能量收集装置及自供能式提升机滚筒状态监测装置

本发明涉及一种能量收集装置及基于能量收集装置的自供能式提升机滚筒状态监测装置，属于自供能监测技术领域。

背景技术：

矿井提升装备是矿井的咽喉设备，其运行状态直接影响矿井正常工作和人员的生命安全。而发生过卷、卡罐等重大故障时，提升机滚筒表面应力会发生显著变化，因此，可以通过监测提升机滚筒表面应力的变化情况来判断矿井提升装备的运行状态。而无线传感器网络具有部署灵活以及自组织和容错的特点，完全可以胜任监测滚筒表面应力这项任务。传感器节点是传感器网络的重要组成部分，传统的无线传感器节点依靠电池供能，供能电池存在寿命短、充电时间长、更换成本高等问题，这使得处于恶劣环境中的传感器节点进行定期更换电池变得不现实。因此，迫切需要一种切实可行的自供能方法来代替传统无线传感器节点依赖电池供电的现状。

压电式能量收集器的出现为实现节点自供能提供了新途径，由于其具备体积小、功率密度大等优点而引起了许多学者的关注，但是现有的压电式能量收集装置仍不适用于提升机滚筒。例如：旋转碰撞接触式压电能量收集装置，在碰撞的过程中不仅会有能量损耗，更重要的是长时间的碰撞可能会引起压电片的破裂，从而影响发电性能，甚至导致装置失效；压电风致振动能量收集装置将滚筒旋转过程中产生的风能作为动力源进行压电能量收集，这种方法获取能量的效率较低，需要较长时间才能达到为传感器节点供能的目的；而通过增加磁铁可以提升压电能量收集装置的发电性能，但是目前很少有学者将磁力相关的压电式能量收集装置引入到提升机滚筒。

此外，提升机滚筒表面用于监测应力变化的节点布置策略也不明确。为此，我们提出了一种用于提升机滚筒状态监测的能量收集装置及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对以上技术现状，提供一种能够代替传统的电池供能方式、具有较高的能量转化效率且可以持续地为布置于提升机滚筒表面上的无线传感器节点供能的能量收集装置。本发明的另一个技术目的是，基于上述的能量收集装置，以对提升机滚筒的工作状态进行监测。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种能量收集装置，通过可旋转构件的旋转运动来触发能量收集，进而获得周期性压电信号，包括圆盘以及设置在圆盘上的非接触压电式能量收集模块，其中：

所述的非接触压电式能量收集模块，包括悬吊式压电组件以及用于激励悬吊式压电组件产生周期性压电信号的磁性组件；

所述的圆盘，能够随着可旋转构件的旋转运动而同步旋转；

所述的悬吊式压电组件，包括压电悬臂梁，压电悬臂梁的一端可旋转地设置在圆盘的中部位置处，另一端则悬垂设置，且压电悬臂梁的悬垂端部设置有第一磁性块；

所述的磁性组件，包括若干个；各磁性组件均布在圆盘的盘面上，且每一个磁性组件均包括有第二磁性块；

压电悬臂梁在圆盘随着可旋转构件旋转的过程中，始终处于悬垂状态；

固定在圆盘上的任意磁性组件所具有的第二磁性块，在随着圆盘旋转的过程中，处于第一磁性块的磁力作用范围内时，均能够通过第一磁性块对压电悬臂梁产生激振力，进而转换为周期性压电信号。

优选地，第二磁性块通过磁力调节螺栓固定在圆盘上。

优选地，圆盘上周向均布有若干螺纹孔；磁力调节螺栓包括螺柱以及与螺柱配合的螺母；螺柱配装在螺纹孔中并通过螺母锁紧，第二磁性块固定在螺柱上。

优选地，压电悬臂梁通过配重块与旋转模块的吊耳连接，旋转模块的旋转轴定位支撑于圆盘中部位置处所设置的轴承中。

本发明的另一个技术目的是提供一种自供能式提升机滚筒状态监测装置，基于上述的能量收集装置而构建，具体是，在提升机滚筒侧面的辐板上均布有3个以上的无线传感器节点，并针对每一个无线传感器节点均在辐板上设置有一个能量收集装置；

