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提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置的制作方法

文檔序號(hào):5959170閱讀:461來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)裝置,特別是一種提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置。
背景技術(shù)
目前,對(duì)提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)都是通過(guò)對(duì)提升鋼絲繩力的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。提升鋼絲繩張力的檢測(cè)方法包括直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。直接檢測(cè)法是在提升容器頂端安裝鋼絲繩張力檢測(cè)裝置,該裝置由傳感器、信號(hào)采集模塊、無(wú)線發(fā)射模塊和蓄電池構(gòu)成。檢測(cè)的鋼絲繩張力信號(hào)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送,由井口的接收模塊接受后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到鋼絲繩張力。檢測(cè)與鋼絲繩張力的傳感器主要有以下三種拉力傳感器,串聯(lián)在提升鋼絲繩提升容器間;三點(diǎn)式鋼絲繩張力傳感器;油壓傳感器,適用于提升容器與鋼絲繩之間有液壓平衡裝置的多繩摩擦提升機(jī)。直接檢測(cè)法主要存在四點(diǎn)缺陷無(wú)線通信在井筒中的傳輸距離短,當(dāng)井筒深度超過(guò)500米,無(wú)法實(shí)現(xiàn)可靠的通信;蓄電池需要定期更換,維護(hù)不便;傳感器安裝維護(hù)不便;拉力傳感器靈敏度低,張力傳感器會(huì)加劇鋼絲繩的疲勞磨損,油壓傳感器只適合用于提升容器與鋼絲繩直接有液壓平衡裝置的場(chǎng)合。間接檢測(cè)法是在天輪的軸承底座上安裝測(cè)力傳感器來(lái)檢測(cè)鋼絲繩張力。該方法要求測(cè)力傳感器具有結(jié)構(gòu)實(shí)用性、功能實(shí)用性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高可靠性。傳感器研制困難、成本很高,而且很難安裝。當(dāng)傳感器毀壞時(shí)也很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn),目前通過(guò)提升鋼絲繩張力的檢測(cè)來(lái)反映提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的方法主要存在以下缺陷傳感器安裝不便,檢測(cè)系統(tǒng)維護(hù)困難;檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用具有一定的局限性,不能應(yīng)用于深井檢測(cè);蓄電池供電的方案需要定期更換電池,維護(hù)不便;現(xiàn)有傳感器存在成本高、靈敏度低、對(duì)鋼絲繩有損害等問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要提供一種無(wú)需維護(hù)、能夠應(yīng)用于深井檢測(cè)、傳感器壽命無(wú)限、成本低、靈敏度高、對(duì)鋼絲繩無(wú)損害的提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置。本發(fā)明的提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置,包括提升機(jī)滾筒、應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)、應(yīng)力無(wú)線傳感器冗余節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、USB接口和工控機(jī);應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)間隔性地均勻固定在提升機(jī)滾筒上,匯聚節(jié)點(diǎn)固定在提升機(jī)操作臺(tái)外殼上,匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB接口與工控機(jī)相連。所述的應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)均由微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、同步電荷提取電路、Buck-Boost調(diào)壓器、應(yīng)變片、信號(hào)調(diào)理電路、MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器、PCB天線、時(shí)鐘芯片和電源模塊構(gòu)成;應(yīng)變片與信號(hào)調(diào)理電路連接,信號(hào)調(diào)理電路的輸出端與MCU微控芯片的輸入端連接,MCU微控芯片的輸出端與UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器連接,時(shí)鐘芯片輸出端與MCU微控芯片相連,UffB無(wú)線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接,微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)與同步電荷提取電路連接,同步電荷提取電路與電源模塊連接,電源模塊與Buck-Boost調(diào)壓器連接,Buck-Boost調(diào)壓器與信號(hào)調(diào)理電路、MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片與時(shí)鐘芯片連接。所述的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī),所述的微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)由硅襯底、壓電復(fù)合梁和質(zhì)量塊組成;壓電復(fù)合梁采用懸臂梁結(jié)構(gòu),采用微加工技術(shù)將一端固定于娃襯底上,壓電復(fù)合梁中含有多層PZT壓電片,每一層PZT壓電片的上下表面均有金屬電極用于收集電荷,其中每?jī)蓪覲ZT壓電片之間的金屬電極共用;質(zhì)量塊位于壓電復(fù)合梁自由端。所述的匯聚節(jié)點(diǎn)由MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器、USB接口電路、PCB天線、時(shí)鐘芯片、AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊和低壓差線性穩(wěn)壓器構(gòu)成;MCU微控芯片的輸出端與UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器和USB接口電路相接,時(shí)鐘芯片與MCU微控芯片相連,UWB無(wú)線收發(fā)芯片與PCB天線連接,與交流電連接的AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊輸出端與低壓差線性穩(wěn)壓器連接,低壓差線性穩(wěn)壓器與MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片和時(shí)鐘芯片連接。