專利名稱：一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及轉子設備狀態監測技術領域，特別涉及一種轉子設備的埋入式自供能 無線監測裝置。
背景技術：
轉子設備的狀態監測裝置對于轉子設備十分重要，通過狀態監測裝置可監測轉子 設備的異常狀況，保證其良好運行、降低事故發生率、極大減少損失。但是目前常見的轉子 設備狀態監測裝置都是通過安裝在軸座上的加速度傳感器或安裝在近軸位置的渦流傳感 器來監測轉子振動、通過數據采集與分析系統來監測其運行狀態的，此類裝置普遍存在以 下不足(1)安裝非常不便，有些情況下監測設備的安裝甚至會影響設備的正常工作，而且 加速度傳感器和渦流傳感器等監測傳感器的安裝要求非常嚴格，難度很高；( 監測設備 需要專門的電源供電，在設備狀態明顯良好的情況下，耗費了大量不必要的能源；(3)通過 監測傳感器得到的信號需要專門設備經行調理、計算和分析，才能得到轉子設備的異常振 動信息，過程復雜；(4)需要定期對監測傳感器、調理分析設備進行維護，成本較高。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種轉子設備的埋入式自 供能無線監測裝置，能夠回收設備運行過程中產生的振動能量，并以此驅動自身工作，無需 供電及額外的監測傳感器和調理設備，有異常狀態監控、振動量采集功能，同時具有安裝方 便、免于維護且成本低廉的優點。為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置，包括壓電模塊1、回收控制電路2和 無線模塊3，壓電模塊1和回收控制電路2連接，回收控制電路2和無線模塊3連接。所述的壓電模塊1包括狀態監測單元4和能量回收單元5，狀態監測單元4和能 量回收單元5均由金屬-壓電陶瓷復合材料構成，狀態監測單元4僅由一個復合材料單體 構成，能量回收單元5由至少三個復合材料單體并聯而成，狀態監測單元4位于振動核心位 置，能量回收單元5以狀態監測單元4為中心，呈中心對稱分布，所述的金屬-壓電陶瓷復 合材料是由兩片銅片或其他金屬片與夾在其中間的壓電陶瓷復合而成的材料。所述的回收控制電路2包括狀態監測電路6、振動采集電路7、能量回收電路8、穩 壓電路9和控制芯片10，狀態監測單元4的輸出端和狀態監測電路6的輸入端及振動采集 電路7的信號輸入端連接，狀態監測電路6和振動采集電路7的輸出端分別與控制芯片10 的第一中斷引腳和第一 A/D引腳相連，能量回收單元5的輸出端和能量回收電路8的能量 輸入端連接，能量回收電路8的供能輸出端和穩壓電路9的輸入端連接，穩壓電路9的輸出 端和控制芯片10的電源引腳連接，能量回收電路8的控制信號輸出端和能量狀態輸出端分 別和控制芯片10的第二中斷引腳和第二 A/D引腳連接，控制芯片10輸出的第一控制引腳、 第一控制引腳分別和振動采集電路7的控制輸入端和能量回收電路8的控制輸入端連接，控制芯片10與無線模塊3通過標準接口連接。所述的能量回收電路8包括帶有電感的雙向電子開關11、全橋整流電路12、電流 監控器13、超級電容14、參考電壓產生電路15、比較器16、高邊驅動電路17，能量回收單元 5兩個輸出端同時連接到帶有電感的雙向電子開關11兩端和全橋整流電路12輸入端，全橋 整流電路12正輸出端通過電流監控器13連接到超級電容14和穩壓電路9正輸入端，電流 監控器13的輸出直接連接到控制芯片10的第二 A/D引腳，穩壓電路9的輸出端同時連接 到參考電壓產生電路15的輸入端和控制芯片10的電源引腳，電流監控器12、參考電壓產生 電路15的輸出端分別連接至比較器16的同相和反相輸入端，比較器16的輸出端連接到控 制芯片10的第二中斷引腳，控制芯片10輸出的第二控制引腳連接到高邊驅動電路17的輸 入端，高邊驅動電路17的輸出端連接到帶有電感的雙向電子開關11的控制輸入端，超級電 容14、穩壓電路9、參考電壓產生電路15、控制芯片10的負極均接地。