所述的无线传感器节点，用于提升机滚筒表面应力信息的采集和发送；

所述的能量收集装置，能够通过提升机滚筒的旋转运动触发自身的能量收集，进而转换为周期性的电压信号，包括圆盘以及设置在圆盘上的非接触压电式能量收集模块，其中：

所述的非接触压电式能量收集模块，包括悬吊式压电组件以及用于激励悬吊式压电组件产生周期性压电信号的磁性组件；

所述的圆盘，能够随着提升机滚筒的旋转运动而同步旋转，且在圆盘随着提升机滚筒的同步旋转过程中，无线传感器节点在辐板上的布置数量，满足各无线传感器节点均能够处于提升机滚筒辐板的应力最高点和应力最低点；

所述的悬吊式压电组件，包括压电悬臂梁，压电悬臂梁的一端可旋转地设置在圆盘的中部位置处，另一端则悬垂设置，且压电悬臂梁的悬垂端部设置有第一磁性块；

所述的磁性组件，包括若干个；各磁性组件均布在圆盘的盘面上，且每一个磁性组件均包括有第二磁性块；

压电悬臂梁在圆盘随着可旋转构件旋转的过程中，始终处于悬垂状态；

固定在圆盘上的任意磁性组件所具有的第二磁性块，在随着圆盘旋转的过程中，处于第一磁性块的磁力作用范围内时，均能够通过第一磁性块对压电悬臂梁产生激振力，进而转换为周期性压电信号；

压电悬臂梁转换形成的周期性压电信号分为两路，分别为第一路、第二路周期性压电信号，第一路周期性压电信号经能量管理模块处理后，为负载供能，第二路周期性压电信号则经msp430处理器处理后，用于判断提升机滚筒的工况；

所述负载包括无线传感器节点、msp430处理器。

优选地，所述的能量管理模块集成有能量管理电路，所述能量管理电路包括整流滤波模块、降压转换模块、升压转换模块、模式自主切换模块、电池充放电保护模块；

所述的整流滤波模块，能够对所输入的第一路周期性压电信号进行整流滤波，并转换为稳定的直流电信号；

所述的降压转换模块，用于将输入的高电压转换为适用于msp430处理器的低电压；

所述的升压转换模块，用于将电池模块有效工作电压升压至无线传感器节点所需的额定电压；

所述的模式自主切换模块，通过判断能量收集装置所收集到的能量是否大于负载消耗的能量来进行供能模式切换，当能量收集装置所收集到的能量大于负载消耗的能量，采用能量收集装置供能模式；当能量收集装置所收集到的能量小于负载消耗的能量，采用电池模块供能模式。

优选地，msp430处理器通过换算第二路周期性电压信号，以获得当前交流电信号的频率值f，进而计算得到提升机滚筒的转速计算值r，通过比较提升机滚筒的预设转速限定值r0与转速计算值r，判断当前提升机滚筒的工作状态并进行调整。

优选地，第二磁性块通过磁力调节螺栓固定在圆盘上。

优选地，圆盘上周向均布有若干螺纹孔；磁力调节螺栓包括螺柱以及与螺柱配合的螺母；螺柱配装在螺纹孔中并通过螺母锁紧，第二磁性块固定在螺柱上。

优选地，压电悬臂梁通过配重块与旋转模块的吊耳连接，旋转模块的旋转轴定位支撑于圆盘中部位置处所设置的轴承中。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供一种能量收集装置，基于非接触式压电效应而产生周期性压电信号的技术原理而构建，其可以通过可旋转构件的旋转运动来触发能量收集，进而获得周期性压电信号。因此，适用于提升机滚筒监测装置中，各负载供能的需求，解决传统依赖电池供电的无线传感器节点存在寿命短的问题，且安全可靠。

2、本发明所述的能量收集装置，不局限于提升机滚筒的转动频率，改变磁力调节螺栓的数量即可改变激振力频率，从而匹配压电悬臂梁的共振频率，适应环境能力更强。

3、本发明所述的自供能式提升机滚筒状态监测装置，一方面采用上述的能量收集装置为各负载进行供电，另一方面还提供了一种传感器节点布置策略，可以用于提升机滚筒应力的监测。