有益效果,由于采用了上述方案,采用微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)和鋰電池混合結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電,使得各組件優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)用能量收集器一微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為系統(tǒng)的能量源,它可以輸出無(wú)限的能量,但是功率不足以直接向無(wú)線傳感器供電,而電池的輸出功率較高,但是存儲(chǔ)的能量有限,因此將其作為功率緩存使用,需要時(shí)則輸出功率,其它時(shí)間不斷從收集器接受電荷;所述的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)俘獲滾筒旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)的風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)換為電能,由于空氣有粘性,粘性的存在使?jié)L筒表面附近的氣體隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),滾筒的速度一般為幾米每秒到十幾米每秒,遠(yuǎn)小于聲速,所以可以將滾筒附近隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體看作理性不可壓縮流體。滾筒在粘性不可壓縮流體中繞軸旋轉(zhuǎn),粘性引起的氣體的圓形流線運(yùn)動(dòng)等價(jià)于點(diǎn)渦誘導(dǎo)的理想流體無(wú)旋流動(dòng)的流場(chǎng)。假定滾筒的速度為tv滾筒表面的氣體附著在滾筒表面以速度繞滾筒軸線旋轉(zhuǎn),與滾筒相對(duì)靜止,其上的氣體流速隨旋轉(zhuǎn)半徑的增加反比例減少。質(zhì)量塊位于壓電懸臂梁自由端,調(diào)節(jié)壓電復(fù)合梁的頻率,并作為鈍體在風(fēng)中形成旋渦,漩渦脫落引起質(zhì)量塊的振動(dòng),引起壓電懸臂梁的變形,進(jìn)而引起壓電內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的變化,由于壓電效應(yīng),壓電層的上下電極之間將產(chǎn)生變化的電勢(shì)差,實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的供電。(I)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)、應(yīng)力無(wú)線傳感器冗余節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)提升機(jī)滾筒應(yīng)力檢測(cè);(2)基于MEMS微能源技術(shù),通過(guò)微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)與鋰電池結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)線應(yīng)力傳感器節(jié)點(diǎn)供電,實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)需維護(hù),壽命無(wú)限的優(yōu)點(diǎn),并且減小了節(jié)點(diǎn)尺寸;(3)該提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)方法與裝置不會(huì)給提升系統(tǒng)帶來(lái)任何安全隱患,安
全可靠;(4)采用UWB超寬帶無(wú)線通信技術(shù),具有很高的通信速率和通信可靠性,系統(tǒng)響應(yīng)快速,功耗低;(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性強(qiáng),可靠性高,安裝簡(jiǎn)單、無(wú)需維護(hù)、成本低、靈敏度高、能夠用于深井檢測(cè)。[0016]無(wú)需維護(hù)、能夠應(yīng)用于深井檢測(cè)、傳感器壽命無(wú)限、成本低、靈敏度高、對(duì)鋼絲繩無(wú)損害,達(dá)到本發(fā)明的目的。優(yōu)點(diǎn)該提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)的檢測(cè)裝置不會(huì)給提升機(jī)帶來(lái)任何安全隱患,安全可靠;傳感器網(wǎng)絡(luò)采用冗余構(gòu)架,即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障也不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行;采用混合結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)供電,使得各組件優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)了傳感器永久供電。而且基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)不需要轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于采用微硅加工技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn),成本低,與鋰離子電池組合成混合結(jié)構(gòu),極大的節(jié)省了空間。

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;圖2是本發(fā)明的應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖;圖3是本發(fā)明的應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖;圖4是本發(fā)明的壓電風(fēng)力發(fā)電微系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖;圖5是本發(fā)明的同步電荷提取電路的電路圖;圖6是本發(fā)明的Buck-Boost調(diào)壓器的電路圖;圖7是本發(fā)明的鋰電池保護(hù)電路的電路圖;圖8是本發(fā)明的匯聚節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。