所述的狀態監測電路6由全橋整流電路18、峰值檢測電路19和比較電路20組成， 狀態監測單元4的輸出端連接到全橋整流電路18的輸入端，全橋整流電路18輸出端連接 到峰值檢測電路19的輸入端，峰值檢測電路19的輸出端輸入到比較電路20的輸入端，比 較電路20輸出和控制芯片10的第一中斷引腳連接。所述的振動采集電路7由電子開關21、全橋整流電路22和調理電路23組成，狀態 監測單元4的輸出端通過電子開關21連接到全橋整流電路22的輸入端，全橋整流電路22 的輸出端連接到調理電路23的輸入端，調理電路23的輸出端連接到控制芯片10的第一 A/ D引腳，控制芯片10輸出的第一控制引腳連接到電子開關21的控制輸入端。本發明的工作原理為本裝置安裝于轉子設備振動特征明顯的地基中，轉子設備運行時，會產生周期性 的壓力作用于設備地基，從而作用于壓電模塊1中由金屬-壓電陶瓷復合材料組成的狀態 監測單元4和能量回收單元5上，從而將振動信息及振動能量轉化為電壓信號和電能輸出， 能量回收單元5由多個復合材料單體組成，能夠在振動作用下產生較多的電能并通過控制 芯片10控制的能量回收電路8進行最大限度的回收，并將能量存儲在超級電容14中，供控 制芯片10和無線模塊3正常工作使用。狀態監測單元4根據設備的振動情況來感知其工作狀態，設備的振動峰值通過狀 態監測電路6的峰值檢測電路19進行檢測，當出現異常情況時，振動峰值急劇增大，比較電 路20輸出由低電平轉為高電平并持續保持高電平，觸發控制芯片10產生中斷，啟動無線模 塊3發出表示設備故障的無線信號；故障消除后，狀態監測電路6輸出再由高電平轉為低電 平，控制芯片10不再發出警報信號，恢復正常工作。在需要對設備運行狀態進行評估而需 進行振動量采集時，可通過外部無線設備向裝置發送采集指令，控制芯片10根據無線模塊 3收到的指令閉合電子開關21，從而啟動平時處于關閉狀態的振動采集電路7，狀態監測單 元4感知到的設備雙極性振動信號通過全橋整流電路22和調理電路23轉變為控制芯片10 電壓采集范圍內的單極性的半波振動信號進行A/D采集并通過無線模塊3進行發送。本發明安裝于轉子設備地基中，無需外接傳感器和信號調理設備，因此不會對設 備的正常工作產生影響；裝置通過設備振動產生的振動能量驅動自身工作無需外接電源， 而且由于采用位于地基受壓的壓電狀態監測單元感受振動，壽命長且不存在使用振動傳感 器監測裝置存在的定期維護問題；裝置不僅能夠對設備異常狀態進行預警，而且可以通過外部無線裝置喚醒控制芯片進行振動量采集，對設備運行狀態進行評估，簡單便捷且成本 低廉，對于轉子設備正常運行、降低損失和維護成本有重要意義。
圖1為本發明的結構原理框圖。圖2為本發明壓電模塊1的結構示意圖。圖3為本發明能量回收電路8的結構原理框圖。圖4為本發明狀態監測電路6和振動采集電路7的結構原理框圖。圖5為本發明的控制流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。參照圖1，一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置，包括壓電模塊1、回收控 制電路2和無線模塊3，壓電模塊1和回收控制電路2連接，回收控制電路2和無線模塊3 連接。參照圖2，所述的壓電模塊1由狀態監測單元4和能量回收單元5組成，分別用 于監測設備振動狀態和提供裝置工作所需電能，二者均由金屬-壓電陶瓷復合材料單體構 成，形狀可以是鈸型、帶有狹縫的鈸型或鼓型，狀態監測單元4與能量回收單元5各自獨立， 其中狀態監測單元4僅包含一個單體，位于壓電模塊1中心，能非常有效感受設備振動，其 特點是輸出電荷量較大而輸出電壓較低，方便調理且符合控制芯片10的A/D采集對電壓的 要求，同時又有較高的振動測量靈敏度；能量回收單元5由至少兩個單體并聯而成，均衡地 分布在狀態監測單元4周圍，以狀態監測單元4為中心呈中心對稱分布，使設備運行過程中 產生的振動作用能夠更好地作用于狀態監測單元4，同時對瞬時的沖擊干擾有一定的削弱 作用，保證振動信號能夠很好地傳遞到狀態監測單元4，輸出準確表征設備振動的電信號， 提高振動監測精度，使用金屬-壓電陶瓷復合材料，有效放大了作用在復合材料中壓電材 料上的作用力，能量回收單元5的均衡分布，使組成它的單體輸出能量有較好的一致性，從 而高效回收設備振動產生的能量。