CN111060194A-一种基于智能材料自供电式机泵安康传感器及实现方法

　CN 111060194 A

　 (19)中华人民共和国国家知识产权局

　 (12)发明专利申请

　(10)申请公布号 CN 111060194 A (43)申请公布日 2020.04.24 (21)申请号 201911340698 .0

　(22)申请日 2019 .12 .23

　(71)申请人 杭州哲达科技股份有限公司 地址 310012 浙江省杭州市西湖区教工路 88号立元大厦六楼

　(72)发明人 张旭方 方飞龙 赵凯 汤中彩

　李创 付立 柴秋子 王柳红

　吕巧玲 吴平 沈新荣 杨春节

　 (74)专利代理机构 杭州中成专利事务所有限公 司 33212 代理人 周世骏

　(51)Int .Cl . G01H 17/00(2006 .01) H02J 7/32(2006 .01) H02N 2/18(2006 .01)

　 (54)发明名称 一种基于智能材料的自供电式机泵安康传 感器及实现方法 (57)摘要 本发明涉及机泵运行监控技术，旨在提供一 种基于智能材料的自供电式机泵安康传感器及 实现方法。包括振动监测传感器、底座、振动俘能 器和控制电路板；所述振动俘能器包括压电材料 层和弹性部件，弹性部件的一端固定在底座上， 压电材料层均匀粘贴在弹性部件的表面；压电材 料层的上下表面均匀覆盖电极，并由电极分别引 出导线连接至控制电路板；控制电路板上依次设 置变压器、整流电路和滤波电路，变压器与压电 材料层的电极相连，滤波电路的输出端接至所述 振动监测传感器。本发明的自供电式机泵安康传 感器结构简单，安装使用方便，故障率低，应用更 广泛。解决了需要定期更换电池的缺点，可将浪 费的机械能转换为电能，提高能源的利用程度， 节省资源。

　权利要求书 1 页

　说明书 4 页

　附图2页

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　权 利 要 求 书

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　1 .一种基于智能材料的自供电式机泵安康传感器，包括振动监测传感器；其特征在于， 还包括底座、振动俘能器和控制电路板；所述 振动俘能器包括压电材料层和弹性部件，弹性部件的一端固定在底座上，压电材料层 均匀粘贴在弹性部件的表面；压电材料层的上下表面均匀覆盖电极，并由电极分别引出导 线连接至控制电路板； 控制电路板上依次设置变压器、整流电路和滤波电路，变压器与压电材料层的电极相 连，滤波电路的输出端接至所述振动监测传感器。

　2.根据权利要求1所述的自供电式机泵安康传感器，其特征在于，所述弹性部件是指弹 性梁，弹性梁的一端固定在底座上且另一端与底座保持间距。

　3.根据权利要求1所述的自供电式机泵安康传感器，其特征在于，还包括与底座配套安 装的外壳，所述振动监测传感器、振动俘能器和控制电路板位于底座和外壳之间的空腔内。

　4.根据权利要求1至3任意一项中所述的自供电式机泵安康传感器，其特征在于，所述 振动监测传感器中设置有线或无线通信模块，能够通过与之适配的有线连接或无线连接方 式与上位计算机进行数据传输。

　5.根据权利要求4所述的自供电式机泵安康传感器，其特征在于，所述无线通信模块是 指LoRa、NB-IoT或WiFi无线通信模块，所述无线连接方式是指通过LoRa、NB-IoT或WiFi无线 通信网关实现连接。

　6.根据权利要求1所述的自供电式机泵安康传感器，其特征在于， 所述整流电路是全桥整流电路，包括四个整流二极管；其中，第一整流二极管的阳极和 第四整流二极管的阴极与变压器的一端相连接，第二整流二极管的阳极和第三整流二极管 的阴极与变压器的另一端相连接，第三整流二极管和第四整流二极管共阳极连接并接地； 所述滤波电路包括两个滤波电容、一个滤波电阻、一个限流电阻和一个稳压二极管；其 中，第一整流二极管和第二整流二极管共阴极连接第一滤波电容的一端，第一滤波电容的 该端串联一个滤波电阻后与第二滤波电容的一端相连；第一滤波电容的另一端连接第三整 流二极管的阳极，第一滤波电容的该端还与第二滤波电容的另一端直接相连；第二滤波电 容的一端串联限流电阻后再与稳压二极管的阳极相连，第二滤波电容的另一端直接与稳压 二极管的阴极相连。