4、本发明所述的能量收集装置所收集到的周期性压电信号，一部分可以用于各负载供电，另一部分可以用于提升机滚筒转速的自动测量，即本发明为其他节点提供能量的同时实现提升机滚筒转速的自动测量，进而反映提升机滚筒的运行状态，保障了提升容器的安全运行。

附图说明

图1是本发明所述能量收集装置的结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3a是图2中重物的正视图；图3b是图2中重物的立体结构示意图；

图4a是图2中旋转模块的正视图；图4b是图2中旋转模块的立体结构示意图；

图5是本发明所述能量收集装置磁性块数量不同时开路电压随时间变化的曲线图；

图6是本发明所述的基于能量收集装置的提升机滚筒状态监测装置的结构示意图；

图7是本发明所述的基于能量收集装置的提升机滚筒状态监测方法的流程图；

图8是图7中能量管理模块的结构示意图；

图9是图7中能量管理电路的示意图；

图10是有交流输入时的能量管理电路仿真图；

图11是无交流输入时（仅电池供电）的能量管理电路仿真图；

图中：0、提升滚筒；1、圆盘；2、磁力调节螺栓；3、压电悬臂梁；4、悬垂重物；5、轴承；6、紧固螺栓；7、第二磁性块；8、第一磁性块；9、固定模块；10、锁紧螺栓；11、能量管理模块；12、旋转模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，出于方便说明的目的，垂向、横向与纵向为两两垂直的方向，垂向上的两个方向分别为上下方向。

如图1所示，公开了一种自供能式提升机滚筒状态监测装置，以实现提升机滚筒工作状态的自供能式监测。具体地，本发明在提升机滚筒侧面的辐板上分别设置有能量收集装置以及无线传感器节点，其中，所述无线传感器节点，用于提升机滚筒表面应力信息的采集和发送，所述的能量收集装置，布置于无线传感器节点周边，能够将提升机滚筒的旋转运动转换为周期性的电压信号（交流电信号），主要用于无线传感器节点以及负载（主要是msp430处理器）的供能，由此可知，本发明无需对无线传感器节点进行额外供能，具有自供能的优势。

提升机滚筒在旋转过程中表面应力是周期性变化的，而且最大应力值主要集中于上表面，尽管下表面的应力值也在时刻变化，但是变化的幅度远小于上表面。因此，为了获得准确可靠的应力，需要均匀布置至少3个无线传感器节点，从而保证每个无线传感器节点都可以处于提升机滚筒辐板的上表面（应力最高点）和下表面（应力最低点），以达到传递提升机滚筒在旋转过程中所处不同位置的应力信息的目的。对于每一个无线传感器节点，均在该无线传感器节点的外侧布置一个对应的能量收集装置进行能量收集并供电。

如图2-4所示，本发明所述的能量收集装置，为非接触压电式旋转能量收集装置，包括圆盘、旋转模块以及非接触压电式能量收集模块，其中：

所述的圆盘，固定在提升机滚筒侧面的辐板上，并在中部位置处设置有轴承，所述轴承通过紧固螺栓固定在圆盘上。

所述的旋转模块，如图4a、4b所示，包括旋转块体，该旋转块体上分别设置有旋转轴以及吊耳，旋转轴通过轴承定位支撑，换句话来讲，所述的旋转块体通过旋转轴与轴承的配合，而可旋转地安装在圆盘上。

所述的非接触压电式能量收集模块，包括两部分，分别为悬吊式压电组件以及用于激励悬吊式压电组件产生周期性压电信号的磁性组件，其中：

所述的悬吊式压电组件，包括压电悬臂梁，压电悬臂梁的上端通过配重块与旋转块体上的吊耳固定，压电悬臂梁的下端悬置，且压电悬臂梁在紧靠着下端的位置处设置有第一磁性块。配重块为重物4，所述的旋转模块12中旋转轴15与轴承5过盈配合，与重物4通过螺栓10固定，用于保证重物4与圆盘1产生相对运动。

