具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备及方法

摘要

本发明属于智能检测技术领域，涉及具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备及方法。该检测设备的托辊外壳套置在托辊轴外侧，托辊轴与托辊外壳的轴线保持一致，托辊外壳与托辊轴的相接端之间通过轴承相互连接；位于托辊外壳内腔的托辊轴上设有自检模块、环境监测模块及叶轮式压电阵列发电机；叶轮式压电阵列发电机通过托辊外壳转动产生电力为自检模块、环境监测模块供电。本发明将普通的带式输送机托辊作为检测设备的载体，充分利用了托辊的内部空间和结构特征，使其同时具备环境监测‑尤其是矿井、化工生产等具有防爆需求或用电限制条件下的环境监测，和托辊的自我检测功能。

权利要求

1.具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，其特征在于：其中托辊包括托辊轴，托辊外壳；托辊外壳套置在托辊轴外侧，托辊轴与托辊外壳的轴线保持一致，托辊外壳与托辊轴的相接端之间通过轴承相互连接；位于托辊外壳内腔的托辊轴上设有自检模块、环境监测模块及叶轮式压电阵列发电机；叶轮式压电阵列发电机通过托辊外壳转动产生电力为自检模块、环境监测模块供电；所述的叶轮式压电阵列发电机包括压电端永磁体，托辊端永磁体阵列，压电片，压电片安装架；所述的压电片安装架与托辊轴同轴布置，压电片安装架的外周面布置若干根压电片；若干根压电片沿压电片安装架的径向向外侧延伸；托辊外壳内腔壁按圆周排列托辊端永磁体阵列；压电片延伸至托辊端永磁体阵列的前端，压电片的接近托辊端永磁体阵列的一端部上设有压电端永磁体；所述的压电片安装架为多边形柱体状结构，压电片安装架的轴面为多边形；压电片安装架的每一个轴向端面上均布置压电片。

2.根据权利要求1所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，其特征在于：所述的自检模块通过自检模块安装架布置在托辊轴，分别位于叶轮式压电阵列发电机的两侧，所述的自检模块包括温度传感器，加速度传感器，自检数据处理电路，超级电容，电能处理电路；所述的加速度传感器沿托辊轴的径向相互固定，加速度传感器靠近托辊轴与托辊外壳之间的轴承部；温度传感器、自检数据处理电路、超级电容，电能处理电路均布置在自检模块安装架上。

3.根据权利要求2所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，其特征在于：还包括环境监测模块，无线通讯模块；所述环境监测模块与无线通讯模块由叶轮式压电阵列发电机进行供电；所述的环境监测模块位于含有底座的环境监测模块外壳内，无线通讯模块位于环境监测模块外壳外部；所述的环境监测模块外壳布置在托辊轴的一端。

4.根据权利要求3所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，其特征在于：所述的环境监测模块包括环境数据处理电路，温度传感器，烟雾传感器，多功能气体传感器；所述的环境监测模块，温度传感器，烟雾传感器，多功能气体传感器均布置在底座上，环境监测模块外壳上设有若干个贯通其内部的通气孔。

5.根据权利要求4所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，其特征在于：所述的环境监测模块外壳的外侧设有拾音器。

6.根据权利要求4所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备的方法，其特征在于：托辊自检步骤如下：

步骤1、托辊外壳转动带动其内的叶轮式压电阵列发电机产生电力；

步骤2、供电后温度传感器，加速度传感器、自检数据处理电路开始工作；

步骤3、通过温度传感器、加速度传感器采集位于托辊内部的两个轴承附近的温度和振动的检测数据；

步骤4、利用步骤3获取的检测数据通过自检数据处理电路分析和处理，得到报警信息和托辊故障信息；

步骤5、将得到的报警信息和托辊故障信息通过无线通讯模块发送给上位机或控制台，实现托辊自检和故障报警。

7.根据权利要求5所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备的方法，其特征在于：环境监测步骤如下：