　7 .一种基于智能材料的自供电式机泵安康传感器的实现方法，其特征在于，是将权利 要求1所述自供电式机泵安康传感器安装在机泵设备上，在机泵的运行过程中振动引起压 电俘能器中弹性部件的振动，进一步引起粘贴在上面的压电材料层的振动，从而在压电材 料层产生应力；由于压电材料的力电耦合性能，在应力的作用下于其上下表面产生电荷，从 而将机泵振动产生的能量转化成电能，再通过控制电路板给振动监测传感器供电；该过程 中，由压电材料层产生的电压V p 通过变压器变换到一个1-5V交流电压，通过四个整流二极 管的整流作用，将交流电压转换成脉动直流电压；再通过两个滤波电容和滤波电阻的滤波 作用，将脉动直流电压转化成直流电压；最后通过限流电阻和稳压二极管的调节输出一个 1-5V的稳定直流电压，从而实现对振动监测传感器的供电；振动监测传感器将采集的振动 信号通过无线网关或者有线的方式连接到上位计算机，从而实现机泵振动信号的搜集与传 递。

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　说 明 书

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　 一种基于智能材料的自供电式机泵安康传感器及实现方法

　 技术领域 [0001] 本发明涉及机泵运行监控技术，特别涉及一种基于智能材料的自供电式机泵安康 传感器及实现方法，可以将压电或挠电材料的能量采集转化应用到振动监测传感器以实现 供电。

　 背景技术 [0002] 近年来，因工业设备的操作不当、运维不善、质量缺陷等原因引起的安全事故非常 多，这不仅影响了生产装置的安全平稳运行，而且给企业和国家造成重大的损失。所以，对 运行过程中的机泵设备进行状态监测、故障诊断是维系现代化生产安全的必然发展趋势。

　机泵安康传感器用于设备的安全与健康检测中，将机泵运行的状态与振动情况进行实时的 数据采集，通过人工智能、智慧流体、云计算+边缘计算、大数据与智能传感器的创新应用， 并融合“ 节能+安康的服务经验” ，全力实现工业设备的“ 数字化安康+平台化服务” ，为设备 全生命周期的安全管控与健康运行保驾护航，促进工业企业生产的安全与高效发展。

　[0003] 而目前的机泵安康传感器都是需要电池供电，理论上电池的寿命只有三年。在实 际的工业生产运行中，随着工况的恶劣与外部环境温度的影响，电池的寿命会大幅度减低。

　此外，随着传感器采集的数据点数的增加，传感器的实际使用寿命不足一年。因此需要不断 的更换电池或者机泵安康传感器来满足实际的健康监测需求，并且电池对环境有一定的污 染。如何基于智能材料，设计开发可自供电的机泵安康传感器具有非常重要的意义。

　 发明内容 [0004] 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于智能材料的 自供电式机泵安康传感器及实现方法。

　[0005] 为解决技术问题，本发明提供了一种基于智能材料的自供电式机泵安康传感器， 包括振动监测传感器、底座、振动俘能器和控制电路板；所述振动俘能器包括压电材料层和 弹性部件，弹性部件的一端固定在底座上，压电材料层均匀粘贴在弹性部件的表面；压电材 料层的上下表面均匀覆盖电极，并由电极分别引出导线连接至控制电路板；控制电路板上 依次设置变压器、整流电路和滤波电路，变压器与压电材料层的电极相连，滤波电路的输出 端接至所述振动监测传感器。

　[0006] 本发明中，所述弹性部件是指弹性梁，弹性梁的一端固定在底座上且另一端与底 座保持间距。

　[0007] 本发明中，还包括与底座配套安装的外壳，所述振动监测传感器、振动俘能器和控 制电路板位于底座和外壳之间的空腔内。

　[0008] 本发明中，所述振动监测传感器中设置有线或无线通信模块，能够通过与之适配 的有线连接或无线连接方式与上位计算机进行数据传输。

　[0009] 本发明中，所述无线通信模块是指LoRa、NB-IoT或WiFi无线通信模块，所述无线连 接方式是指通过LoRa、NB-IoT或WiFi无线通信网关实现连接。