所述的磁性组件，如图1、图2所示，具有若干个，均布在圆盘紧靠着边缘位置处的盘面上，各磁性组件均包括第二磁性块以及磁力调节螺栓，第二磁性块固定在磁力调节螺栓的螺柱上，并与第一磁性块面对面设置，磁力调节螺栓的螺柱与圆盘螺纹配合连接，并通过磁力调节螺栓的螺母锁紧。

之所以需要旋转块体相对于圆盘旋转，原因在于，在圆盘随着提升机滚筒的旋转而旋转的过程中，在配重块提供的重力配合下，能够通过旋转模块带动压电悬臂梁反向旋转（相对运动），促使压电悬臂梁始终处于悬垂状态（保持静止），固定在磁力调节螺栓上的第二磁性块，与固定压电悬臂梁自由端的第一磁性块相互作用，产生周期性激振力。当压电悬臂梁产生振动时，机械振动能则被转换为电能。最后，产生的电能一部分经能量管理模块滤波整流后进行存储，另一部分经过测频电路反馈当前提升机滚筒的转速，进而反映提升机滚筒的运行状态，工作人员可将此时转速信息与限定转速进行比较，保障了提升容器的安全运行，意义重大。

基于上述的能量收集装置，可知本发明的供能方法是：将能量收集装置1固定于提升机滚筒0上，当提升机滚筒0转动时，圆盘1随着提升机滚筒0一起转动，旋转模块12在重物4重力g作用下保持静止，固定在磁力调节螺栓2上的第一磁性块7，与固定于旋转机构上压电悬臂梁3自由端的第二磁性块8相互作用，产生周期性激振力，使得压电悬臂梁3产生振动，从而将机械振动能转换为电能，产生的电能经能量管理模块11整流滤波等处理后进行存储以及为负载供能。

所述圆盘1周边开设呈圆周径向均匀布置的螺纹孔，其数目不唯一，可根据实际需求经过初步计算后进行选择，其材料为铝合金。所述圆盘1位于提升机滚筒0表面，与提升机滚筒0相对固定并跟随其同步旋转，用于保证旋转模块12和重物4在既定的轨道内运动。

所述的磁力调节螺栓2与圆盘1上开设的螺纹孔进行配合，利用螺旋传动原理可以调节第一磁性块与第二磁性块之间的作用距离。所述的第一磁性块7和第二磁性块8均采用磁铁块。第一磁性块7位于磁力调节螺栓2表面，通过与固定于重物4上压电悬臂梁1自由端的第二磁性块8相互作用，产生周期性激振力，使得压电悬臂梁产生振动，从而将振动能转换为电能。同时，可以通过调节磁力调节螺栓2的高度来调节磁力的大小。

所述的轴承5位于圆盘1的中心，通过左右对称的两个螺栓6与圆盘1固定，用于固定和支撑旋转机构，安装方式简单。

所述的重物4通过孔14和孔16与旋转模块12进行定位，并利用螺栓10固定，用于保证旋转模块12依靠自身重量保持静止。

所述的压电悬臂梁3的固定端通过固定模块9和螺栓10固定于重物4表面的定位螺纹孔13上，用于将机械振动能转换为电能，并利用能量管理模块11经整流、滤波后进行电能存储以及负载供能。

所述的能量管理模块11位于旋转模块12外侧，用于将压电悬臂梁3产生的交流电压进行整流、滤波后进行存储。

为便于理解上述发明的技术方案，以下通过具体使用方式对所述能量管理模块11的技术方案进行详细说明。

图7为所提出的提升机滚筒状态监测方法流程图，能量收集装置1产生的交流电信号一部分进入能量管理模块11，主要用于为无线传感器节点、msp430处理器以及信号前处理供能；另一部分经信号前处理将产生的正弦交流信号转换为msp430处理器可以检测的方波信号，即通过检测在单位时间内高低脉冲的周期来换算得到当前交流电信号的频率值，然后根据磁铁的数量与提升机滚筒0转速的关系，求得提升机滚筒0自身转速r，表示为：。