圖中1、應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn);2、應(yīng)力無(wú)線傳感器冗余節(jié)點(diǎn);1(2) —1、應(yīng)力無(wú)線傳感器和同步電荷提取電路;I (2) — 2、壓電復(fù)合梁;I (2) — 3、質(zhì)量塊;I (2) — 4、硅襯底;3、提升機(jī)滾筒;4、匯聚節(jié)點(diǎn);5、USB總線;6、工控機(jī);7、操作臺(tái)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 :本發(fā)明包括裝置和方法,該裝置包括提升機(jī)滾筒、應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)、應(yīng)力無(wú)線傳感器冗余節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、USB接口和工控機(jī);應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)間隔性地均勻固定在提升機(jī)滾筒上,匯聚節(jié)點(diǎn)固定在提升機(jī)操作臺(tái)外殼上,匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB接口與工控機(jī)相連。所述的應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)均由微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、同步電荷提取電路、Buck-Boost調(diào)壓器、應(yīng)變片、信號(hào)調(diào)理電路、MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器、PCB天線、時(shí)鐘芯片和電源模塊構(gòu)成;應(yīng)變片與信號(hào)調(diào)理電路連接,信號(hào)調(diào)理電路的輸出端與MCU微控芯片的輸入端連接,MCU微控芯片的輸出端與UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器連接,時(shí)鐘芯片輸出端與MCU微控芯片相連,UffB無(wú)線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接,微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)與同步電荷提取電路連接,同步電荷提取電路與電源模塊連接,電源模塊與Buck-Boost調(diào)壓器連接,Buck-Boost調(diào)壓器與信號(hào)調(diào)理電路、MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片與時(shí)鐘芯片連接。所述的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī),所述的微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)由硅襯底、壓電復(fù)合梁和質(zhì)量塊組成;壓電復(fù)合梁采用懸臂梁結(jié)構(gòu),采用微加工技術(shù)將一端固定在娃襯底上,壓電復(fù)合梁中含有多層PZT壓電片,每一層PZT壓電片的上下表面均有金屬電極用于收集電荷,其中每?jī)蓪覲ZT壓電片之間的金屬電極共用;質(zhì)量塊位于壓電復(fù)合梁自由端。所述的匯聚節(jié)點(diǎn)由MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器、USB接口電路、PCB天線、時(shí)鐘芯片、AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊和低壓差線性穩(wěn)壓器構(gòu)成;MCU微控芯片的輸出端與UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器和USB接口電路相接,時(shí)鐘芯片與MCU微控芯片相連,UWB無(wú)線收發(fā)芯片與PCB天線連接,與交流電連接的AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊輸出端與低壓差線性穩(wěn)壓器連接,低壓差線性穩(wěn)壓器與MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片和時(shí)鐘芯片連接。圖1中,提升機(jī)滾筒應(yīng)力檢測(cè)裝置主要有6個(gè)應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)、6個(gè)應(yīng)力無(wú)線傳感器冗余節(jié)點(diǎn)、提升機(jī)滾筒、匯聚節(jié)點(diǎn)、USB接口和工控機(jī)構(gòu)成。12個(gè)應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)間隔性地均勻固定在提升機(jī)滾筒的邊緣,用于檢測(cè)滾筒的應(yīng)力,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要,應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可增加或減少;在提升機(jī)操作臺(tái)外殼上固定一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn),用于接收應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)發(fā)送的應(yīng)力數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷,數(shù)據(jù)正常則進(jìn)行預(yù)處理,之后通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī),當(dāng)數(shù)據(jù)異常或工作節(jié)點(diǎn)未發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),匯聚節(jié)點(diǎn)則要求故障節(jié)點(diǎn)5s內(nèi)做出正常響應(yīng),否則就棄之并打開(kāi)冗余節(jié)點(diǎn)代替故障節(jié)點(diǎn)完成對(duì)提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)的檢測(cè);工控機(jī)將接收的信息分析處理得到提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)信肩、O圖2中,基于風(fēng)致振動(dòng)的微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)與應(yīng)力無(wú)線傳感器集成于一體。微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)由壓電復(fù)合梁、質(zhì)量塊及硅襯底構(gòu)成。壓電復(fù)合梁采用懸臂梁結(jié)構(gòu),采用微加工技術(shù)將一端固定在娃襯底上。壓電復(fù)合梁中含有多層PZT壓電片,用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)內(nèi)阻抗或提高發(fā)電機(jī)的輸出特性,每一層壓電層的上下表面均有金屬電極用于收集電荷,其中每?jī)蓪訅弘妼又g的金屬電極共用。