基于压电效应的煤矿井下能量采集系统设计

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1、第４０卷第１２期煤炭科学技术Ｖｏｌ?４０Ｎｏ?１２２０１２年１２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｃ.２０１２基于压电效应的煤矿井下能量采集系统设计１１１２丁恩杰ꎬ王丹ꎬ蒋龙娇ꎬ安璐(１?中国矿业大学信息与电气工程学院ꎬ江苏徐州２２１００８ꎻ２?中航工业雷达与电子设备研究院ꎬ江苏苏州２１５１５１)摘要:针对无线传感器网络节点传统的供电电池供能寿命有限ꎬ能量耗尽需重复充电或定期进行更换的现状ꎬ设计了一种由能量转化芯片ＬＴＣ３５８８－１和压电振动传感器Ｖ２１ＢＬ构成的单芯片压电能量采集系统ꎮ通过采集工作面采煤机工作时电机产生的振动能量ꎬ并将此振动机械能转化成电

2、能ꎬ存储在电容或者可充电电池中ꎬ为传感器节点供电ꎬ从而延长了传感器节点的使用寿命ꎮ关键词:无线传感器网络ꎻ传感器节点ꎻ压电效应ꎻ振动能量ꎻ能量采集系统ꎻ充电电池中图分类号:ＴＰ３９３文献标志码:Ａ文章编号:０２５３－２３３６(２０１２)１２－００７１－０４ＤｅｓｉｇｎｏｎＥｎｅｒｇｙＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｉｎＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＭｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＥｆｆｅｃｔ１１１２ＤＩＮＧＥｎ￣ｊｉｅꎬＷＡＮＧＤａｎꎬＪＩＡＮＧＬｏｎｇ￣ｊｉａｏꎬＡＮＬｕ(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣ

3、ｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ２２１００８ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣｈｉｎａＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲａｄａｒａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｑｕｉｐｍｅｎｔꎬＳｕｚｈｏｕ２１５１５１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｎｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｌｉｍｉｔｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｂａｔｔｅｒｙｆｏｒｔｈｅｍｏｄｅｏｆｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｒｅｃｈａｒｇｉｎｇｏｒｐｅｒｉｏｄｉｃａ

4、ｌｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｅｍｐｔｙｂａｔｔｅｒｙꎬａｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｏｓｅｄｗｉｔｈａｎｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｔｅｄｓｈｉｐＬＴＣ３５８８－１ａｎｄａｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒＶ２１ＢＬｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｏｃｃｕｒｒｅｄｂｙｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒｄｕｒｉｎｇｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏａｌｓｈｅａｒｅｒｉｎｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅꎬｔｈｅｖｉｂ

5、ｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｃｏｕｌｄｂｅｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏａｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｓｔｏｒｅｉｎｔｈｅｃａｐａｃｉｔｏｒｏｒｔｈｅｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅｂａｔｔｅｒｙｔｏｓｕｐｐｌｙｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｔｏｔｈｅｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐａｎｄｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋꎻｓｅｎｓｏｒｎｏｄｅꎻｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔꎻｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙꎻｅｎｅｒｇｙｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅ

6、ｍꎻｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅｂａｔｔｅｒｙ无线传感器网络ＷＳＮ在农业、工业、建筑业、感器节点延长应用寿命和降低成本的关键ꎮ为此ꎬ医疗、智能交通和环境监测各个领域都得到了广泛国内外很多高校和科研机构一直致力于研发有效的[１][２]应用ꎮＺｉｇｂｅｅ技术作为一种近距离无线网络技术替代产品ꎮ笔者研究了利用能量采集器采集并以其低成本、低功耗等优势ꎬ在煤矿井下得到了应存储周围环境中的能量ꎬ为无线传感器节点提供持用ꎬ从采煤工作面瓦斯、ＣＯ等气体浓度ꎬ到液压续的电能技术ꎮ支架压力的监测ꎬ其超低功耗的特点ꎬ使得无线传１压电式振动能量采集器的工作原理感器网络节点采用电池供电成为可能ꎮ然而ꎬ无线

7、传感器节点都是放置在环境恶劣、人员不好到达的１?１压电效应地方ꎬ目前一次性电池或者可充电电池仍然是首当压电材料在外力作用下发生形变ꎬ就会导致选ꎮ尽管电池的储能密度和使用寿命不断提高ꎬ但内部材料的正电荷与负电荷中心发生相对位移ꎬ产受容量和体积的限制ꎬ供能寿命有限ꎬ制约传感器生极化现象ꎬ最终体现在使得材料的２个表面上生节点的使用寿命ꎮ因此电源问题越来越成为无线传成了等量异质的束缚电荷ꎮ施加的外力越大ꎬ产生收稿日期:２０１２－０６－１５ꎻ责任编辑:赵瑞基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(６０９７２０５９)