所述提升机滚筒0的转速可以进一步反应提升容器此时的运行状态。当发生卡罐、坠罐甚至断绳等事故时，提升容器的转速也会有所不同，因此，提升机滚筒0的转速监测显得非常必要。当提升机滚筒0转速信息经msp430处理器传送至上位机后，工作人员可将此时转速信息与限定转速进行比较，保障了提升容器的安全运行，意义重大。其结果主要可反映两种状态：

1、提升机滚筒0此时的运行速度超过限定速度，进一步说明提升容器此时处于超速状态，工作人员应减小提升机滚筒0当前转速；

2、提升机滚筒0此时的运行速度在限定速度范围之内，进一步说明提升容器处于正常运行状态，工作人员无需对提升机滚筒0转速进行调整；

图8为能量管理模块的结构示意图，能量管理模块1作为主能量源，用来为负载供能；电池模块作为次能量源，用于存储能量管理模块1额外的能量。存储的能量用于当能量收集装置1无能量输入时，满足负载的能量需求，进一步提高能量供给的稳定性。

图9为所述的能量管理电路，能量收集装置1产生的交流电经ac1、ac2端口进入能量管理电路，然后经处理后的电信号经vout、gnd端口供给负载。最后，以收集到的能量是否大于负载消耗的能量为判断依据，选择是否流经bat-in、gnd端口为电池模块充电。

所述的能量管理电路具有整流滤波、降压转换、升压转换、模式自主切换、电池充放电保护等功能。除此之外，自身功耗低，能量转换效率高。所述的整流滤波功能主要用于对能量收集装置输入的交流电信号进行整流滤波，即将其转换为稳定的直流电信号；所述的降压转换用于将输入的高电压转换为适用于负载的低电压。如图5所示，可知，不同数量磁性块下能量收集装置收集到的电压均达到了10v以上，换句话来讲，能量管理模块收集的电压信号一般大于10v，而msp430处理器所需的供电电压为3.3v，所以需要对输入电压进行降压转换；所述的升压转换主要用于将电池模块有效工作电压升压至节点额定电压；所述的模式自主切换主要包括两个工作模式。当能量收集装置1输出的能量大于负载消耗的能量时进入工作模式一，即能量收集装置1为负载供电的同时将多余的电能供给电池模块进行充电；当能量收集装置1输出的能量小于节点消耗的能量时进入工作模式二，即负载由电池模块供电，进而通过能量管理电路实现两种模式的自主切换。

为了进一步验证所设计的能量管理电路的可行性，图10-图11为使用lt-spice仿真软件对所述的能量管理电路进行的仿真结果。其中，图10为设置输入幅值为10v，频率为200hz的正弦波时，能量管理电路的输入输出情况。能量管理电路的输出为持续稳定的3.3v直流电压，完全满足msp430处理器的供电需要，同时，输出为稳定的4.2v，成功实现了将额外电压存储到电池模块的功能，进一步保证了电路的可靠性。图11为能量收集装置1不足以满足负载功耗时，能量管理电路的工作状态。电池模块直接对负载进行供电，并且输出为持续稳定的3.3v直流电压，同样满足msp430处理器的供电需要。因此，所设计的能量管理电路可以持续稳定的为msp430处理器进行供能，并将能量收集装置1收集到的额外的能量存储到电池模块中，以满足能量收集装置1无交流输入时负载的供电需求。

为了使得压电悬臂梁3的发电性能最佳，本发明做了如下假设：

假设压电悬臂梁3的固有频率为fnhz，提升机滚筒0的旋转频率为fhz，当f=fn时，发生共振，压电悬臂梁3的振幅达到最大，此时压电悬臂梁3的发电性能最佳。

假设磁力调节螺栓2的数量为n，则提升机滚筒0的最佳旋转频率为f/n，当提升机滚筒0的旋转频率不易调节时，可以通过调节磁力调节螺栓2的数量来使系统达到共振，以实现最佳发电量。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，而非对其限制，对于本技术领域的技术人员来说,凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。