面向采煤机自供电无线监测装置的设计研究

刘鑫

摘 要：针对煤矿井下无线传感器网络所采用的传统供电方式存在的弊端，设计研究振动能量供电的矿用无线监测节点的总体设计方案，并监测节点的硬件组成和原理进行分析研究，通过对传感器电荷放大电路以及低通滤波电路的分析计算，提升监测精度，并为后续连采机振动测试实验提供理论依据。

关键词：振动能量;无线监测节点;低通滤波电路

鉴于煤矿井下作业环境的复杂恶劣，采用传统的有线监测难以满足现代化矿井的监测要求，振动能量收集技术和无线传感网络技术在煤矿监测的应用提高其可靠性，解决煤矿井下复杂环境中的设备监测问题。为此，诸多学者对此开展研究，张晓鹃[1]针对当前煤矿机械工作状态监测系统的不足，提出了基于微能源技术实现煤矿机械设备工作状态信息采集与发送系统自供电，结无线网络传输和通用分组无线服务技术通信方式实现煤矿机械设备工作状态监测系统自动化在线监测的发展方向。本文在已有研究的基础上，对矿用无线监测节点结构以及硬件进行了研究，并为后续连采机振动测试实验提供理论依据。

1 礦用无线监测节点总体设计方案

根据实际井下工作环境以及机械运转状况自主研制了振动能量供电的矿用无线监测节点，以采煤机为例，将无线监测节点布置于采煤机上，通过采煤机工作时产生的振动信号，振动能量以电能的方式储存在单元中以供为监测节点供电，软件以及硬件通过传感器采集信号、发送以及处理显示，达到实现采煤机振动状态的检测。通过大量的实践以及试验证明，振动能量供电的矿用无线监测节点应具备以下功能：

①无线监测节点的核心是芯片。由于煤矿井下作业环境复杂，监控系统的芯片性能应可靠，矿用无线监测节点选用CC2530芯片，采煤机运行所产生的振动信号通过压电式加速度传感器采集，传感器采集的信号通过信号调节器处理，主芯片上的8051MCU将采集数据进行A/D 转换，转化后的数据通过ZigBee无线通讯技术传动至协调器，数据经过协调器处理，最后显示;②在信号采集的过程中，涉及到能量的转化以及存储，这一功能的实现依赖于压电俘能器，压电俘能器将信号进行采集以及转化，最后以电能的形式存储在单元格中，以供无线监测节点的供电;③鉴于煤矿井下作业环境恶劣和机械设备自身差异性，使得其具有极大的随机性，又因为压电俘能器工作频率有限，因此节点在采集处理信号时，应该适当的降低信号采集频率，以便后期数据传送以及处理，适当增加睡眠时间可以实现无线节点的节能优化;出于采煤的安全性，无线监测节点必须安装防爆装置，以便节点通信以及电路的安全性，矿井应该根据实际情况设计制定合理的节点封装工艺，最大化实现节点在煤矿开采中的应用价值。

本文以实现矿用无线监测节点为目标，以压电俘能器为研究基础，实现节点自俘能和采煤机状态在线监测的功能。矿用振动能量供电的无线监测节点由仿真接口、硬件平台以及软件平台三部分组成，不同部分之间通过数据通讯实现数据的传送以及处理。硬件平台主要有无线监测节点、无线传感器、加速度传感器以及压电俘能器等模块组成;软件平台主要有监测显示界面和串口助手平台。

2 矿用无线监测节点工作原理

无线监测节点的工作原理是采煤机在运行时，通过在采煤机上安装的无线监测节点将采煤机的振动信号通过内部压电俘能器转化为电信号，并以电能的方式存储，收集的电能经过能量收集电路整流、稳压之后存储于各个单元中，最后经过DC-DC 稳压电源电路实现对振动能量供电的无线监测节点的供电。而对采煤机实现监测的功能则是将振动传感器采集的信号经过采集处理等手段，通过调理电路的电路调理功能经过A/D 转换模块进行 A/D 转换，后经 ZigBee 无线传感模块将转换后数据发送到节点协调器;节点协调器通过串口将数据发送到上位机，进行数据转换与实时显示，实现采煤机振动状态在线监测的功能。振动能量供电的矿用无线监测系统框架图如图1所示。

3 监测节点硬件设计

振动能量供电的矿用无线检测节点功能实现的基础是硬件的设计，硬件设计是基础，硬件部分的完成包含有传感器模块的设计、无线通信模块的设计和能量管理电路的设计。本文以传感器模块的设计为主，其作为无线监测节点的重要组成，传感器的选择设计对检测节点的稳定性以及检测精度有着重要影响。

监测系统传感器的选型：

①因为矿用采煤机振动频率以及幅度大等原因，传感器应选择振动传感器，而压电式传感器因其动态检测范围大以及可靠性高等原因更适合复杂环境的检测;②传感器线性范围应尽可能的大，线性范围越大，检测精度越高，因此在实际传感器的选择时，应该满足振动加速度幅值在-20-20g 范围之内;③采煤机在工作状态下振动加速度幅值范围为-20-20g，而A/D转换的电压为2.5V，传感器的灵敏度精度应该满足采煤机的工作状态;对于矿用无线监测节点而言，其能量俘获装置中压电材料阻抗较高，且外界振动环境复杂多变，振动能量收集装置俘获的能量有限，为了延长节点储能单元工作寿命，需要传感器具有较低的功耗。

压电加速度传感器是一个弱阻尼的器件，因此在其幅频特性的较高频率段会出现一个很高的共振峰，此峰值会在传感器信号中引起高频噪声，会使输入信号发生失真并产生一定程度的干扰。而对于振动状态监测与故障诊断而言，采煤机摇臂中各部件故障频率在 0-1000Hz 范围内，在低频范围内，为了消除频率较高的噪音，需在放大器中采用低通滤波器。因为矿用振动能量的无线监测节点频率不高，固选择用二阶 RC 有源滤波器，其原理示意图如图2所示，二阶 RC 有源滤波器结构简单且易于调节。

其中，R1=R2=R，C1=C2=C，截止频率f0=f2=1/2 ΠRC，首选电容C=0.1μF，通过截止频率1kHz计算得到R=1.6KΩ，选取等效品质因数Q=1，计算得到Auf=2，则有Rf=R6=6.2 KΩ。

通过上述电路原件参数值得到二阶低通滤波电路的频率特性为：

通过研究，得知振动传感器的振动频率为0-1000Hz，二阶有源低通滤波电路可消除高频振动对于传感器数据采集造成的干扰。根据电压传感器的工作原理，传感器通过压电材料进行工作，输出的电荷最终转化为电信号并进行放大，最后才可以进行信号的采集和处理。电荷放大电路如图3所示，其由运算放大器和反馈网络组成，电荷放大电路集成在CA-YD-168TE 传感器中。

4 结论

本文针对采煤机故障发生原因及监测系统存在的问题，采用振动能量供电技术为为采煤机监测系统提供稳定能量，解决传统监测系统体积和质量较大的问题。同时，提升监测节点的抗干扰能力和监测系统的稳定性。

参考文献：

[1]张晓鹃.矿用重型采掘装备振动传感器优化配置方法[J].煤矿机械，2011，32（3）：173-175.