[發明專利]一種基于單壓電器件的自供電無線振動監測節點

有效

• 申請號: 202110032826.6
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112857559B
• 公開（公告）日: 2023-02-21
• 發明（設計）人: 夏樺康;東慶剛;夏銀水;葉益迭;錢利波
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理有限公司 33226
• 代理人: 方小惠

本發明公開了一種基于單壓電器件的自供電無線振動監測節點，包括采集元件和監測電路，采集元件僅采用一個常規懸臂梁式的壓電器件實現，監測電路包括振動測量模塊、能量收集模塊、微控制器模塊和無線發射模塊，壓電器件用于感受環境振動后生成交流電壓輸出至振動測量模塊和能量收集模塊中，振動測量模塊輸出峰值分壓信號分別給能量收集模塊和微控制器模塊，并輸出同頻率的方波信號給微控制器模塊，能量收集模塊輸出第一直流電壓和第二直流電壓給微控制器模塊，并同時提供工作電源電壓，微控制器模塊基于輸入其內信號確定壓電器件感受到振動加速度的幅值和頻率，并傳遞給無線發射模塊進行無線發射；優點是體積較小，且成本較低。

技術領域

本發明涉及一種自供電無線振動監測節點，尤其是涉及一種基于單壓電器件的自供電無線振動監測節點。

背景技術

傳統的振動監測系統通常基于正壓電效應的壓電加速度傳感器來實現，在監測設備結構振動狀態時，壓電加速度傳感器將振動加速度信號轉換成電信號，然后由二次儀表進行采樣處理獲取振動信號。隨著無線傳感網絡技術的發展，振動監測系統也逐步趨向無線化方向發展，無線振動監測系統應運而生。無線振動監測系統可以實現對被測設備結構振動狀態的遠程無線實時監測，獲得了廣泛的應用。

一個無線振動監測系統通常由數目眾多的監測節點通過無線組網構成。單個無線振動監測節點主要包括采集元件和監測電路，其中采集元件為壓電加速度傳感器，監測電路由微控制器和無線發射模塊等有源器件構成。壓電加速度傳感器是一種無源器件，其工作過程不需要依靠外部供電，但是構成監測電路的微控制器和無線發射模塊等有源器件，其工作過程需要依靠外部供電。在野外環境下，無線振動監測節點的電能供應主要依賴干電池。由于干電池容量有限，因而需要定期更換。然而，由于監測節點數目眾多且部分可能預埋在被測設備結構內部，因此干電池更換成本高昂甚至無法更換。

近年來，通過振動能量收集來為無線振動監測節點提供電能得到了廣泛研究。申請號為CN202010802294.5的中國專利中公開了一種基于振動能采集器的自供電傳感器(即無線振動監測節點)，該自供電傳感器用于監測振動速度，其振動能采集基于壓電換能器實現，振動速度檢測采用速度傳感器實現，振動能采集器為速度傳感器及其信號調理電路提供電能，實現自供電。該方案中，振動能采集器和速度傳感器為兩個獨立的模塊，導致方案整體體積較大，且成本較高。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種體積較小，且成本較低的基于單壓電器件的自供電無線振動監測節點。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種基于單壓電器件的自供電無線振動監測節點，包括采集元件和監測電路，所述的采集元件僅采用一個常規懸臂梁式的壓電器件實現，所述的監測電路包括振動測量模塊、能量收集模塊、微控制器模塊和無線發射模塊，所述的壓電器件用于感受環境振動后生成交流電壓輸出至所述的振動測量模塊和所述的能量收集模塊中，所述的振動測量模塊對輸入其內的交流電壓進行峰值跟蹤并輸出與峰值成正比的峰值分壓信號分別給所述的能量收集模塊和所述的微控制器模塊，同時對輸入其內的交流電壓進行整形觸發并輸出同頻率的方波信號給所述的微控制器模塊；所述的能量收集模塊對輸入其內的交流電壓進行同步開關電感整流處理并輸出第一直流電壓和第二直流電壓給所述的微控制器模塊，并同時進行電能儲存以及為所述的振動測量模塊、所述的微控制器模塊和所述的無線發射模塊提供工作電源電壓；所述的微控制器模塊基于輸入其內的峰值分壓信號、同頻方波信號、第一直流電壓和第二直流電壓確定所述的壓電器件感受到振動加速度的幅值和頻率，并傳遞給所述的無線發射模塊進行無線發射。