一种压电宽频振动换能器的在线系统辨识电路技术方案

本发明专利技术公开了一种压电宽频振动换能器的在线系统辨识电路，包括压电换能器、切换开关、采样电阻、信号放大电路、微分电路、滞回比较器、电平转换电路、单片机和电源。单片机先控制切换开关将压电换能器与正电源连接积累能量，稳定后，单片机控制切换开关将换能器与采样电阻连接，积累的能量会使换能器产生的固有共振频率信号，通过信号放大电路和微分电路处理后，得到指数衰减的固有共振频率正弦波，通过滞回比较器电路将正弦波转换成方波，提供过电平转换电路将信号输入给单片机，单片机能通过检测方波频率实现换能器的固有共振频率检测，根据方波脉冲个数可以计算得到振动衰减系数，实现换能器的固有共振频率和振动衰减系数的在线系统辨识。

【技术实现步骤摘要】
一种压电宽频振动换能器的在线系统辨识电路
本专利技术属于压电振动能量采集
，具体涉及一种压电宽频振动换能器的在线系统辨识电路。。
技术介绍
能源短缺及环境污染是当今世界所面临的严峻问题,各国一直在努力开发新能源来解决传统能源所带来的环境污染问题。而新型能源及其能量转换技术的发展将成为一个突破点，尤其是将自然环境中存在的各种能量加以采集、存储并利用具有重要的实际意义，也具有广阔的工程应用前景。其中振动能无处不在，不同的形式、强度和频率广泛存在于人的日常活动以及生产设备中，如大自然中水和空气的流动、工业机器运作时的振动、交通工具运行时的振动及人体运动产生的振动等都具有振动能，而且振动能具有较高的能量密度。因此对振动能进行采集为无线传感网络、嵌入式系统等低功耗设备供电有着广泛的应用前景。其中压电式能量采集系统由于结构简单、不发热、无电磁干扰、无污染、易于加工及实现微型化、集成化等诸多优点而备受青睐。因此，用压电能量采集系统来代替传统电池，有利于保护环境。而现有的压电换能器一般只在其固有频率点附近时才有较高的能量转换效率，这限制了这些压电能量采集系统的在微型电子系统中的实际应用。由于环境振动能量的频率范围很宽，所以在宽频振动条件下压电换能器的在线系统频率响应与欠阻尼衰减特性辨识是实现系统的高效能量采集的基础，通过在线的系统辨识可以实现换能器的固有共振频率与振动衰减系数的检测，能量采集处理电路根据固有共振频率与环境振动频率的差值与振动衰减系数的大小，采用不同的匹配方法实现最大功率的采集。所以压电宽频振动换能器的在线系统辨识电路具有重要的实际应用价值。专利技术内容本专利技术的目的：一种压电宽频振动换能器在线系统辨识电路，实现换能器的固有共振频率与振动衰减系数的检测，输出压电换能器的固有共振频率的方波信号，而且根据输出的方波脉冲个数可以计算得到振动衰减系数。为实现本专利技术，采用的技术方案是：一种压电宽频振动换能器在线系统辨识电路，包括压电宽频振动换能器、切换开关、采样电阻、信号放大电路、微分电路、滞回比较器、电平转换电路、单片机和正负电源。单片机先控制切换开关将压电换能器与正电源连接积累能量，换能器稳定后，单片机控制切换开关将换能器与采样电阻连接，积累的能量会使换能器产生的固有共振频率信号，通过信号放大电路和微分电路处理后，得到指数衰减固有共振频率的正弦波信号，再通过滞回比较器电路将正弦波转换成方波，提供给电平转换电路将信号输入给单片机，单片机能通过检查方波频率实现换能器的固有共振频率检测，而且根据输出的方波脉冲个数可以计算得到振动衰减系数。本专利技术的有益效果：1.通过给压电换能器一个外部激励后，可以实现压电振动换能器的在线固有频率和振动衰减系数的检测，可以适用用不同类型的换能器，为压电振动能量采集电路提供最大功率采集所需要参数，而且不影响压电换能器工作。2.采用的信号放大电路将压电换能器的微弱固有频率振动信号进行放大，但同时也将直流分量进行放大，通过微分电路将直流分量滤除，而且可以得到压电换能器的固有共振频率的正弦衰减运动的波形。