壓電陶瓷材料硬度高，裝置工作時金屬-壓電陶瓷復合 材料單體內部的應力在0. 3MPa以內，變形微小，使得裝置的安裝不會對轉子設備的正常工 作產生影響。所述的回收控制電路2包括狀態監測電路6、振動采集電路7、能量回收電路8、穩 壓電路9和控制芯片10，狀態監測單元4的輸出端和狀態監測電路6的輸入端及振動采集 電路7的信號輸入端連接，狀態監測電路6和振動采集電路7的輸出端分別與控制芯片10 的第一中斷引腳和第一 A/D引腳相連，能量回收單元5的輸出端和能量回收電路8的能量 輸入端連接，能量回收電路8的供能輸出端和穩壓電路9的輸入端連接，穩壓電路9的輸出 端和控制芯片10的電源引腳連接，能量回收電路8的控制信號輸出端和能量狀態輸出端分 別和控制芯片10的第二中斷引腳和第二 A/D引腳連接，控制芯片10輸出的第一控制引腳、 第一控制引腳分別和振動采集電路7的控制輸入端和能量回收電路8的控制輸入端連接， 控制芯片10與無線模塊3通過標準接口連接，設備振動能量通過能量回收單元5產生交流 電壓信號，經過能量回收電路8轉為直流電壓，并通過穩壓電路9產生標準電壓供回收控制電路2及無線模塊3工作使用，控制芯片10根據能量回收電路8輸入的能量狀態信號和控 制信號控制能量回收電路8的工作方式，以最大回收效率回收振動能量。參照圖3，所述的能量回收電路8包括全橋整流電路12、超級電容14、電流監控器 13、參考電壓產生電路15、比較器16、高邊驅動電路17及帶有電感的雙向電子開關11，能量 回收單元5兩個輸出端同時連接到帶有電感的雙向電子開關11兩端和全橋整流電路12輸 入端，全橋整流電路12正輸出端通過電流監控器13連接到超級電容14和穩壓電路9正輸 入端，電流監控器13的輸出直接連接到控制芯片10的第二 A/D引腳，穩壓電路9的輸出端 同時連接到參考電壓產生電路15的輸入端和控制芯片10的電源引腳，電流監控器12、參考 電壓產生電路15的輸出端分別連接至比較器16的同相和反相輸入端，比較器16的輸出端 連接到控制芯片10的第二中斷引腳，控制芯片10輸出的第二控制引腳連接到高邊驅動電 路17的輸入端，高邊驅動電路17的輸出端連接到帶有電感的雙向電子開關11的控制輸入 端，超級電容14、穩壓電路9、參考電壓產生電路15、控制芯片10的負極均接地。參照圖4，所述的狀態監測電路6由全橋整流電路18、峰值檢測電路19和比較電 路20組成，狀態監測單元4的輸出端連接到全橋整流電路18的輸入端，全橋整流電路18 輸出端連接到峰值檢測電路19的輸入端，峰值檢測電路19的輸出端輸入到比較電路20的 輸入端，比較電路20輸出和控制芯片10的第一中斷引腳連接。參照圖4，所述的振動采集電路7由電子開關21、全橋整流電路22和調理電路23 組成，狀態監測單元4的輸出端通過電子開關21連接到全橋整流電路22的輸入端，全橋整 流電路22的輸出端連接到調理電路23的輸入端，調理電路23的輸出端連接到控制芯片10 的第一 A/D引腳，控制芯片10輸出的第一控制引腳連接到電子開關21的控制輸入端，通常 情況下控制芯片10斷開電子開關21，電路不工作，只有在需要進行振動量采集時，電子開 關21才會閉合啟動振動采集電路7進行工作。本發明的工作原理為本裝置安裝于轉子設備振動特征明顯的地基中，轉子設備運行時，會產生周期性 的壓力作用于設備地基，從而作用于壓電模塊1中由金屬-壓電陶瓷復合材料組成的狀態 監測單元4和能量回收單元5上，從而將振動信息及振動能量轉化為電壓信號和電能輸出， 能量回收單元5由多個復合材料單體組成，能夠在振動作用下產生較多的電能并通過控制 芯片10控制的能量回收電路8進行最大限度的回收，并將能量存儲在超級電容14中，供控 制芯片10和無線模塊3正常工作使用。