面向电力系统关键输配电装备的机械振动状态感知遥测一体化系统技术方案

本发明专利技术涉及一种面向电力系统关键输配电装备的机械振动状态感知遥测一体化系统，属于微纳传感领域。其包括自驱动振动传感器、信号中继器和振动分析显示平台。自驱动振动传感器包括发电/感知模块、光通讯发射模块和导线，发电/感知模块感知电力装备产生的机械振动，输出脉冲形式的电信号以驱动光通讯发射模块以光波信号的形式传播振动信息，导线用于连接发电/感知模块和光通讯发射模块。信号中继器识别光波信号并以数字信号传输至振动分析显示平台，在平台中对接收到的振动状态信息进行解析，展示出输配电装备的机械振动频率，并评估当前振动状态。本发明专利技术可用于实时监测电力装备及其内部环境的振动频率，并深入评估设备的异常振动行为。常振动行为。常振动行为。

【技术实现步骤摘要】
面向电力系统关键输配电装备的机械振动状态感知遥测一体化系统


[0001]本专利技术属于微纳传感领域，涉及电力系统中关键输配电装备的机械振动状态在线监测，具体涉及一种面向电力系统关键输配电装备的机械振动状态感知遥测一体化系统。

技术介绍

[0002]电力装备状态智能感知是未来电网数字化运维的重要发展趋势，也是我国电力系统网络智能化水平提升的产业方向。传统智能感知分析系统大部分基于工控机或专用系统，设备体积大、供电难度高，不利于灵活部署；同时采集系统和传感器分离，信号易受干扰；此外还存在信息处理能力不足，不利于诊断评估等问题。而电力装备状态感知系统的小型感知遥测一体化是解决上述问题的有效途径和突破现有传感器技术形态的必然趋势。
[0003]近年来，基于摩擦纳米发电机(TENG)技术的传感器的微型化、自驱动化以及自感知技术有潜力成为电网智能监测的重要发展方向，同时也为电力装备状态感知遥测一体化提供了新的思路。通过TENG收集设备的机械振动微能量对传感器自身进行供能，同时识别输出的电信号用以反馈当前的振动状态信息，并利用光通讯技术使其具备高传输速率和抗电磁干扰的能力。此外，信号处理端配备适用于电力装备状态评估及故障诊断的智能评估技术，最终达到微型化、低功耗、物联信息融合和智能诊断等目的。为此，通过提出一种自驱动化的振动传感器，并以此为基础构建感知遥测一体化系统应对电力装备异常振动在线监测问题具有重要的实际工程应用意义。
[0004]然而，由于TENG具有内部阻抗高(兆欧姆量级)和输出高电压(百伏量级)、低电流(微安量级)的固有特性，针对低阻抗负载供能时具有较低的输出功率。当利用TENG产生的电能为光通讯发射模块(百欧姆量级)供能时，很难提供充足的能量供给至负载侧以确保高稳定、长距离通讯。因此，有必要提出一种基于高功率TENG驱动光通讯模块的自驱动振动传感器，同时设计广域无线感知通讯系统，以实现电力系统复杂环境中关键输配电装备机械振动状态的感知遥测一体化。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种自驱动振动传感器的设计与制备工艺及其感知遥测一体化系统，实现电力系统中关键输配电装备的异常机械振动状态的在线监测。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]方案一、一种自驱动振动传感器，其包括发电/感知模块、光通讯发射模块和导线。其中发电/感知模块用于感知电力装备产生的机械振动，在受激励状态下输出脉冲形式的电信号以驱动光通讯发射模块传播机械振动状态信息；导线用于连接所述发电/感知模块和光通讯发射模块。
[0008]可选地，发电/感知模块包括夹层式TENG、机械开关触点和助动组件。
[0009]其中夹层式TENG包括上端固定层、中间可移动层和下端固定层。上端固定层和下
端固定层结构相同，均包括依次层叠的基板、海绵缓冲层、金属电极层以及聚合物薄膜层；中间可移动层包括金属电极层和聚合物薄膜层。其中，中间可移动层的金属电极层同样为金属导电材料，聚合物薄膜采用与下端固定层一致的摩擦电负性薄膜，贴附于金属电极层的上表面。机械开关触点分别位于上端、下端固定层以及中间可移动层的一侧，三者在竖直平面重合；助动组件分布在上端固定层、中间可移动层和下端固定层之间。
[0010]可选地，金属电极层为金属导电材料，贴附在海绵缓冲层的上表面形成感应电极，其中金属导电材料可选用以下任意一种材料：
[0011]金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、铁、锰、钼、钨或钒，铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。
[0012]可选地，聚合物薄膜层贴附于金属电极层的表面，上端、下端固定层选用具有明显电负性差异的材料。其中上端固定层的聚合物薄膜层为摩擦电正性薄膜层；下端固定层和中间可移动层的聚合物薄膜层均为摩擦电负性薄膜层。
[0013]聚合物薄膜可采用以下任意两种材料：