3.通过设置滞回比较器的正负比较阈值，可以在压电换能器的固有共振频率的正弦衰减信号幅值在大于比较阈值时输出方波信号，衰减到小于比较阈值时候不输出方波，通过方波个数的计算，可以得到幅值衰减的速度，从而得到换能器振动衰减系数的大小。4.采用一个简单的二极管和电阻的电平转换电路将方波信号转换为单片机能接受的TTL电平。附图说明图1为本专利技术一种压电宽频振动换能器在线系统辨识电路的简图。1：压电换能器；2：切换开关S1；3：采样电阻R1；4：信号放大电路；5：微分电路；6：滞回比较器；7：电平转换电路；8：单片机；9：电源。具体实施方式一种压电宽频振动换能器在线系统辨识电路，包括压电换能器（1）、切换开关S1（2）、采样电阻R1（3）、信号放大电路（4）、微分电路（5）、滞回比较器（6）、电平转换电路（7）、单片机（8）、电源（9）。工作原理：压电换能器的内部等效电路如图1所示，Vs代表外部激励作用力，Rs代表机械阻尼损耗，LM代表质量块势能，CK代表悬臂梁的弹性势能。外部作用力激励发正弦振动时，当外部作用力的频率与换能器谐振频率ω相同的时候，换能器产生共振时，产生的电流最大。在没有外部激励的条件下，单片机（8）先控制切换开关S1（2）将压电换能器（1）与电源（9）的正电源连接积累能量，达到稳定后，单片机（8）控制切换开关S1（2）将压电换能器（1）与采样电阻R1（3）连接，积累的能量使压电换能器（1）产生共振的频率ω信号，通过信号放大电路（4）和微分电路（5）处理后，得到指数衰减的固有共振频率正弦波信号，再通过滞回比较器电路（6）将正弦波转换成方波，提供给电平转换电路（7）后将信号输入给单片机（8），所述的单片机（8）通过检测方波频率实现换能器的固有共振频率检测，根据方波脉冲个数可以计算得到振动衰减系数，实现换能器的固有共振频率和振动衰减系数的在线系统辨识。具体连接方式：压电换能器（1）的输出端PZT1与切换开关S1（2）的公共端相连，输出端PZT2与GND相连，所述的切换开关S1（2）的一个自由端与电源（9）的正电源Vcc连接，另一自由端与采样电阻R1（3）的输出端VR1相连，所述的采样电阻R1（3）的另一端接GND，所述的切换开关S1（2）的开关状态是由单片机（8）的GPIO口控制。信号放大电路（4）包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、运放U2，所述的电阻R2的一端与采样电阻R1（3）的输出端VR1相连，另一端与运放U2的正输入端3相连，所述的电阻R3一端接GND，另一端与运放U2的负输入端2相连，所述的电阻R4的一端与运放U2的负输入端2相连，另一端与运放U2的输出端6相连，所述的运放U2的正电源输入端7与电源（9）的Vcc端相连，负电源输入端4与电源（9）的Vss端相连，输出信号为VU2。微分电路（5）包括电阻R5、电阻R6、电容C1、运放U3，所述的电容C1的一端与信号放大电路（4）的运放U2的输出端6的VU2信号相连，另一端与运放U3的负输入端2相连，所述的电阻R5一端接GND，另一端与运放U3的正输入端3相连，所述的电阻R6的一端与运放U3的负输入端2相连，另一端与运放U3的输出端6相连，所述的运放U3的正电源输入端7与电源（9）的正电源Vcc端相连，负电源输入端4与电源（9）的负电源Vss端相连，输出信号为VU3。滞回比较器（6）包括电阻R7、电阻R8、运放U4，所述的电阻R7一端接GND，另一端与运放U4的正输入端3相连，所述的电阻R8的一端与运放U4的正输入端3相连，另一端与运放U4的输出端6相连，所述的运放U3的负输入端2与微分电路（5）的运放U3的输出端6的相连得到VU3信号，正电源输入端7与电源（9）的正电源Vcc端相连，负电源输入端4与电源（9）的负电源Vss端相连，输出信号为VU4。