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　[0010]

　本发明中，所述整流电路是全桥整流电路，包括四个整流二极管；其中，第一整流 二极管的阳极和第四整流二极管的阴极与变压器的一端相连接，第二整流二极管的阳极和 第三整流二极管的阴极与变压器的另一端相连接，第三整流二极管和第四整流二极管共阳 极连接并接地；所述滤波电路包括两个滤波电容、一个滤波电阻、一个限流电阻和一个稳压 二极管；其中，第一整流二极管和第二整流二极管共阴极连接第一滤波电容的一端，第一滤 波电容的该端串联一个滤波电阻后与第二滤波电容的一端相连；第一滤波电容的另一端连 接第三整流二极管的阳极，第一滤波电容的该端还与第二滤波电容的另一端直接相连；第 二滤波电容的一端串联限流电阻后再与稳压二极管的阳极相连，第二滤波电容的另一端直 接与稳压二极管的阴极相连。

　[0011] 本发明进一步提供了基于智能材料的自供电式机泵安康传感器的实现方法，是将 前述自供电式机泵安康传感器安装在机泵设备上，在机泵的运行过程中振动引起压电俘能 器中弹性部件的振动，进一步引起粘贴在上面的压电材料层的振动，从而在压电材料层产 生应力；由于压电材料的力电耦合性能，在应力的作用下于其上下表面产生电荷，从而将机 泵振动产生的能量转化成电能，再通过控制电路板给振动监测传感器供电；该过程中，由压 电材料层产生的电压V p 通过变压器变换到一个1-5V交流电压，通过四个整流二极管的整流 作用，将交流电压转换成脉动直流电压；再通过两个滤波电容和滤波电阻的滤波作用，将脉 动直流电压转化成直流电压；最后通过限流电阻和稳压二极管的调节输出一个1-5V的稳定 直流电压，从而实现对振动监测传感器的供电；振动监测传感器将采集的振动信号通过无 线网关或者有线的方式连接到上位计算机，从而实现机泵振动信号的采集与传递(后期由 上位计算机进一步实现安全和健康监测)。

　[0012] [0013] 发明原理描述：

　针对现有传感器需要定期更换电池的缺点，本发明提供一种基于压电材料的能量 采集装置，并将该装置应用到机泵安康传感器上，能够将机泵振动的能量转换为电能并存 储从而实现可自供电式机泵安康传感。

　[0014] 本发明中，振动俘能器主要是基于智能材料的能量采集而实现。例如采用压电材 料设计振动俘能器，弹性梁(也可以选择适当形状的弹簧或弹性簧片)上面粘贴压电材料 层，压电材料层的尺寸大小与粘贴位置决定了能量采集的效率。根据不同的机泵结构及运 行转速等设计不同的大小及粘贴位置，从而将振动俘能器振动产生的电压信号通过控制电 路后连接到传统的振动监测传感器结构。

　[0015] 本发明将压电俘能器装置(图2)和振动监测传感器集合，利用智能材料的力电耦 合性能采集机泵运作过程中振动产生的能量，经过后端控制电路板的处理，转化为稳定的 电压V接入振动监测传感器，通过振动监测传感器采集机泵振动过程中产生的各种振动信 号，并通过无线网关或者有线上传到上位计算机，进行机泵的安全与健康监测。

　[0016] 本发明中智能材料可采用压电陶瓷，压电聚合物等材料，或者其他具有力电耦合 性能即在力的作用下可以产生电的智能材料(如挠电材料等)。本发明中所述的振动监测传 感器内置无线通信模块，如LoRa、NB-IoT或WiFi无线通信模块；所述无线网关是LoRa、NB- IoT或WiFi无线通信网关中的任意一种。

