煤炭产业是我国经济飞速发展过程中的主要能源供应产业。随着煤炭产业的机械化、自动化程度不断提高,其生产过程中的安全隐患逐渐引起了国家的高度重视。为了减少事故的发生,需要对采煤设备进行状态监测。由于采煤设备具有强旋转的特点,跟旋的状态监测系统会出现缠绕问题等很难进行有线安装。因此,为了保证采煤设备的正常工作和煤矿环境的安全,通常采用无线温度和振动传感节点对采煤设备进行监测。本课题利用采煤设备的工作环境存在丰富的振动能,通过电磁式和摩擦式换能原理,将其有效转换为电能,为无线温度和振动传感节点的供电问题提供解决方案。采煤设备工作环境中存在的振动源,具有频率不一、振幅不同等特点,如提升机卷筒工作时的低频振动,和采煤机螺旋滚筒工作面与煤层切割时的较高频振动等。因此本文针对不同的频率环境设计研发了旋转式和振动式两种类型的能量收集器。旋转式能量收集器利用定子磁铁和转子磁铁相互吸引的方式,形成旋转磁铁和固定线圈的相对转动的结构,实现较高的电磁感应电动势输出。在此基础上基于电磁和摩擦复合换能的方式,提高了能量收集器的功率密度输出。旋转式能量收集器适用于0-10 Hz左右的低频振动环境。振动式能量收集器采用的是悬臂梁结构,基于法拉第电磁感应定律,利用高导磁率螺线管产生的非线性振动现象获得了高功率输出。该振动式能量收集器适用于10-30 Hz的较高频的环境。最后,本文基于振动式能量收集器搭建了一套自供电传感节点系统,实现了节点状态的间歇性监测。本文的主要研究内容如下:(1)针对0-10 Hz的低频段振动环境,设计了一种旋转式-电磁能量收集器。利用定子磁铁和转子磁铁异性磁极相吸的原理,使得转子磁铁能够自由围绕定子磁铁旋转而不脱离,基于此实现了低频下转子磁铁与线圈的相对运动,从而产生感应电动势。之后基于摩擦电效应和静电感应的耦合作用,在旋转结构上复合了摩擦纳米发电机模块(TENG),提高了能量收集器的电压。最后进行性能测试实验,测得在频率为8 Hz,振幅为4 mm时电磁部分的功率密度为0.29 m W/cm3,摩擦部分功率密度为0.76m W/cm3,验证了该旋转式能量收集器对低频环境有很好的输出响应。(2)针对10-30 Hz的较高频段振动环境,研制了一种悬臂梁式-电磁能量收集器。基于法拉第电磁感应定律,利用悬臂梁结构在共振状态下的大振幅,带动末端的磁铁振动,从而与固定的线圈中发生相对运动,在线圈中产生感应电动势。采用高导磁材料的螺线管铁芯,有效增加了线圈中磁通量,提高了感应电动势。该装置在非线性振动的作用下,获得了高功率输出。之后对能量收集器整体结构进行了优化和仿真研究。优化后的振动式能量收集器在共振频率为26 Hz时,电压峰峰值达到了4 V,能量收集器的最大功率输出达到了500 m W,能够满足在10-30 Hz之间的输出响应需求。(3)针对采煤设备状态监测的需求,将能量收集器,能量管理模块和无线传感节点结合,搭建了一个基于悬臂梁式-电磁能量收集器的自供电传感节点系统,传感器使用MPU-6050运动传感器,具有温度和加速度信号采集功能。在外界激励下,有效实现了传感节点的自供电和传感节点温度和振动信号的间歇性无线发送。