步骤1、托辊外壳转动带动其内的叶轮式压电阵列发电机产生电力；

步骤2、供电后环境温度传感器、烟雾传感器、多功能气体传感器、拾音器开始工作，采集环境中的温度、烟雾浓度、气体浓度、噪声数据；

步骤3、利用环境数据处理电路分析温度、烟雾浓度、气体浓度、噪声数据得到环境异常信息和事故报警信息；

步骤4、将得到的环境异常信息和事故报警信息通过无线通讯模块发送给上位机或控制台，实现环境监测和事故报警。

说明书

具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备及方法

技术领域

[0001] 本发明属于智能检测技术领域，涉及具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备及方法。

背景技术

[0002] 在井工煤矿、石油石化、化工燃气等具有防爆安全需求的工业生产过程中，可燃气体浓度、粉尘浓度、环境温度、噪音等是重要的环境监测指标，对上述指标的实时监测是事
故防护和灾害预警的重要手段。

[0003] 目前对此类工况的环境监测普遍采用安置环境监测节点的方式解决，但安装这些设备不但需要占用额外空间，还必须提供蓄电池或电缆等配套的供电设施，这在如煤矿等
有严格防爆要求或用电限制的生产环境下是有较高成本或使用限制的，不利于生产安全。

[0004] 带式输送机是最常见的物料运输装备，已经被广泛应用于化工原料、井下煤矿等物料的长距离或超长距离运输作业中，在这些场景中带式运输设备甚至可以覆盖80%以上
的运输线路。托辊作为在带式输送机上均匀分布的部件，具有数量多、分布广的特点，目前
常用的以人工巡检为主的检测方式往往难以及时准确的发现托辊故障，可能为各类安全事
故埋下隐患。

[0005] 由于托辊自身具备覆盖面积广、分布均匀的优势，且其自转的运动特性和具有空腔的结构特点十分适合承载自发电装置和各类检测设备，因此具备同时解决恶劣危险环境
下的环境检测和托辊自检问题的潜力。

发明内容

[0006] 本发明为了解决矿井、化工生产等具有防爆需求或用电限制环境下的带式输送机托辊及其周围环境的实时监测问题，提出了具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设
备及方法。

[0007] 本发明采用如下技术方案：

[0008] 本发明所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，主要由托辊、环境监测模块、自检模块、无线通信模块和叶轮式压电阵列发电机组成。所述的托辊包括托辊
轴，托辊外壳；托辊外壳套置在托辊轴外侧，托辊轴与托辊外壳的轴线保持一致，托辊外壳
与托辊轴的相接端之间通过轴承相互连接；位于托辊外壳内腔的托辊轴上设有自检模块、
环境监测模块及叶轮式压电阵列发电机，环境监测模块的外壳上还安装有无线通讯模块。

[0009] 本发明所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，所述的叶轮式压电阵列发电机包括压电端永磁体，托辊端永磁体阵列，压电片，压电片安装架；所述的压电
片安装架与托辊轴同轴布置，压电片安装架的外周面布置若干根压电片；若干根压电片沿
压电片安装架的径向向外侧延伸；托辊端永磁体阵列在托辊外壳内腔壁沿圆周方向均匀排
列；压电片延伸至托辊端永磁体阵列的前端，但不与永磁体阵列接触，压电片接近托辊端永
磁体阵列的一端上设有压电端永磁体，压电端永磁体的磁极与托辊端永磁体的磁极互斥。
当托辊外壳旋转时，受互斥磁力作用，压电片进行持续振动，进而产生电能，为自检模块、环
境监测模块和无线通信模块供电。

[0010] 本发明所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，所述的压电片安装架为多边形柱状结构，压电片安装架的柱面为多边形；压电片安装架的每一个周向端面
上均可布置压电片。