質(zhì)量塊位于壓電懸臂梁自由端,調(diào)節(jié)壓電復(fù)合梁的頻率,并作為鈍體在風(fēng)中形成旋渦,漩渦脫落引起質(zhì)量塊的振動(dòng),引起壓電懸臂梁的變形,進(jìn)而引起壓電內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變的變化,由于壓電效應(yīng),壓電層的上下電極之間將產(chǎn)生變化的電勢(shì)差,實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的供電。在圖3中,無(wú)線應(yīng)力傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)均由微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、同步電荷提取電路、Buck-Boost調(diào)壓器、應(yīng)變片、信號(hào)調(diào)理電路、MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器、PCB天線、時(shí)鐘芯片及電源模塊構(gòu)成。應(yīng)變片由4片構(gòu)成,其中兩片用于檢測(cè)周向和徑向應(yīng)變,另兩個(gè)用于溫度補(bǔ)償,四個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成全橋電路。信號(hào)調(diào)理電路由濾波放大電路構(gòu)成,將全橋電路輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成0-5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入MCU微控芯片。MCU微控芯片選用MSP430F1611低功耗芯片,該芯片內(nèi)部集成8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM中。時(shí)鐘芯片選用X1226,用于定時(shí)喚醒MCU微控芯片采集應(yīng)力數(shù)據(jù)。UWB無(wú)線收發(fā)芯片選用XS110,該芯片的無(wú)線信號(hào)發(fā)送頻率為3. 1GHz,通信速率為110M/S,用于將MCU微控芯片采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)通過(guò)PCB天線發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。采用混合結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力無(wú)線傳感器供電,使得各組件優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)用能微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為系統(tǒng)的能量源,它可以輸出無(wú)限的能量,但是功率不足以直接向無(wú)線傳感器供電,而電池的輸出功率較高,但是存儲(chǔ)的能量有限,因此將其作為功率緩存使用,需要時(shí)則輸出功率,其它時(shí)間不斷從收集器接受電荷。壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)、鋰離子電池和應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)具有不同的電壓和電流特性。這里通過(guò)間歇式涓流同步電荷提取電路周期性地將壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)上積累的電荷轉(zhuǎn)移到鋰離子電池中,實(shí)現(xiàn)為鋰離子電池的不斷充電。采用保護(hù)電路對(duì)鋰離子電池的進(jìn)行過(guò)放、過(guò)充和短路保護(hù)。采用Buck-Boost調(diào)壓器為信號(hào)調(diào)理電路、MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片與時(shí)鐘芯片提供穩(wěn)定的3. 3V電壓。在圖4中,基于風(fēng)致振動(dòng)的壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能,通過(guò)間歇式涓流同步電荷提取電路周期性地將壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)上積累的電荷轉(zhuǎn)移到鋰離子電池中,實(shí)現(xiàn)為鋰離子電池的不斷充電。采用保護(hù)電路對(duì)鋰離子電池的進(jìn)行過(guò)放、過(guò)充和短路保護(hù)并采用Buck-Boost調(diào)壓器為傳感器負(fù)載提供穩(wěn)定的3. 3V電壓。圖5為同步電荷提取電路,鋰離子電池和應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)具有不同的電壓和電流特性。這里通過(guò)間歇式涓流同步電荷提取電路周期性地將壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)上積累的電荷轉(zhuǎn)移到鋰離子電池中,實(shí)現(xiàn)為鋰離子電池的不斷充電。圖6為Buck-Boost調(diào)壓器電路原理圖,米用Buck-Boost調(diào)壓器為信號(hào)調(diào)理電路、MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片與時(shí)鐘芯片提供穩(wěn)定的3. 3V電壓,其由可控開(kāi)關(guān)Q、儲(chǔ)能電感L、二極管D、濾波電容C、負(fù)載電阻&和控制電路等組成。圖7為鋰離子電池保護(hù)電路,鋰離子電池的額定電壓一般為3. 7V,終止放電電壓約為2. 7V,終止充電電壓約為4. 2V,超過(guò)了終止放電電壓或終止充電電壓的過(guò)放或過(guò)充將損壞電池,造成電池性能的顯著下降。這里采用保護(hù)電路對(duì)鋰離子電池的進(jìn)行過(guò)放、過(guò)充和短路保護(hù)。其中集成保護(hù)電路ICR5421用來(lái)檢測(cè)保護(hù)電路當(dāng)前的電壓、電流、時(shí)間等參數(shù)以此來(lái)控制場(chǎng)效應(yīng)管Vl和V2的開(kāi)關(guān)狀態(tài);場(chǎng)效應(yīng)管Vl和V2則根據(jù)保護(hù)IC來(lái)控制回路中是否有需開(kāi)或關(guān);貼片電阻用作限流;貼片電容作用為濾波、調(diào)節(jié)延遲時(shí)間;熱敏電阻用來(lái)檢測(cè)電池塊內(nèi)的環(huán)境溫度;保險(xiǎn)絲防止流過(guò)電池的電流過(guò)大,切斷電流回路。在圖8中,匯聚節(jié)點(diǎn)由于不需要檢測(cè)應(yīng)力信息,所以在它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒(méi)有應(yīng)變片和信號(hào)調(diào)理電路。由于匯聚節(jié)點(diǎn)處于實(shí)時(shí)工作狀態(tài),能耗較大,并且其所在位置便于供電,所以采用交流電為其供電。220V交流電源經(jīng)AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊A0C_5S轉(zhuǎn)換成5V直流電壓,然后由低壓差線性穩(wěn)壓器MAX16999為外圍電路及芯片提供穩(wěn)定的3. 3V電壓。其余部分與應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相同。
