[發明專利]加速度傳感器和傳感方法、位移監測系統和監測方法

在審

• 申請號: 201710294474.5
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN108802426A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 王中林;余華;何旭;丁文伯
• 申請（專利權）人: 北京納米能源與系統研究所
• 主分類號: G01P15/08
• 分類號: G01P15/08;G01B21/02
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 金旭鵬;肖冰濱

本發明公開了一種加速度傳感器和傳感方法、位移監測系統和監測方法，其中，加速度傳感器，包括：振動信號采集模塊，用于將待監測目標振動的加速度轉化為電壓信號輸出；模擬數字轉換模塊，用于將所述振動信號采集模塊輸出的電壓信號經過模數轉換變為數字電壓信號；線性變換模塊，用于將所述數字電壓信號線性變換為數字加速度信號。本發明提供的振動加速度傳感器和振動位移監測系統，利用了摩擦納米發電機的將機械能轉變為電信號的技術，實現了振動加速度和位移的實時監測，具有成本低廉、信號魯棒、靈敏度高、覆蓋廣泛等特點，在物聯網、智慧城市中具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及位移監測領域，特別涉及一種自供能的加速度傳感器和傳感 方法、位移監測系統和監測方法。

背景技術

隨著城鎮化的快速發展，高樓、立交橋等越來越多的城市基礎設施被部 署，在為日常生活帶來便利的同時，如何高效、低成本地實現基礎設施健康 狀態的實時監控并對潛在的危險進行預警，具有非常重要的經濟和社會意 義。

現有解決方案一般利用振動位移來監測設施的健康狀態。傳統的直接測 量法通過部署特定的設備，如線性可變差分傳感器(Linear Variable DifferentialTransducer，LVDT)或者便攜式激光多普勒測振儀(Laser Doppler Vibrometer，LDV)，來直接測量位移。這類直接測量方法盡管精確度較高， 但是往往需要架設昂貴的測量設備，無法做到低成本、大規模部署。另一種 解決方案是基于加速度或者速度傳感器通過積分來獲得位移估計值的間接 測量方法。這類間接測量方法成本低、部署難度小。特別是隨著基于壓電材 料的加速度傳感器的商用化，這類間接測量方法已經實現了大規模部署。然 而，基于壓電效應的加速度傳感器輸出電壓較小，特別是在低頻、乃至超低 頻的應用場景中，很容易湮沒在環境或者電路的背景噪聲中，而且輸出的信 號存在較多的諧波分量，不利于有用信號的檢測。

發明內容

本發明的目的是提供一種適用頻率范圍寬的加速度傳感器，可以在低頻 范圍自驅動采集待監測目標的振動加速度和位移監測系統及其方法。

為了實現上述目的，本發明提供一種加速度傳感器，包括：

振動信號采集模塊，用于將待監測目標振動的加速度轉化為電壓信號輸 出；

模擬數字轉換模塊，用于將所述振動信號采集模塊輸出的電壓信號經過 模數轉換變為數字電壓信號；

線性變換模塊，用于將所述數字電壓信號線性變換為數字加速度信號。

優選的，所述振動信號采集模塊包括摩擦納米發電機，所述摩擦納米發 電機包括靜止部分、移動部分以及彈性連接部件。當外界有振動加在摩擦電 納米發電機上時，靜止部分與外界待監測目標保持相對靜止，移動部分在外 界振動能和彈性連接部分的協同作用下，在相對于靜止部分往返運動，進而 在靜止部分設置的電極間產生電信號。

優選的，所述摩擦納米發電機的共振頻率為大于100Hz。

優選的，所述振動信號采集模塊設置在與待監測目標固定的管狀支撐部 件內，包括：沿著待監測目標振動方向設置的第一電極層和第二電極層，上 下排列附著在管狀支撐部件內壁上，形成所述摩擦納米發電機的靜止部分， 可以跟隨待監測目標振動；摩擦層，設置在圓柱形質量塊的表面，形成摩擦 納米發電機的移動部分；彈性連接部件，將質量塊與管狀支撐部件的頂部連 接。

優選的，所述摩擦層表面初始帶有的電荷通過與第一電極層或第二電極 層接觸獲得，或者通過注入方式獲得。

優選的，在監測過程中所述摩擦層與第一電極層或第二電極層不接觸。

相應的，本發明還提供一種加速度傳感方法，包括步驟：

S1，振動信號采集模塊將待監測目標振動的加速度轉化為電壓信號輸 出；