电平转换电路（7）包括二极管D1、电阻R9，所述的二极管D1正端接滞回比较器（6）中U4的输出端6相连得到VU4信号，二极管D1的负端与电阻R9相连后的输出信号VD1与单片机（8）的外部中断口INT相连，所述的电阻R9另端接GND。所述的单片机（8）通测量外部输出信号VD1的上升沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电宽频振动换能器的在线系统辨识电路，包括压电换能器（1）、切换开关S1（2）、采样电阻R1（3）、信号放大电路（4）、微分电路（5）、滞回比较器（6）、电平转换电路（7）、单片机（8）、电源（9），其特征在于所述的单片机（8）先控制切换开关S1（2）将压电换能器（1）与电源（9）的正电源连接积累能量，达到稳定后，单片机（8）控制切换开关S1（2）将压电换能器（1）与采样电阻R1（3）连接，积累的能量使压电换能器（1）产生共振的频率信号，通过信号放大电路（4）和微分电路（5）处理后，得到指数衰减的固有共振频率正弦波信号，再通过滞回比较器电路（6）将正弦波转换成方波，提供给电平转换电路（7）后将信号输入给单片机（8），所述的单片机（8）通过检测方波频率实现换能器的固有共振频率检测，根据方波脉冲个数可以计算得到振动衰减系数，实现换能器的固有共振频率和振动衰减系数在线系统辨识。

【技术特征摘要】
1.一种压电宽频振动换能器的在线系统辨识电路，包括压电换能器（1）、切换开关S1（2）、采样电阻R1（3）、信号放大电路（4）、微分电路（5）、滞回比较器（6）、电平转换电路（7）、单片机（8）、电源（9），其特征在于所述的单片机（8）先控制切换开关S1（2）将压电换能器（1）与电源（9）的正电源连接积累能量，达到稳定后，单片机（8）控制切换开关S1（2）将压电换能器（1）与采样电阻R1（3）连接，积累的能量使压电换能器（1）产生共振的频率信号，通过信号放大电路（4）和微分电路（5）处理后，得到指数衰减的固有共振频率正弦波信号，再通过滞回比较器电路（6）将正弦波转换成方波，提供给电平转换电路（7）后将信号输入给单片机（8），所述的单片机（8）通过检测方波频率实现换能器的固有共振频率检测，根据方波脉冲个数可以计算得到振动衰减系数，实现换能器的固有共振频率和振动衰减系数在线系统辨识。2.根据权利要求1所述的压电宽频振动换能器在线系统辨识电路，其特征在于所述的压电换能器（1）的输出端PZT1与切换开关S1（2）的公共端相连，输出端PZT2与GND相连，所述的切换开关S1（2）的一个自由端与电源（9）的正电源Vcc连接，另一自由端与采样电阻R1（3）的输出端VR1相连，所述的采样电阻R1（3）的另一端接GND，所述的切换开关S1（2）的开关状态是由单片机（8）的GPIO口控制。3.根据权利要求1所述的压电宽频振动换能器在线系统辨识电路，其特征在于所述的信号放大电路（4）包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、运放U2，所述的电阻R2的一端与采样电阻R1（3）的输出端VR1相连，另一端与运放U2的正输入端3相连，所述的电阻R3一端接GND，另一端与运放U2的负输入端2相连，所述的电阻R4的一端与运放U2的负输入端2相连，另一端与运放U2的输出端6相连，所述的运放U2的正电源输入端7与电源（9）的Vcc端相连，负电源输入端4与...

【专利技术属性】
技术研发人员：施阁，杨燕梅，夏银水，李青，郭泽阳，陈君富，朋焱盛，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33