參照圖5，在轉子設備正常工作時，振動量平穩且基本穩定，不會產生較為劇烈的 振動，通過狀態監測單元4產生的電壓值也處于正常水平，狀態監測電路6輸入到控制芯片 10的信號持續為低電平，不產生故障中斷信號，此時能量回收電路8以2倍于轉子設備旋轉 頻率產生SSHI控制中斷請求，當電流監控器13輸出的表征輸出電流的信號足夠大且超級 電容14儲能充足時，控制芯片10適時短暫閉合帶有電感的雙向電子開關11進行SSHI控 制，同時在中斷中，控制芯片10也將表征轉子設備運行正常的無線信號發出，之后進入低 功耗休眠模式。當設備出現偏心、碰磨、喘振等異常狀態時，振動強度明顯增加，作用于狀態監測 單元4的振動明顯加強，從而使其產生的電壓峰值明顯大于正常情況下的電壓峰值，狀態 監測電路6的峰值檢測電路19得到此時的高電壓峰值，與參考電壓在比較電路20進行比較，由于此時電壓峰值高于參考電壓值，與控制芯片10相連的輸入端即產生上升沿跳變并 持續高電平。上升沿觸發控制芯片10產生故障中斷，從休眠狀態被喚醒后以高速高功率發 出表征設備出現異常狀況的無線信號，警示需要進行故障排除，防止事故發生，產生損失， 并不斷檢測狀態監測電路6是否持續保持高電平，如果持續高電平，將持續發出無限警報 信號。在任何情況下，故障中斷擁有最高的中斷優先級，發生故障中斷后立即發送表征設備 出現異常狀況的無線信號。在設備停機或者監測維修進行故障排除后，狀態監測電路6輸 入到控制芯片10的信號又轉變為低電平，控制芯片檢測到低電平后，停止發送故障信號， 進入正常休眠狀態。在設備運行一段時間后需要對設備運行狀態進行評估時，可利用外部無線裝置發 送表征振動采集的數字信息至該裝置，控制芯片10接收到無線信號后產生無線采集中斷， 立即從休眠模式進入工作模式。為了盡量減少作用于能量回收單元5的并聯SSHI控制方 法對振動采集的影響，控制芯片關閉SSHI控制功能，能量回收電路8進入標準的全橋整流 回收電路進行能量回收，同時閉合電子開關21將振動采集電路7與狀態監測單元4連通， 狀態監測單元感知的振動信號經過全橋整流電路22進行極性轉化后經調理電路23轉變為 控制芯10A/D采樣轉換范圍內的電壓進行高速A/D采集并通過無線發送，其采集到的信號 為半波振動信號，正半周相負半周間隔但均以正半周表現。數據采集結束后，控制芯片10 再次啟用SSHI控制功能并斷開電子開關，關閉振動采集電路7后進入休眠。附圖中壓電模塊1 ；回收控制電路2 ；無線模塊3 ；狀態監測單元4 ；能量回收單元 5 ；狀態監測電路6 ；振動采集電路7 ；能量回收電路8 ；穩壓電路9 ；控制芯片10 ；雙向電子 開關11 ；全橋整流電路12 ；電流監控器13 ；超級電容14 ；參考電壓產生電路15 ；比較器16 ； 高邊驅動電路17 ；全橋整流電路18 ；峰值檢測電路19 ；比較電路20 ；電子開關21 ；全橋整 流電路22 ；調理電路23。
權利要求
1.一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置，包括壓電模塊(1)、回收控制電路(2) 和無線模塊(3)，其特征在于壓電模塊⑴和回收控制電路(2)連接，回收控制電路(2)和 無線模塊C3)連接。
2.根據權利要求1所述的一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置，其特征在于 所述的壓電模塊⑴包括狀態監測單元⑷和能量回收單元(5)，狀態監測單元(4)和能 量回收單元( 均由金屬-壓電陶瓷復合材料構成，狀態監測單元(4)僅由一個復合材料 單體構成，能量回收單元(5)由至少三個復合材料單體并聯而成，狀態監測單元(4)位于 振動核心位置，能量回收單元(5)以狀態監測單元(4)為中心，呈中心對稱分布，所述的金 屬-壓電陶瓷復合材料是由兩片銅片或其他金屬片與夾在其中間的壓電陶瓷復合而成的 材料。