[0014]全氟乙烯丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、氯丁橡胶、天然橡胶、纤维素、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚酰胺或聚氨酯。
[0015]可选地，助动组件为弹簧。
[0016]可选地，光通讯发射模块为发光二极管，将发电/感知模块产生脉冲形式的电信号以光波的形式传播机械振动状态信息，其中发光二极管可采用以下任意一种：
[0017]红外发光二极管、红色发光二极管、橙色发光二极管、黄色发光二极管、黄绿色发光二极管、翠色发光二极管、蓝色发光二极管、紫色发光二极管或紫外发光二极管。
[0018]可选地，导线为金属导电材料。
[0019]方案二、自驱动振动传感器的制备方法，其包括以下步骤：
[0020]S1、用激光切割机将亚克力板切割成正方形作为基板；
[0021]S2、将正方形的海绵双面胶贴附在基板上表面中心形成海绵缓冲层；
[0022]S3、使用酒精和去离子水洗净金属箔，并烘干后贴附在海绵缓冲层上表面形成金属电极层；
[0023]S4、使用酒精和去离子水洗净聚合物薄膜层，采用烘箱干燥，对其表面进行刻蚀后贴附在金属电极层上表面；至此分别制作得到了自驱动振动传感器发电/感知模块的上端固定层和下端固定层；
[0024]S5、使用激光切割机将金属片切割为正方形，并在正方形金属片的四角处各延伸一较小正方形，同时在正方形金属片的一侧延伸一机械开关触点，形成金属电极层；
[0025]S6、将聚合物薄膜层贴附在步骤S5的金属电极层上表面，得到发电/感知模块的中间可移动层；
[0026]S7、将金属块分别贴附在上端固定层和下端固定层基板一侧的边缘，且高度与聚合物薄膜层上表面保持一致，形成机械开关触点；
[0027]S8、将助动组件固定在上端固定层、下端固定层和中间可移动层之间；至此完成发电/感知模块的制备；
[0028]S9、通过导线将下端固定层的金属电极层、上端固定层的机械开关触点以及光通讯发射模块的正极连接，另外通过导线将上端固定层的金属电极层、下端固定层的机械开关触点以及光通讯发射模块的负极连接。
[0029]可选地，上端固定层、下端固定层以及中间可移动层的机械开关触点在竖直平面重合。
[0030]方案三、一种面向电力系统关键输配电装备的机械振动状态感知遥测一体化系统，其包括自驱动振动传感器，以及信号中继器和振动分析显示平台。自驱动振动传感器用于实时监测电力系统中输配电装备的机械振动状态，并以光波信号的形式向外传播信息；信号中继器用于识别光波信号并以数字信号传输至振动分析显示平台；振动分析显示平台对接收到的振动状态信息进行解析，展示出输配电装备的机械振动频率，并评估当前振动状态。
[0031]可选地，信号中继器包括光通讯探测模块、信号处理模块和信号传输模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自驱动振动传感器，其特征在于：其包括发电/感知模块、光通讯发射模块和导线；所述发电/感知模块用于感知电力装备产生的机械振动，在受激励状态下输出脉冲形式的电信号以驱动光通讯发射模块以光波信号的形式传播机械振动状态信息；所述导线用于连接所述发电/感知模块和光通讯发射模块。2.根据权利要求1所述的自驱动振动传感器，其特征在于：所述发电/感知模块包括夹层式TENG、机械开关触点和助动组件；所述机械开关触点和助动组件均设置在所述夹层式TENG中。3.根据权利要求2所述的自驱动振动传感器，其特征在于：所述夹层式TENG包括上端固定层、中间可移动层和下端固定层；所述上端固定层和下端固定层结构相同，均包括依次层叠的基板、海绵缓冲层、金属电极层以及聚合物薄膜层；所述中间可移动层包括金属电极层和聚合物薄膜层；所述机械开关触点分别位于上端、下端固定层以及中间可移动层的一侧；所述助动组件分布在上端固定层、中间可移动层和下端固定层之间。4.根据权利要求3所述的自驱动振动传感器，其特征在于：所述上端固定层的聚合物薄膜层为摩擦电正性薄膜层；所述下端固定层和中间可移动层的聚合物薄膜层均为摩擦电负性薄膜层。5.根据权利要求2所述的自驱动振动传感器，其特征在于：所述助动组件为弹簧。6.一种自驱动振动传感器的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1、用激光切割机将亚克力板切割成正方形作为基板；S2、将正方形的海绵双面胶贴附在基板上表面中心形成海绵缓冲层；S3、使用酒精和去离子水洗净金属箔，并烘干后贴附在海绵缓冲层上表面形成金属电极层；S4、使用酒精和去离子水洗净聚合物薄膜层，采用烘箱干燥，对其表面进行刻蚀后贴附在金属电极层上表面；至此分别制作得到了自驱动振动传感器发电/感知模块的上端固定层和下端固定层；S5、使用激光切割机将金属片切割为正方形，并在正方形金属片的四角处各延伸一较小正方形，同时在正方形金属片一侧延伸一机...

【专利技术属性】
技术研发人员：王季宇，吴寒，廖瑞金，杨丽君，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：