[发明专利]提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种滚筒应力场检测装置及方法，特别是一种提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置及方法。 

背景技术

目前，对提升机运行状态的监测都是通过对提升钢丝绳力的检测来实现的。提升钢丝绳张力的检测方法包括直接检测法和间接检测法。直接检测法是在提升容器顶端安装钢丝绳张力检测装置，该装置由传感器、信号采集模块、无线发射模块和蓄电池构成。检测的钢丝绳张力信号通过无线发射模块发送，由井口的接收模块接受后进行数据处理得到钢丝绳张力。检测与钢丝绳张力的传感器主要有以下三种：拉力传感器，串联在提升钢丝绳提升容器间；三点式钢丝绳张力传感器；油压传感器，适用于提升容器与钢丝绳之间有液压平衡装置的多绳摩擦提升机。直接检测法主要存在四点缺陷：无线通信在井筒中的传输距离短，当井筒深度超过500米，无法实现可靠的通信；蓄电池需要定期更换，维护不便；传感器安装维护不便；拉力传感器灵敏度低，张力传感器会加剧钢丝绳的疲劳磨损，油压传感器只适合用于提升容器与钢丝绳直接有液压平衡装置的场合。间接检测法是在天轮的轴承底座上安装测力传感器来检测钢丝绳张力。该方法要求测力传感器具有结构实用性、功能实用性、长期稳定性和高可靠性。传感器研制困难、成本很高，而且很难安装。当传感器毁坏时也很难及时发现。 

根据以上分析可以发现，目前通过提升钢丝绳张力的检测来反映提升机运行状态的方法主要存在以下缺陷：传感器安装不便，检测系统维护困难；检测系统应用具有一定的局限性，不能应用于深井检测；蓄电池供电的方案需要定期更换电池，维护不便；现有传感器存在成本高、灵敏度低、对钢丝绳有损害等问题。 

发明内容

本发明的目的是要提供一种无需维护、能够应用于深井检测、传感器寿命无限、成本低、灵敏度高、对钢丝绳无损害的提升机滚筒应力场检测与节点能量收集装置及方法。 

本发明的目的是这样是实现的，本发明包括装置和方法，该装置包括：提升机滚筒、应力无线传感器工作节点、应力无线传感器冗余节点、汇聚节点、USB接口和工控机；应力无线传感器工作节点和冗余节点间隔性地均匀固定在提升机滚筒上，汇聚节点固定在提升机操作台外壳上，汇聚节点通过USB接口与工控机相连。 

所述的应力无线传感器工作节点和冗余节点均由微型风力发电机、同步电荷提取电路、Buck-Boost调压器、应变片、信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、PCB天线、时钟芯片和电源模块构成；应变片与信号调理电路连接，信号调理电路的输出端与MCU微控芯片的输入端连接，MCU微控芯片的输出端与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器连接，时钟芯片输出端与MCU微控芯片相连，UWB无线收发芯片输出端与PCB天线连接，微型风力发电机与同步电荷提取电路连接，同步电荷提取电路与电源模块连接，电源模块与Buck-Boost调压器连接，Buck-Boost调压器与信号调理电路、MCU微控芯片、UWB无线收发芯片与时钟芯片连接。 

所述的微型风力发电机为基于风致振动机理的微型压电风力发电机，所述的微型压电风力发电机由硅衬底、压电复合梁和质量块组成；压电复合梁采用悬臂梁结构，采用微加工技术将一端固定于硅衬底上，压电复合梁中含有多层PZT压电片，每一层PZT压电片的上下表面均有金属电极用于收集电荷，其中每两层PZT压电片之间的金属电极共用；质量块位于压电复合梁自由端。 

所述的汇聚节点由MCU微控芯片、UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器、USB接口电路、PCB天线、时钟芯片、AC-DC开关电源模块和低压差线性稳压器构成；MCU微控芯片的输出端与UWB无线收发芯片、FLASH扩展存储器和USB接口电路相接，时钟芯片与MCU微控芯片相连，UWB无线收发芯片与PCB天线连接，与交流电连接的AC-DC开关电源模块输出端与低压差线性稳压器连接，低压差线性稳压器与MCU微控芯片、UWB无线收发芯片和时钟芯片连接。