徐雨琴，董良雄，陳天然，俞嘉陽(yáng)

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

船舶推進(jìn)軸系是船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)中的重要部件，因發(fā)生故障所引發(fā)的事故后果相當(dāng)嚴(yán)重，所以其可靠性和穩(wěn)定性對(duì)于船舶安全具有重要意義。根據(jù)《海船系泊和航行試驗(yàn)通則》，船舶投入營(yíng)運(yùn)前一般需要進(jìn)行軸系扭振測(cè)試，此外在軸系的故障診斷中也常常需要進(jìn)行軸系扭振測(cè)試[1]。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置長(zhǎng)期有效的工作，首先需要解決的問(wèn)題是為監(jiān)測(cè)裝置提供足夠的、長(zhǎng)期的能量，而現(xiàn)有的測(cè)試技術(shù)一般采用應(yīng)變片測(cè)試應(yīng)力信號(hào)，然后再用加速度傳感器、位移傳感器測(cè)試，將應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)信號(hào)。并且利用電池提供電源，但這種裝置的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間和使用壽命較短，在軸系的故障監(jiān)測(cè)報(bào)警中的運(yùn)用會(huì)受到很大的限制。為了保證軸系扭振監(jiān)測(cè)的連續(xù)性，就必須不斷地更新電池[2]，但在實(shí)際操作中，這是非常困難的。目前，通過(guò)采收周圍環(huán)境中能量為傳感器供能已成為研究熱點(diǎn)，其中壓電式能量收集具有易于集成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。代顯智[3]通過(guò)采集環(huán)境的能量源，實(shí)現(xiàn)了傳感器的自供電并解決了無(wú)線傳感器攜帶電池能量有限的問(wèn)題；文玉梅[4]針對(duì)能量采集器的輸出功率過(guò)低，根據(jù)根據(jù)調(diào)諧和阻抗變換原理對(duì)能量采集器進(jìn)行了阻抗匹配，設(shè)計(jì)振動(dòng)自供能無(wú)線傳感器的電源管理電路；陳韜[5]提出了在一些缺乏環(huán)境能源的條件下，單對(duì)多點(diǎn)激光主動(dòng)供能方式為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供能；但這些研究只針對(duì)了如何為傳感器供能作為影響推進(jìn)軸系的其中一個(gè)因素來(lái)簡(jiǎn)單分析和考慮。根據(jù)該思路，本文提出了一種能收集船舶軸系扭振中的能量，并加以儲(chǔ)存，從而為監(jiān)測(cè)裝置供能，又解決了推進(jìn)軸系的振動(dòng)持續(xù)監(jiān)測(cè)問(wèn)題的方案。

1 自供電的振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)原理

自供電軸系扭振監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括三部分，它們分別是無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊、能量收集存儲(chǔ)模塊、壓電發(fā)電模塊。壓電發(fā)電模塊采用雙晶懸臂梁式壓電振子，壓電自發(fā)電的理論基礎(chǔ)是正壓電效應(yīng)，利用壓電振子的變形來(lái)完成機(jī)械能往電能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電的目的。能量存儲(chǔ)電路由能量收集器、電池充電器和鋰電池這三部分構(gòu)成，其中的壓電發(fā)電裝置具有體積小、質(zhì)量輕（大約150 g）、不會(huì)產(chǎn)生干擾等優(yōu)良特性。其作用是將壓電振子產(chǎn)生強(qiáng)度較為衰弱的交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊需要的強(qiáng)度較為平穩(wěn)恒定的直流電；無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊由微處理器、無(wú)線收發(fā)器和傳感器這三部分構(gòu)成，這三個(gè)模塊形成了一個(gè)完整的自供電無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 自供電的振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of Self-powered vibration monitoring device

2 壓電振子自發(fā)電結(jié)構(gòu)

裝置采用的結(jié)構(gòu)是雙晶懸臂梁式壓電振子[6]，其外形如圖2所示，它由壓電層與中性層組成，發(fā)電能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。中性層可采用可導(dǎo)電磷青銅薄板；壓電層采用PZT-5H壓電陶瓷，位于金屬薄板上下端面。通過(guò)導(dǎo)電膠使金屬薄板與壓電層進(jìn)行粘接，其發(fā)電原理主要以第一類壓電方程為基礎(chǔ)，其邊界條件是電學(xué)短路、機(jī)械自由情況，如式（1）所示：

式中：εT為介電常數(shù)；E為電場(chǎng)；dt為d的轉(zhuǎn)置；SE為彈性柔順系數(shù)；S為應(yīng)變；T為應(yīng)力；d為壓電應(yīng)變常數(shù)；D為電位移。