[0011] 本发明所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，所述的自检模块通过自检模块安装架布置在托辊轴，分别位于叶轮式压电阵列发电机的两侧，所述的自检
模块包括温度传感器，加速度传感器，自检数据处理电路，超级电容，电能处理电路；所述的
加速度传感器沿托辊轴的径向固定，加速度传感器靠近托辊的轴承部；温度传感器和加速
度传感器与自检数据处理电路通过有线连接，可实现数据及电能的传输。自检数据处理电
路和超级电容则与电能处理电路相连，其中电能处理电路可处理叶轮式压电阵列发电机产
生的电能，并控制超级电容的充电和放电，为自检数据处理电路供能。所述的温度传感器、
自检数据处理电路、超级电容及电能处理电路均布置在自检模块安装架上。温度传感器可
采用MF55 103F3950型号，加速度传感器可采用KS77C型号。

[0012] 本发明所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，还包括环境监测模块和无线通讯模块；所述的环境监测模块通过环境监测模块外壳安装于托辊轴一端的端
面上，无线通讯模块安装于环境监测模块外壳的安装位上，无线通讯模块的天线穿出环境
监测模块外壳。

[0013] 本发明所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，所述的环境监测模块包括环境监测模块外壳，环境监测模块底座，环境数据处理电路，温度传感器，烟雾传
感器，多功能气体传感器和拾音器；所述的温度传感器，烟雾传感器，多功能气体传感器均
集成在环境数据处理电路上，所述拾音器通过数据线与环境数据处理电路连接，环境数据
处理电路布置在底座上，环境监测模块外壳的上设有若干个贯通其内部的通气孔。环境监
测模块外壳的外侧设有拾音器。

[0014] 上述环境温度传感器型号为：DS18B20，烟雾传感器型号：MQ‑2，气体传感器型号为：JXM‑LEL，拾音器型号为：DS‑2FP3021‑OW。

[0015] 本发明所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备的方法，托辊自检步骤如下：

[0016] 步骤1、托辊外壳转动带动其内的叶轮式压电阵列发电机产生电力；

[0017] 步骤2、供电后温度传感器，加速度传感器、自检数据处理电路开始工作；

[0018] 步骤3、通过温度传感器、加速度传感器采集位于托辊内部的两个轴承附近的温度和振动的检测数据；

[0019] 步骤4、利用步骤3获取的检测数据通过自检数据处理电路分析和处理，得到报警信息和托辊故障信息；

[0020] 步骤5、将得到的报警信息和托辊故障信息通过无线通讯模块发送给上位机或控制台，实现托辊自检和故障报警。

[0021] 本发明所述的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备的方法，环境监测步骤如下：

[0022] 步骤1、托辊外壳转动带动其内的叶轮式压电阵列发电机产生电力；

[0023] 步骤2、供电后环境温度传感器、烟雾传感器、多功能气体传感器、拾音器开始工作，采集环境中的温度、烟雾浓度、气体浓度、噪声数据；

[0024] 步骤3、利用环境数据处理电路分析温度、烟雾浓度、气体浓度、噪声数据得到环境异常信息和事故报警信息；

[0025] 步骤4、将得到的环境异常信息和事故报警信息通过无线通讯模块发送给上位机或控制台，实现环境监测和事故报警。

[0026] 有益效果

[0027] 本发明提供的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，将普通的带式输送机托辊作为检测设备的载体，充分利用了托辊的内部空间和结构特征，使其同时具备环
境监测‑尤其是矿井、化工生产等具有防爆需求或用电限制条件下的环境监测，和托辊的自
我检测功能，并能将检测数据和检测结果通过无线通讯发送给上位机。这不仅实现了如瓦
斯泄漏、火灾等重大事故的报警和预警，还可以防止因托辊故障而造成的带式输送机停机
等问题，确保井工煤矿、石油石化、化工燃气等生产过程的安全性。

[0028] 本发明提供的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，采用叶轮式压电阵列发电机，利用了托辊外壳自转的运动特征，通过周期性的非接触永磁力产生持续的振
动激励，使压电片阵列具有持续发电能力，形成了具有自供能能力的托辊型多功能检测设
备。