3.根據權利要求1所述的一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置，其特征在于 所述的回收控制電路( 包括狀態監測電路(6)、振動采集電路(7)、能量回收電路(8)、穩 壓電路(9)和控制芯片(10)，狀態監測單元(4)的輸出端和狀態監測電路(6)的輸入端及 振動采集電路(7)的信號輸入端連接，狀態監測電路(6)和振動采集電路(7)的輸出端分 別與控制芯片(10)的第一中斷引腳和第一 A/D引腳相連，能量回收單元( 的輸出端和能 量回收電路⑶的能量輸入端連接，能量回收電路⑶的供能輸出端和穩壓電路(9)的輸 入端連接，穩壓電路(9)的輸出端和控制芯片(10)的電源引腳連接，能量回收電路⑶的 控制信號輸出端和能量狀態輸出端分別和控制芯片(10)的第二中斷引腳和第二 A/D引腳 連接，控制芯片(10)輸出的第一控制引腳、第一控制引腳分別和振動采集電路(7)的控制 輸入端和能量回收電路(8)的控制輸入端連接，控制芯片(10)與無線模塊C3)通過標準接 口連接。
4.根據權利要求1所述的一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置，其特征在于 所述的能量回收電路⑶包括全橋整流電路(12)、超級電容(14)、電流監控器(13)、參考電 壓產生電路(15)、比較器(16)、高邊驅動電路(17)及帶有電感的雙向電子開關(11)，能量 回收單元( 兩個輸出端同時連接到帶有電感的雙向電子開關(11)兩端和全橋整流電路 (12)輸入端，全橋整流電路(1 正輸出端通過電流監控器(1 連接到超級電容(14)和穩 壓電路(9)正輸入端，電流監控器(13)的輸出直接連接到控制芯片(10)的第二 A/D引腳， 穩壓電路(9)的輸出端同時連接到參考電壓產生電路(15)的輸入端和控制芯片(10)的電 源引腳，電流監控器(1 、參考電壓產生電路(1 的輸出端分別連接至比較器(16)的同相 和反相輸入端，比較器(16)的輸出端連接到控制芯片(10)的第二中斷引腳，控制芯片(10) 輸出的第二控制引腳連接到高邊驅動電路(17)的輸入端，高邊驅動電路(17)的輸出端連 接到帶有電感的雙向電子開關(11)的控制輸入端，超級電容(14)、穩壓電路(9)、參考電壓 產生電路(15)、控制芯片(10)的負極均接地。
5.根據權利要求1所述的一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置，其特征在于 所述的狀態監測電路(6)由全橋整流電路(18)、峰值檢測電路(19)和比較電路00)組成， 狀態監測單元⑷的輸出端連接到全橋整流電路(18)的輸入端，全橋整流電路(18)輸出 端連接到峰值檢測電路(19)的輸入端，峰值檢測電路(19)的輸出端輸入到比較電路00) 的輸入端，比較電路00)輸出和控制芯片(10)的第一中斷引腳連接。
6.根據權利要求1所述的一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置，其特征在于所述的振動采集電路⑵由電子開關(21)、全橋整流電路02)和調理電路03)組成，狀態 監測單元的輸出端通過電子開關連接到全橋整流電路0 的輸入端，全橋整流 電路02)的輸出端連接到調理電路03)的輸入端，調理電路03)的輸出端連接到控制芯 片(10)的第一 A/D引腳，控制芯片(10)輸出的第一控制引腳連接到電子開關的控制 輸入端。
全文摘要
一種轉子設備的埋入式自供能無線監測裝置，包括壓電模塊，壓電模塊和回收控制電路連接，回收控制電路和無線模塊連接，本裝置安裝于轉子設備振動特征明顯的地基中，轉子設備運行時，會產生周期性的壓力作用于壓電模塊，再經過回收控制電路變為單極性的半波振動信號進行A/D采集并通過無線模塊進行發送，本發明能夠回收設備運行過程中產生的振動能量，并以此驅動自身工作，無需供電及額外的監測傳感器和調理設備，有異常狀態監控、振動量采集功能，同時具有安裝方便、免于維護且成本低廉的優點。
文檔編號H02N2/18GK102147283SQ201010603480
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者任曉龍, 曹軍義, 曹秉剛 申請人:西安交通大學