　[0017] [0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

　1、本发明的自供电式机泵安康传感器结构简单，安装使用方便，故障率低，应用更

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　广泛。

　说 明 书

　 3/4 页 [0019] 2、本发明通过采集机泵振动的能量给机泵安康传感器供电，解决了需要定期更换 电池的缺点。

　[0020] 3、本发明可以将浪费的机械能转换为电能，提高能源的利用程度，节省资源。

　 附图说明 [0021] [0022] [0023] [0024] [0025] [0026] 图1是本发明的整体结构框架图。

　图2是本发明的振动俘能器的结构示意图； 图3是本发明的控制电路板的电路图； 图4是本发明的机泵安康传感过程示意图； 图5是本发明的应用方式示意图。

　图2中的附图标记：1压电材料层；2弹性梁；3导线。

　 具体实施方式 [0027] [0028] 下面结合附图对本发明做进一步说明，但并不作为对本发明限制的依据。

　如图1所示，基于智能材料的可自供电式机泵安康传感器包括：振动俘能器、控制 电路板与振动监测传感器。振动俘能器能将振动产生的电压信号通过控制电路板后连接到 传统的振动监测传感器，构成基于智能材料的自供电式机泵安康传感器。

　[0029] 振动俘能器主要是基于智能材料的能量采集装置，本例中采用压电材料设计振动 俘能器，如图2所示。该能量采集装置包括压电材料层1与弹性梁2，压电材料层1上下两层均 匀覆盖电极，并分别引出导线3。压电材料层1均匀粘贴在弹性梁2的表面。压电俘能器通过 振动输出电压V p ，弹性梁2厚度为h ,宽度为b，长度为L ,弹性梁2左端固定。压电材料层1厚度 为h e ，宽度为b，长度为(x 2 -x 1 )，粘贴位置从x 1 到x 2 。

　[0030] 如图3所示，控制电路板的控制电路为：变压器T输入端连接压电俘能器导线3，接 入压电俘能器的输出电压V p ，输出端连接全桥整流电路，整流电路包括四个整流二极管D1、 整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4，整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极 和变压器T的一端相连接，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极和变压器T的另一端 相连接，整流二极管D3和整流二极管D4共阳极连接并接地，整流二极管D1和整流二极管D2 共阴极连接滤波电容C1的一端 ,滤波电容的C1的另一端连接整流二极管D3的阳极，滤波电 容C1的一端串联一个滤波电阻R1后与滤波电容C2的一端相连，滤波电容C1的另一端直接于 滤波电容C2的另一端相连接，滤波电容C2的一端串联一个限流电阻Rs后再与稳压二极管Dz 的阳极相连，滤波电容C2的另一端直接与稳压二极管Dz的阴极相连。

　[0031] 如图4所示，所述的机泵安康传感监测过程为：将控制电路板输出的电压V接入振 动监测传感器，由振动监测传感器采集机泵振动过程中产生的各种振动信号，并通过无线 网关或者有线上传到上位计算机，进行机泵的安全与健康监测。

　[0032] 基于智能材料的自供电式机泵安康传感器的实现方法：将压电俘能器结构安装在 机泵设备上，在机泵运行的过程中机泵的振动将引起压电俘能器中弹性梁2的振动，弹性梁 的振动将引起粘贴在上面的压电材料层1的振动，从而在压电材料层产生应力。由于材料的 力电耦合性能，在应力的作用下，将在压电材料层1的上下表面产生电荷，从而将机泵振动

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　说 明 书

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　的能量转化成电能，再通过控制电路板给振动监测传感器供电。由压电材料层1产生的电压 V p 通过一个变压器T变换到一个1V-5V交流电压，通过4个整流二极管的整流作用，将交流电 压转换成脉动直流电压，再通过两个滤波电容和滤波电阻的滤波作用，将脉动直流电压转 化成直流电压，最后通过限流电阻Rs和稳压二极管Dz的调节输出一个1V-5V的稳定直流电 压，从而给振动监测传感器供电。振动监测传感器采集的振动信号通过无线网关或者有线 的方式连接到上位计算机，从而实现机泵的安全和健康监测(具体可应用的方式如图5所 示)。

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　说 明 书 附 图

　图1

　 图2

　图3

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　说 明 书 附 图

　 图4

　图5

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