在外界激振力振動(dòng)下，壓電層會(huì)發(fā)生變形，由于壓電效應(yīng)，表面產(chǎn)生電荷;而當(dāng)振動(dòng)停止時(shí)，形狀恢復(fù)，此時(shí)電荷消失。當(dāng)處于諧振狀態(tài)時(shí)，即外在激振頻率等于壓電振子的固有頻率時(shí)，壓電材料產(chǎn)生最大變形[7]，發(fā)電效果最佳，輸出電壓或電荷量最大。。

壓電振子長(zhǎng)50 mm，寬10 mm，厚1.3 mm。在簡(jiǎn)諧正弦激振力的作用下，簡(jiǎn)諧正弦激振力的幅值電壓Vp-p為0.3 V，不同激振頻率其輸出功率如圖3所示，顯而易見，壓電振子在激振頻率為54.05 Hz的作用下[8]，輸出功率為945 μW，此時(shí)它的變形最大，發(fā)電能力最強(qiáng)。

3 能量收集存儲(chǔ)電路搭建

圖2 雙晶懸臂梁式壓電振子Fig.2 The double cantilever type of piezoelectric vibrator

圖3 壓電振子輸出功率-激陣頻率關(guān)系圖Fig.3 The change of Piezoelectric oscillator output power with Burst frequency

電路的組成部分分別是2個(gè)LTC407電池充電器、1個(gè)LTC3588-1能量收集器、2個(gè)LIR7508 mAh鋰電池以及外部電路，如圖4所示。LTC3588-1內(nèi)部集成了一個(gè)效率較高的降壓型轉(zhuǎn)換器和一個(gè)全波橋式、損耗較低的整流器，可在2.7～20 V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，該裝置選3.3 V作為工作電壓。LTC3588-1將壓電振子產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流輸出，為無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊供電[9]。與此同時(shí)通過(guò)采用充電電路以及LTC4071芯片，將剩下的能量存儲(chǔ)在充電電池中，LTC4071能對(duì)鋰電池進(jìn)行連續(xù)充電或者斷續(xù)充電，充電電流范圍為550 nA～50 m A。因?yàn)槠涔ぷ麟娏鬏^低，很合適給低容量的鋰離子電池收集能量[10]。該能量收集存儲(chǔ)模塊有充電和放電兩種工況，根據(jù)環(huán)境中采收能量與否，充電模式與放電模式可以交替運(yùn)行。

（1）充電工況：能量收集裝置在軸系的連續(xù)振動(dòng)下進(jìn)入充電工況[11]，壓電發(fā)電模塊通過(guò)壓電振子的彎曲變形，壓電發(fā)電模塊產(chǎn)生了微弱的交流電信號(hào)，該信號(hào)被送入能量收集存儲(chǔ)模塊[12]，經(jīng)過(guò)LTC3588-1的整流作用將信號(hào)存儲(chǔ)在電容C2上，同時(shí)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成3.3 V標(biāo)準(zhǔn)電壓，然后將其輸出。與此同時(shí)，存儲(chǔ)在電容C2上的電能在通過(guò)LTC4071芯片的調(diào)理后，為鋰電池充電。

（2）放電工況：當(dāng)壓電發(fā)電模塊沒(méi)有電荷輸出時(shí)，LTC3588-1的VIN端電壓會(huì)因而下降，此時(shí)充電電池開始釋放電荷至C2。將無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊中采集的數(shù)據(jù)送入無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊并發(fā)送給附件的接受裝置。

圖4 能量收集電路Fig.4 Energy harvesting circuit

4 無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)

為兼顧低功耗和可靠性，裝置選用基于CC2530芯片的ZigBee片上的系統(tǒng)，該芯片內(nèi)含AD轉(zhuǎn)換模塊，壓電振子的系統(tǒng)通訊采用2.4 GHz的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。由于采用了0.18 μm CMOS生產(chǎn)工藝，CC2530芯片在發(fā)射和接收模式下，電流損耗分別低于27 mA和25 mA，特別適合供電能力較弱的工況。為更大程度上節(jié)省能量，模塊分別采用監(jiān)測(cè)模式和休眠模式兩種間歇工作方法：

（1）休眠模式：當(dāng)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)且扭振幅度較小時(shí)，軸系扭振處于安全工作范圍內(nèi)，不需要持續(xù)監(jiān)測(cè)。同時(shí)壓電振子產(chǎn)生電荷的能力較弱，因此可使無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)入休眠模式。在該模式下自發(fā)電模塊繼續(xù)工作，并能在扭振幅度增強(qiáng)時(shí)迅速喚醒無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊，進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式。

