 ；状态监测电路6 ；振动采集电路7 ；能量回收电路8 ；稳压电路9 ；控制芯片10 ；双向电子 开关11 ；全桥整流电路12 ；电流监控器13 ；超级电容14 ；参考电压产生电路15 ；比较器16 ； 高边驱动电路17 ；全桥整流电路18 ；峰值检测电路19 ；比较电路20 ；电子开关21 ；全桥整 流电路22 ；调理电路23。
权利要求
1.一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置，包括压电模块(1)、回收控制电路(2) 和无线模块(3)，其特征在于压电模块⑴和回收控制电路(2)连接，回收控制电路(2)和 无线模块C3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置，其特征在于 所述的压电模块⑴包括状态监测单元⑷和能量回收单元(5)，状态监测单元(4)和能 量回收单元( 均由金属-压电陶瓷复合材料构成，状态监测单元(4)仅由一个复合材料 单体构成，能量回收单元(5)由至少三个复合材料单体并联而成，状态监测单元(4)位于 振动核心位置，能量回收单元(5)以状态监测单元(4)为中心，呈中心对称分布，所述的金 属-压电陶瓷复合材料是由两片铜片或其他金属片与夹在其中间的压电陶瓷复合而成的 材料。
3.根据权利要求1所述的一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置，其特征在于 所述的回收控制电路( 包括状态监测电路(6)、振动采集电路(7)、能量回收电路(8)、稳 压电路(9)和控制芯片(10)，状态监测单元(4)的输出端和状态监测电路(6)的输入端及 振动采集电路(7)的信号输入端连接，状态监测电路(6)和振动采集电路(7)的输出端分 别与控制芯片(10)的第一中断引脚和第一 A/D引脚相连，能量回收单元( 的输出端和能 量回收电路⑶的能量输入端连接，能量回收电路⑶的供能输出端和稳压电路(9)的输 入端连接，稳压电路(9)的输出端和控制芯片(10)的电源引脚连接，能量回收电路⑶的 控制信号输出端和能量状态输出端分别和控制芯片(10)的第二中断引脚和第二 A/D引脚 连接，控制芯片(10)输出的第一控制引脚、第一控制引脚分别和振动采集电路(7)的控制 输入端和能量回收电路(8)的控制输入端连接，控制芯片(10)与无线模块C3)通过标准接 口连接。
4.根据权利要求1所述的一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置，其特征在于 所述的能量回收电路⑶包括全桥整流电路(12)、超级电容(14)、电流监控器(13)、参考电 压产生电路(15)、比较器(16)、高边驱动电路(17)及带有电感的双向电子开关(11)，能量 回收单元( 两个输出端同时连接到带有电感的双向电子开关(11)两端和全桥整流电路 (12)输入端，全桥整流电路(1 正输出端通过电流监控器(1 连接到超级电容(14)和稳 压电路(9)正输入端，电流监控器(13)的输出直接连接到控制芯片(10)的第二 A/D引脚， 稳压电路(9)的输出端同时连接到参考电压产生电路(15)的输入端和控制芯片(10)的电 源引脚，电流监控器(1 、参考电压产生电路(1 的输出端分别连接至比较器(16)的同相 和反相输入端，比较器(16)的输出端连接到控制芯片(10)的第二中断引脚，控制芯片(10) 输出的第二控制引脚连接到高边驱动电路(17)的输入端，高边驱动电路(17)的输出端连 接到带有电感的双向电子开关(11)的控制输入端，超级电容(14)、稳压电路(9)、参考电压 产生电路(15)、控制芯片(10)的负极均接地。
5.根据权利要求1所述的一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置，其特征在于 所述的状态监测电路(6)由全桥整流电路(18)、峰值检测电路(19)和比较电路00)组成， 状态监测单元⑷的输出端连接到全桥整流电路(18)的输入端，全桥整流电路(18)输出 端连接到峰值检测电路(19)的输入端，峰值检测电路(19)的输出端输入到比较电路00) 的输入端，比较电路00)输出和控制芯片(10)的第一中断引脚连接。
6.根据权利要求1所述的一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置，其特征在于所述的振动采集电路⑵由电子开关(21)、全桥整流电路02)和调理电路03)组成，状态 监测单元的输出端通过电子开关连接到全桥整流电路0 的输入端，全桥整流 电路02)的输出端连接到调理电路03)的输入端，调理电路03)的输出端连接到控制芯 片(10)的第一 A/D引脚，控制芯片(10)输出的第一控制引脚连接到电子开关的控制 输入端。
全文摘要
一种转子设备的埋入式自供能无线监测装置，包括压电模块，压电模块和回收控制电路连接，回收控制电路和无线模块连接，本装置安装于转子设备振动特征明显的地基中，转子设备运行时，会产生周期性的压力作用于压电模块，再经过回收控制电路变为单极性的半波振动信号进行A/D采集并通过无线模块进行发送，本发明能够回收设备运行过程中产生的振动能量，并以此驱动自身工作，无需供电及额外的监测传感器和调理设备，有异常状态监控、振动量采集功能，同时具有安装方便、免于维护且成本低廉的优点。
文档编号H02N2/18GK102147283SQ201010603480
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年12月20日
发明者任晓龙, 曹军义, 曹秉刚 申请人:西安交通大学