矿用自俘能无线监测系统性能提升技术研究

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1、西安科技大学硕士学位论文矿用自俘能无线监测系统性能提升技术研究专业名称：机械电子工程作者姓名：邓鹏飞指导教师：张旭辉论文题目：矿用自俘能无线监测系统性能提升技术研究专业：机械电子工程硕士生：邓鹏飞（签名）指导教师：张旭辉（签名）摘要传统有线监测所存在的传感器布线难、通信难和能源供给难等问题已不能满足现代化煤矿井下的监测需求，借助振动能量收集技术和无线传感器网络技术设计的矿用自俘能无线监测系统能很好的解决煤矿井下复杂环境中的设备监测问题。课题组前期研发的振动能量收集系统存在俘能效率低等问题，因此，本文致力于矿用自俘能无线监测系统的性能和效率

2、提升技术研究。论文系统分析基于振动能量收集技术的无线监测系统的性能影响因素，给出系统效率提升总体方案，从俘能、储能和用能几个方面入手，设计新一代可更换能量收集模块的多方向振动能量收集装置，改进能量收集电路和无线监测模块节能策略。针对能量收集装置的换能结构复杂、阻尼大等问题，进行优化设计，设计一种可更换能量收集模块的多方向振动能量收集装置，建立单个能量收集模块的数学模型，分析其动力特性和机电耦合性能，并借助ANSYS有限元软件对装置进行动态仿真，优化装置中的弹簧、质量块、压电陶瓷等关键尺寸或参数。在原有能量收集电路基础之上设计新型并联六路能量收集电路以

3、解决换能器压电陶瓷在机电耦合过程中高阻抗、高电压、极小电流问题；同时对无线监测模块提出了节能策略来降低功耗、延长监测时间从而提高系统性能。最后，在理论计算和仿真研究基础之上优化了能量收集装置、设计实验方案并搭建了实验平台，对系统各模块功能进行验证。通过实验数据分析，改进后的能量收集装置最大峰值电压比原有装置可提高大约11倍，最大输出功率达到28.75μW。通过对系统总体的调试，其各项性能满足功能要求。关键词：全方向俘能器；能量收集装置；数学建模；有限元仿真优化；性能提升研究类型：应用研究Subject:ResearchonImprovingTechn

4、ologiesforSelf-energyWirelessMonitoringSysteminCoalMineSpecialty:MechanicalEngineeringName:DengPengfei(Signature)。Instructor:ZhangXuhui(Signature)。ABSTRACTSensorstraditionalwiredmonitoringtheexistenceofwiringdifficulties,communicationdifficultiesandenergysupplydifficultiesandot

5、herproblemscannotmeetthemonitoringrequirementsofmoderncoalmine,withthehelpofvibrationenergyharvestingandwirelesssensornetworktechnologydesignedminefromenergyharvestingwirelessmonitoringsystemcanbeverygoodsolutioncoalminecomplexenvironmentmonitoringequipmentproblems.Ourpreviousv

6、ibrationalenergycollectionsystemdevelopedbythepresenceofenergyharvestingandlowefficiency,therefore,committedtothisarticleofminefromtheperformanceandefficiencyofenergyharvestingwirelessmonitoringsystemtoenhancetechnologyresearch.Thispapersystematicallyanalyzestheinfluencefactors

7、oftheperformanceofwirelessmonitoringsystembasedonvibrationenergyharvestingtechnology,fromenergyharvesting,energystorageandenergyaspectsstarttodesignanewgenerationofenergyharvestingmodulecanreplacemultipledirectionsvibrationenergyharvestingdevices,circuits,andimprovedenergyharve

8、stingwirelessmonitoringmoduleenergy-savingstrategies.T