[發明專利]一種基于電壓倍增器技術的自供電振動頻率傳感器系統

在審

• 申請號: 201710360108.5
• 申請日: 2017-05-20
• 公開（公告）號: CN108955864A
• 公開（公告）日: 2018-12-07
• 發明（設計）人: 馬建國;趙升;傅海鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學（青島）海洋工程研究院有限公司
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08;H02M7/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于電壓倍增器技術的自供電振動頻率傳感器系統，由壓電能量采集器、頻率檢測電路和能量收集電路組成；通過壓電能量采集器直接檢測正弦振動，并將該振動轉化為相應輸出電壓；通過頻率檢測電路對所述輸出電壓進行處理，得到一個反映振動頻率大小的輸出電壓信號；通過能量收集電路將壓電能量采集器的輸出電壓進行能量存儲收集；另外，該傳感器系統相對比較簡單，而且可以在一定頻率范圍內、自供電的條件下直接測量正弦振動頻率。

技術領域

本發明屬于傳感器領域，特別涉及到一種基于電壓倍增器技術的自供電振動頻率傳感器系統。

背景技術

機械振動現象普遍存在于生產、生活的方方面面，人們期望控制機械振動以更好地服務于人類的生產、生活。但是大多數情況下，機械振動是有害的，例如振動現象會導致機械故障，甚至破壞整個生產系統，造成經濟損失、人員傷亡、環境污染等嚴重后果。為減少機械振動的危害，保證機械設備安全可靠運行，機械振動的實時監測和機械故障的早期診斷是十分重要的。目前，常用的機械振動實時監測和分析方法包括：振動測量和分析、油樣分析、探傷檢驗、噪聲檢測等，在上述方法中振動測量和分析是一種比較有效的方法。

近年來，市面上出現了多種振動傳感器，大體上可分為兩類：非接觸式傳感器系統和接觸式傳感器系統。其中非接觸式傳感器系統多由電容、電感、光學元件等組成，在某種程度上取得了一定的效果。但是基于電容和電感的傳感器系統抗電磁干擾性能較差，基于光學元件的傳感器系統容易受粗糙表面、不透明氣體、灰塵等因素的影響，而且非接觸式傳感器系統結構比較復雜、成本較高。接觸式傳感器系統則是采用一些傳感器如加速度計或探針測量物體表面的振動，與非接觸式傳感器系統相比，接觸式傳感器系統相對比較簡單、成本較低、同樣可以獲得較好的效果。

在供電形式方面，目前大部分的振動傳感器采用傳統的電池方式供給能量。由于振動傳感器體積微小，自身攜帶的電池能量有限，不能滿足長期工作需要，因此供電問題已經成為無線傳感網絡節點的發展的重要制約因素。

近年來，環境能量采集技術作為一項新的技術理念，得到越來越多的關注，隨著低功耗大規模集成電路技術和先進電源管理技術的進步，可以將微型傳感器及低功耗數字信號處理器的功率控制在1mW以下，如此低的功耗使收集周圍環境能量為微小型傳感器及其他電子器件供電（即自供能技術）成為可能，利用環境能量采集技術為無線傳感器網絡提供能量補給，逐步成為目前研究的一項前沿課題。環境中可采集利用的能量有機械振動能、光能、熱能等。機械振動能是環境中較為廣泛的能源之一，自然生活與工作環境中的振動幾乎無處不在，且不像太陽能、熱能等受到自然條件制約，直接從環境中提取振動能為低功耗電子器件供能具有廣闊的應用前景。

而現有的振動頻率傳感器系統，無論是接觸式還是非接觸式，都存在以下缺陷：

（1）振動傳感器系統大多數直接測量振動的位移、速度和加速度，而無法直接反映振動頻率的大小；

（2）為了從這些常見的傳感器系統獲得頻率信息，必須增加額外的轉換或處理單元，導致系統更加復雜、冗余，增加了使用成本；

（3）傳統化學電池供電時間有限，需要定期更換電池，然而在某些應用場合不具備經常更換電池的條件。

發明內容

針對現有振動頻率傳感器系統存在的問題，本發明一種基于電壓倍增器技術的自供電振動頻率傳感器系統，由壓電能量采集器、頻率檢測電路和能量收集電路組成。通過壓電能量采集器直接檢測正弦振動，并將該振動轉化為相應輸出電壓；通過頻率檢測電路對所述輸出電壓進行處理，得到一個反映振動頻率大小的輸出電壓信號；通過能量收集電路將壓電能量采集器的輸出電壓進行能量存儲收集。另外，該傳感器系統相對比較簡單，而且可以在一定頻率范圍內、自供電的條件下直接測量正弦振動頻率。

一種基于電壓倍增器技術的自供電振動頻率傳感器系統，如圖1所示，包括：壓電能量采集器、頻率檢測電路和能量收集電路。