[0029] 本发明提供的具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备，其叶轮式压电阵列发电机所采用的永磁体阵列和压电片的布置方式，具有较高的空间利用率，并且可通过
在轴向方向同时布置多组压电阵列的方式，大幅提高发电能力。本发明所提叶轮式压电阵
列发电机不仅可以应用于托辊类设备，还可应用于其他旋转机械或低频振动环境下的能量
供给，具有一定的拓展性和实用价值。

附图说明

[0030] 图1为本发明的总体结构示意图。

[0031] 图2为本发明的托辊结构示意图。

[0032] 图3为本发明的叶轮式压电阵列发电机结构示意图。

[0033] 图4为本发明的自检模块结构示意图。

[0034] 图5为本发明的环境监测模块和无线通讯模块结构示意图。

[0035] 图6为本发明的检测方法及工作原理图。

[0036] 图中：1‑托辊，1‑1轴承座，1‑2密封件，1‑3弹簧挡圈，1‑4托辊轴，1‑4‑1轴端螺纹孔，1‑4‑2导线槽，1‑4‑3轴中螺纹孔，1‑5托辊外壳，1‑6轴承；2‑叶轮式压电阵列发电机，2‑1
压电端永磁体，2‑2压电片，2‑3托辊端永磁体阵列，2‑4螺钉，2‑5压电片安装架；3‑自检模
块，3‑1温度传感器，3‑2自检数据处理电路，3‑3超级电容，3‑4电能处理电路，3‑5自检模块
安装架，3‑6紧固螺栓，3‑7加速度传感器；4‑环境监测模块，4‑1环境监测模块外壳，4‑2环境
数据处理电路，4‑3环境监测模块底座，4‑3‑1底座螺栓孔，4‑3‑2底座塑料卡扣，4‑4环境温
度传感器，4‑5烟雾传感器，4‑6多功能气体传感器，4‑7拾音器；5‑无线通讯模块。

具体实施方式

[0037] 为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的
一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员
在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 如图1所示，本发明提出的一种具有环境监测与自检功能的托辊型智能检测设备包括托辊1、叶轮式压电阵列发电机2、自检模块3、环境监测模块4、无线通讯模块5。

[0039] 如图2所示，该托辊1为槽型托辊标准件，主要包括轴承座1‑1、密封件1‑2、弹簧挡圈1‑3、托辊轴1‑4、托辊外壳1‑5、轴承1‑6。密封件1‑2和轴承1‑6通过过盈配合安装于轴承
座1‑1内，托辊轴1‑4套装进密封件1‑2和轴承1‑6的内孔中，托辊轴1‑4和轴承1‑6通过弹簧
挡圈1‑3限定轴向位置，托辊外壳1‑5两端与轴承座1‑1外沿焊接连接。托辊轴1‑4左侧轴端
开有轴端螺纹孔1‑4‑1，用于固定环境监测模块4，托辊轴1‑4左侧开有导线槽1‑4‑2，便于环
境监测模块4的输电和数据线路连接，托辊轴1‑4中段还开有两个轴中螺纹孔1‑4‑3，用于安
装自检模块3中的加速度传感器3‑7。

[0040] 如图3所示：叶轮式压电阵列发电机2主要由压电端永磁体2‑1、压电片2‑2、托辊端永磁体阵列2‑3、螺钉2‑4、压电片安装架2‑5组成，图3中为3组叶轮式压电阵列发电机并排
布置。压电片安装架2‑5为正多边形，套装固定在托辊轴1‑4的中部，压电片2‑2通过螺钉2‑4
安装在压电片安装架2‑5上，整体呈叶轮状，压电片2‑2的数量可根据实际用电需求增减。压
电端永磁体2‑1安装于每个压电片2‑2的外端，且确保所有压电端永磁体2‑1的极性相同。托
辊端永磁体阵列2‑3均匀布置在托辊外壳1‑5内侧，安装位置与压电片2‑2相对应，托辊端永
磁体阵列2‑3中每个永磁体都应确保与压电端永磁体2‑1产生斥力，数量应该大于等于压电
片2‑2的数量，以确保发电效率。