權(quán)利要求1.一種提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置,其特征在于,包括提升機(jī)滾筒、應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)、應(yīng)力無(wú)線傳感器冗余節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、USB接口和工控機(jī);應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)間隔性地均勻固定在提升機(jī)滾筒上,匯聚節(jié)點(diǎn)固定在提升機(jī)操作臺(tái)外殼上,匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB接口與工控機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置,其特征在于, 所述的應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)、應(yīng)力無(wú)線傳感器冗余節(jié)點(diǎn)由微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、同步電荷提取電路、Buck-Boost調(diào)壓器、應(yīng)變片、信號(hào)調(diào)理電路、MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片、 FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器、PCB天線、時(shí)鐘芯片和電源模塊構(gòu)成;應(yīng)變片與信號(hào)調(diào)理電路連接,信號(hào)調(diào)理電路的輸出端與MCU微控芯片連接,MCU微控芯片的輸出端與UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH 擴(kuò)展存儲(chǔ)器連接,時(shí)鐘芯片輸出端與MCU微控芯片相連,UWB無(wú)線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接,微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)與同步電荷提取電路連接,同步電荷提取電路與電源模塊連接,電源模塊與Buck-Boost調(diào)壓器連接,Buck-Boost調(diào)壓器與信號(hào)調(diào)理電路、MCU微控芯片、UWB 無(wú)線收發(fā)芯片與時(shí)鐘芯片連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置,其特征在于, 所述的匯聚節(jié)點(diǎn)由MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器、USB接口電路、PCB 天線、時(shí)鐘芯片、AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊和低壓差線性穩(wěn)壓器構(gòu)成,MCU微控芯片的輸出端與 UffB無(wú)線收發(fā)芯片、FLASH擴(kuò)展存儲(chǔ)器和USB接口電路相接,時(shí)鐘芯片與MCU微控芯片相連, UWB無(wú)線收發(fā)芯片與PCB天線連接,與交流電連接的AC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊輸出端與低壓差線性穩(wěn)壓器連接,低壓差線性穩(wěn)壓器與MCU微控芯片、UWB無(wú)線收發(fā)芯片和時(shí)鐘芯片連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置,其特征在于, 所述的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī),所述的微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)由硅襯底、壓電復(fù)合梁和質(zhì)量塊組成;壓電復(fù)合梁采用懸臂梁結(jié)構(gòu),采用微加工技術(shù)將一端固定于娃襯底上,壓電復(fù)合梁中含有多層PZT壓電片,每一層PZT壓電片的上下表面均有金屬電極用于收集電荷,其中每?jī)蓪覲ZT壓電片之間的金屬電極共用;質(zhì)量塊位于壓電復(fù)合梁自由端。
專利摘要一種提升機(jī)滾筒應(yīng)力場(chǎng)檢測(cè)與節(jié)點(diǎn)能量收集裝置,包括提升機(jī)滾筒、應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)、應(yīng)力無(wú)線傳感器冗余節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、USB接口和工控機(jī);微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)與應(yīng)力無(wú)線傳感器一體化設(shè)計(jì),應(yīng)力無(wú)線傳感器工作節(jié)點(diǎn)和冗余節(jié)點(diǎn)固定在提升機(jī)滾筒上,采用鋰離子電池和基于風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的微型壓電風(fēng)力發(fā)電機(jī)的混合結(jié)構(gòu)供電,匯聚節(jié)點(diǎn)固定在提升機(jī)操作臺(tái)外殼上,匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB接口與工控機(jī)相連。該檢測(cè)裝置安全可靠;傳感器網(wǎng)絡(luò)采用冗余構(gòu)架,即使某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障也不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行;采用混合結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電,使得各組件優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)了傳感器永久供電。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,與鋰離子電池組合成混合結(jié)構(gòu),節(jié)省了空間。
文檔編號(hào)G01L1/00GK202853813SQ201220547429
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月24日
發(fā)明者周公博, 黃玲花, 朱真才, 張朋, 李偉, 曹國(guó)華, 彭玉興, 蔡志雄 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
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