（2）監(jiān)測(cè)模式：經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的集能量，無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊電量超過(guò)一定的值，或是軸系振動(dòng)幅度增加到一定的值，都會(huì)喚醒無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式，軸系振動(dòng)幅度增加，剛好滿足了電信號(hào)采集與發(fā)送的能量需求[13]。

表1 無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊工作模式參數(shù)Tab.1 The parameters of Wireless node module operating mode

由表1中可知，處于監(jiān)測(cè)模式時(shí)，只要激振頻率達(dá)到10以上，若需要節(jié)點(diǎn)工作時(shí)的占空比為1%，壓電發(fā)電模塊在節(jié)點(diǎn)休眠的時(shí)間內(nèi)能夠積累約100 mA的電荷，這滿足節(jié)點(diǎn)一次工作要求，因?yàn)榇笥诠?jié)點(diǎn)收發(fā)一次所需能量；從休眠模式轉(zhuǎn)換到工作模式的所需時(shí)間短，所需時(shí)間符合節(jié)點(diǎn)供電收集能量所需的時(shí)間[14]。與此同時(shí)，在大概100 h的時(shí)間內(nèi)，兩塊容量為8 mAh的LIR750可充電鋰電池就能夠充滿電。

5 振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置性能測(cè)試

根據(jù)檢測(cè)要求，振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)量范圍可以進(jìn)行推算，即根據(jù)軸系各部件承受的扭振力矩或扭應(yīng)力推算頻譜數(shù)據(jù)及振幅。本文所取例船參數(shù)為：轉(zhuǎn)速129 r/min，功率7 860 kW，中間軸頸直徑300 mm，其許用值/瞬時(shí)許用值為65.42/111.21（N/mm2），軸系共振轉(zhuǎn)速59.0 r/min，軸系的常用工況頻率為8～17 Hz，進(jìn)而按軸系自由振動(dòng)的Holzer表可推算出許用振幅為0.53～1.376（deg）。

根據(jù)裝置的工作頻率，為了對(duì)其綜合性能進(jìn)行分析，利用激振器給裝置提供各種頻率和幅值的工況，測(cè)量能量收集電路開路電壓與振動(dòng)頻率，然后分析確定兩者之間的關(guān)系。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 輸出電壓與激勵(lì)頻率之間的關(guān)系圖Fig.5 The change of the output voltage with excitation frequency

圖6 節(jié)點(diǎn)占空比與激勵(lì)振幅之間的關(guān)系圖Fig.6 The change of the Node duty cycle with Excitation amplitude

從圖5可以看出，能量收集器輸出的電壓最大時(shí)的外部激勵(lì)信號(hào)約為12 Hz。根據(jù)測(cè)算，在軸系的常用工況，在大約為50 h的時(shí)間內(nèi)，兩塊LIR750容量為8 mAh的可充電鋰電池就可以充滿電。根據(jù)船舶軸系振動(dòng)能量的供應(yīng)特點(diǎn)，可將8 Hz，17 Hz作為系統(tǒng)工作的振動(dòng)閾值[15]，當(dāng)裝置監(jiān)測(cè)模塊判斷出船舶軸系扭振幅度小于或等于第一扭振閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)入休眠模式；當(dāng)軸系扭振幅度大于或等于第二扭振閾值時(shí)，監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式。

進(jìn)一步根據(jù)軸系的常用頻率11、12、13、14、15 Hz[16]，選擇激振器不同的簡(jiǎn)諧正弦信號(hào)幅值，進(jìn)行無(wú)線模塊工作性能測(cè)試。測(cè)取節(jié)點(diǎn)工作的占空比與振動(dòng)幅值之間的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，在0.53～1.8（deg）區(qū)域，工作的占空比為1%～3%，振動(dòng)幅度越強(qiáng)則占空比越高，這樣基本滿足振動(dòng)監(jiān)測(cè)的周期間隔要求，因此裝置能夠?qū)S系運(yùn)轉(zhuǎn)許用應(yīng)力超過(guò)70%的工況進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。

6 結(jié)論

針對(duì)船舶推進(jìn)軸系的監(jiān)測(cè)需求，提出了一種自供電無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案,并研制出了自供電的激振測(cè)試裝置。該裝置利用壓電自發(fā)電結(jié)構(gòu)及能量收集存儲(chǔ)電路，收集軸系振動(dòng)產(chǎn)生的能量，并加以儲(chǔ)存，從而為監(jiān)測(cè)裝置供能，有效解決了目前船舶軸系扭振測(cè)試中的持續(xù)供電難題。同時(shí)自供電裝置性能穩(wěn)定，體積小，發(fā)電量大，輸入與輸出信號(hào)的線性度良好。同軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)軸系的參數(shù)幾乎沒(méi)有多大影響。該裝置既能對(duì)推進(jìn)軸系振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，又可適用于各種復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境。

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