面向采煤機自供電無線監測裝置的設計研究

劉鑫

摘 要：針對煤礦井下無線傳感器網絡所采用的傳統供電方式存在的弊端，設計研究振動能量供電的礦用無線監測節點的總體設計方案，并監測節點的硬件組成和原理進行分析研究，通過對傳感器電荷放大電路以及低通濾波電路的分析計算，提升監測精度，并為后續連采機振動測試實驗提供理論依據。

關鍵詞：振動能量;無線監測節點;低通濾波電路

鑒于煤礦井下作業環境的復雜惡劣，采用傳統的有線監測難以滿足現代化礦井的監測要求，振動能量收集技術和無線傳感網絡技術在煤礦監測的應用提高其可靠性，解決煤礦井下復雜環境中的設備監測問題。為此，諸多學者對此開展研究，張曉鵑[1]針對當前煤礦機械工作狀態監測系統的不足，提出了基于微能源技術實現煤礦機械設備工作狀態信息采集與發送系統自供電，結無線網絡傳輸和通用分組無線服務技術通信方式實現煤礦機械設備工作狀態監測系統自動化在線監測的發展方向。本文在已有研究的基礎上，對礦用無線監測節點結構以及硬件進行了研究，并為后續連采機振動測試實驗提供理論依據。

1 礦用無線監測節點總體設計方案

根據實際井下工作環境以及機械運轉狀況自主研制了振動能量供電的礦用無線監測節點，以采煤機為例，將無線監測節點布置于采煤機上，通過采煤機工作時產生的振動信號，振動能量以電能的方式儲存在單元中以供為監測節點供電，軟件以及硬件通過傳感器采集信號、發送以及處理顯示，達到實現采煤機振動狀態的檢測。通過大量的實踐以及試驗證明，振動能量供電的礦用無線監測節點應具備以下功能：

①無線監測節點的核心是芯片。由于煤礦井下作業環境復雜，監控系統的芯片性能應可靠，礦用無線監測節點選用CC2530芯片，采煤機運行所產生的振動信號通過壓電式加速度傳感器采集，傳感器采集的信號通過信號調節器處理，主芯片上的8051MCU將采集數據進行A/D 轉換，轉化后的數據通過ZigBee無線通訊技術傳動至協調器，數據經過協調器處理，最后顯示;②在信號采集的過程中，涉及到能量的轉化以及存儲，這一功能的實現依賴于壓電俘能器，壓電俘能器將信號進行采集以及轉化，最后以電能的形式存儲在單元格中，以供無線監測節點的供電;③鑒于煤礦井下作業環境惡劣和機械設備自身差異性，使得其具有極大的隨機性，又因為壓電俘能器工作頻率有限，因此節點在采集處理信號時，應該適當的降低信號采集頻率，以便后期數據傳送以及處理，適當增加睡眠時間可以實現無線節點的節能優化;出于采煤的安全性，無線監測節點必須安裝防爆裝置，以便節點通信以及電路的安全性，礦井應該根據實際情況設計制定合理的節點封裝工藝，最大化實現節點在煤礦開采中的應用價值。

本文以實現礦用無線監測節點為目標，以壓電俘能器為研究基礎，實現節點自俘能和采煤機狀態在線監測的功能。礦用振動能量供電的無線監測節點由仿真接口、硬件平臺以及軟件平臺三部分組成，不同部分之間通過數據通訊實現數據的傳送以及處理。硬件平臺主要有無線監測節點、無線傳感器、加速度傳感器以及壓電俘能器等模塊組成;軟件平臺主要有監測顯示界面和串口助手平臺。

2 礦用無線監測節點工作原理

無線監測節點的工作原理是采煤機在運行時，通過在采煤機上安裝的無線監測節點將采煤機的振動信號通過內部壓電俘能器轉化為電信號，并以電能的方式存儲，收集的電能經過能量收集電路整流、穩壓之后存儲于各個單元中，最后經過DC-DC 穩壓電源電路實現對振動能量供電的無線監測節點的供電。而對采煤機實現監測的功能則是將振動傳感器采集的信號經過采集處理等手段，通過調理電路的電路調理功能經過A/D 轉換模塊進行 A/D 轉換，后經 ZigBee 無線傳感模塊將轉換后數據發送到節點協調器;節點協調器通過串口將數據發送到上位機，進行數據轉換與實時顯示，實現采煤機振動狀態在線監測的功能。振動能量供電的礦用無線監測系統框架圖如圖1所示。

3 監測節點硬件設計

振動能量供電的礦用無線檢測節點功能實現的基礎是硬件的設計，硬件設計是基礎，硬件部分的完成包含有傳感器模塊的設計、無線通信模塊的設計和能量管理電路的設計。本文以傳感器模塊的設計為主，其作為無線監測節點的重要組成，傳感器的選擇設計對檢測節點的穩定性以及檢測精度有著重要影響。

監測系統傳感器的選型：

①因為礦用采煤機振動頻率以及幅度大等原因，傳感器應選擇振動傳感器，而壓電式傳感器因其動態檢測范圍大以及可靠性高等原因更適合復雜環境的檢測;②傳感器線性范圍應盡可能的大，線性范圍越大，檢測精度越高，因此在實際傳感器的選擇時，應該滿足振動加速度幅值在-20-20g 范圍之內;③采煤機在工作狀態下振動加速度幅值范圍為-20-20g，而A/D轉換的電壓為2.5V，傳感器的靈敏度精度應該滿足采煤機的工作狀態;對于礦用無線監測節點而言，其能量俘獲裝置中壓電材料阻抗較高，且外界振動環境復雜多變，振動能量收集裝置俘獲的能量有限，為了延長節點儲能單元工作壽命，需要傳感器具有較低的功耗。

壓電加速度傳感器是一個弱阻尼的器件，因此在其幅頻特性的較高頻率段會出現一個很高的共振峰，此峰值會在傳感器信號中引起高頻噪聲，會使輸入信號發生失真并產生一定程度的干擾。而對于振動狀態監測與故障診斷而言，采煤機搖臂中各部件故障頻率在 0-1000Hz 范圍內，在低頻范圍內，為了消除頻率較高的噪音，需在放大器中采用低通濾波器。因為礦用振動能量的無線監測節點頻率不高，固選擇用二階 RC 有源濾波器，其原理示意圖如圖2所示，二階 RC 有源濾波器結構簡單且易于調節。

其中，R1=R2=R，C1=C2=C，截止頻率f0=f2=1/2 ΠRC，首選電容C=0.1μF，通過截止頻率1kHz計算得到R=1.6KΩ，選取等效品質因數Q=1，計算得到Auf=2，則有Rf=R6=6.2 KΩ。

通過上述電路原件參數值得到二階低通濾波電路的頻率特性為：

通過研究，得知振動傳感器的振動頻率為0-1000Hz，二階有源低通濾波電路可消除高頻振動對于傳感器數據采集造成的干擾。根據電壓傳感器的工作原理，傳感器通過壓電材料進行工作，輸出的電荷最終轉化為電信號并進行放大，最后才可以進行信號的采集和處理。電荷放大電路如圖3所示，其由運算放大器和反饋網絡組成，電荷放大電路集成在CA-YD-168TE 傳感器中。

4 結論

本文針對采煤機故障發生原因及監測系統存在的問題，采用振動能量供電技術為為采煤機監測系統提供穩定能量，解決傳統監測系統體積和質量較大的問題。同時，提升監測節點的抗干擾能力和監測系統的穩定性。

參考文獻：

[1]張曉鵑.礦用重型采掘裝備振動傳感器優化配置方法[J].煤礦機械，2011，32（3）：173-175.