[0041] 叶轮式压电阵列发电机2当托辊外壳1‑5被带式输送机皮带带动发生旋转时，托辊端永磁体阵列2‑3也随之旋转，受永磁体间排斥力影响，压电片2‑2因受到周期性的斥力而
发生持续振动，进而产生交流电，为用电设备提供能量供给。叶轮式压电阵列发电机体积
小，空间利用率高，可由多个并排布置以满足更高的用电需求。

[0042] 如图4所示：自检模块3由温度传感器3‑1、自检数据处理电路3‑2、超级电容3‑3、电能处理电路3‑4、自检模块安装架3‑5、紧固螺栓3‑6、加速度传感器3‑7组成。自检模块安装
架3‑5通过紧固螺栓3‑6夹紧固定于托辊1内部靠近轴承座1‑1处，加速度传感器2‑7通过托
辊轴1‑4上的轴中螺纹孔1‑4‑3固定在托辊轴1‑4上，温度传感器3‑1固定在自检模块安装架
3‑5的小凸台。

[0043] 自检数据处理电路3‑2和电能处理电路3‑4分别安装于自检模块安装架3‑5上预留的安装位上，超级电容3‑3固定于自检数据处理电路3‑2和电能处理电路3‑4之间。

[0044] 如图5所示：环境监测模块4主要包括环境监测模块外壳4‑1、环境数据处理电路4‑2、环境监测模块底座4‑3、环境温度传感器4‑4、烟雾传感器4‑5、多功能气体传感器4‑6、拾
音器4‑7。环境监测模块底座4‑3，通过底座螺栓孔4‑3‑1和托辊轴1‑4上左侧轴端的轴端螺
纹孔1‑4‑1，利用螺栓连接安装固定于托辊轴1‑4左侧轴端的端面上。环境数据处理电路4‑2
安装于环境监测模块底座4‑3上预留的安装位置上，环境温度传感器4‑4、烟雾传感器4‑5和
多功能气体传感器4‑6集成在环境数据处理电路4‑2上。环境监测模块外壳4‑1，通过底座卡
扣4‑3‑2与环境监测模块底座4‑3固定连接。无线通讯模块5安装在环境监测模块外壳4‑1预
留的安装位上，拾音器4‑7通过环境监测模块外壳4‑1外部柱脚连接固定，环境监测模块外
壳4‑1上还设置有通气孔，便于环境温度传感器4‑4、烟雾传感器4‑5和多功能气体传感器4‑
6准确采集环境数据。

[0045] 如图6所示：本发明的主要检测方法及工作原理，本发明所述设备的能量供给功能，由叶轮式压电阵列发电机2产生的不稳定交流电通过电能处理电路3‑4进行整流滤波、
交流直流转换和稳压降压处理，转换为稳定的5V直流电，并储存在超级电容3‑3中，超级电
容3‑3为温度传感器3‑1、加速度传感器3‑7、自检数据处理电路3‑2、环境温度传感器4‑4、烟
雾传感器4‑5、多功能气体传感器4‑6、拾音器4‑7、无线通讯模块5提供电能。

[0046] 本发明的托辊自检方法为：通过温度传感器3‑1、加速度传感器3‑7采集位于托辊1内部的两个轴承1‑6附近的温度和振动数据，检测数据通过自检数据处理电路3‑2的分析和
处理，得到报警信息和托辊故障信息，并将这些信息发送给无线通讯模块5，由无线通讯模
块5将以上信息发送给上位机或控制台，实现托辊自检和故障报警。

[0047] 本发明的环境监测方法为：通过环境温度传感器4‑4、烟雾传感器4‑5、多功能气体传感器4‑6和拾音器4‑7采集环境中的温度、烟雾浓度、气体浓度、噪声数据，传感器数据通
过环境数据处理电路4‑2分析处理，得到环境异常信息和事故报警信息，并将这些信息发送
给无线通讯模块5，由无线通讯模块5将以上信息发送给上位机或控制台，实现环境监测和
事故报警。

[0048] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围
为准。