一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点制造技术

本发明专利技术公开了一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，包括采集元件和监测电路，采集元件仅采用一个常规悬臂梁式的压电器件实现，监测电路包括振动测量模块、能量收集模块、微控制器模块和无线发射模块，压电器件用于感受环境振动后生成交流电压输出至振动测量模块和能量收集模块中，振动测量模块输出峰值分压信号分别给能量收集模块和微控制器模块，并输出同频率的方波信号给微控制器模块，能量收集模块输出第一直流电压和第二直流电压给微控制器模块，并同时提供工作电源电压，微控制器模块基于输入其内信号确定压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给无线发射模块进行无线发射；优点是体积较小，且成本较低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点
本专利技术涉及一种自供电无线振动监测节点，尤其是涉及一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点。
技术介绍
传统的振动监测系统通常基于正压电效应的压电加速度传感器来实现，在监测设备结构振动状态时，压电加速度传感器将振动加速度信号转换成电信号，然后由二次仪表进行采样处理获取振动信号。随着无线传感网络技术的发展，振动监测系统也逐步趋向无线化方向发展，无线振动监测系统应运而生。无线振动监测系统可以实现对被测设备结构振动状态的远程无线实时监测，获得了广泛的应用。一个无线振动监测系统通常由数目众多的监测节点通过无线组网构成。单个无线振动监测节点主要包括采集元件和监测电路，其中采集元件为压电加速度传感器，监测电路由微控制器和无线发射模块等有源器件构成。压电加速度传感器是一种无源器件，其工作过程不需要依靠外部供电，但是构成监测电路的微控制器和无线发射模块等有源器件，其工作过程需要依靠外部供电。在野外环境下，无线振动监测节点的电能供应主要依赖干电池。由于干电池容量有限，因而需要定期更换。然而，由于监测节点数目众多且部分可能预埋在被测设备结构内部，因此干电池更换成本高昂甚至无法更换。近年来，通过振动能量收集来为无线振动监测节点提供电能得到了广泛研究。申请号为CN202010802294.5的中国专利中公开了一种基于振动能采集器的自供电传感器(即无线振动监测节点)，该自供电传感器用于监测振动速度，其振动能采集基于压电换能器实现，振动速度检测采用速度传感器实现，振动能采集器为速度传感器及其信号调理电路提供电能，实现自供电。该方案中，振动能采集器和速度传感器为两个独立的模块，导致方案整体体积较大，且成本较高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种体积较小，且成本较低的基于单压电器件的自供电无线振动监测节点。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，包括采集元件和监测电路，所述的采集元件仅采用一个常规悬臂梁式的压电器件实现，所述的监测电路包括振动测量模块、能量收集模块、微控制器模块和无线发射模块，所述的压电器件用于感受环境振动后生成交流电压输出至所述的振动测量模块和所述的能量收集模块中，所述的振动测量模块对输入其内的交流电压进行峰值跟踪并输出与峰值成正比的峰值分压信号分别给所述的能量收集模块和所述的微控制器模块，同时对输入其内的交流电压进行整形触发并输出同频率的方波信号给所述的微控制器模块；所述的能量收集模块对输入其内的交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给所述的微控制器模块，并同时进行电能储存以及为所述的振动测量模块、所述的微控制器模块和所述的无线发射模块提供工作电源电压；所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、同频方波信号、第一直流电压和第二直流电压确定所述的压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给所述的无线发射模块进行无线发射。所述的压电器件具有正极性输出端和负极性输出端，所述的能量收集模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端、第二输出端和电源输出端，所述的振动测量模块具有第一输入端、第二输入端、电源输入端、第一输出端和第二输出端，所述的微控制器模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、电源输入端、第一控制端、第二控制端和输出端，所述的无线发射模块具有电源输入端、信号输入端和输出端，所述的压电器件的正极性输出端、所述的能量收集模块的第一输入端和所述的振动测量模块的第一输入端连接，所述的压电器件的负极性输出端和所述的能量收集模块的第二输入端连接，所述的能量收集模块的第一输出端和所述的微控制器模块的第三输入端连接，所述的能量收集模块的第二输出端和所述的微控制器模块的第四输入端连接，所述的能量收集模块的电源输出端、所述的振动测量模块的电源输入端、所述的微控制器模块的电源输入端和所述的无线发射模块的电源输入端连接，所述的振动测量模块的第一输出端、所述的能量收集模块的第三输入端和所述的微控制器模块的第二输入端连接，所述的振动测量模块的第二输出端和所述的微控制器模块的第一输入端连接，所述的微控制器模块的第一控制端和所述的振动测量模块的第二输入端连接，所述的微控制器模块的第二控制端和所述的能量收集模块的第四输入连接，所述的微控制器模块的输出端和所述的无线发射模块的信号输入端连接，所述的压电器件感受环境振动后产生交流电压，其正极性输出端和负极性输出端之间输出差分交流电压给所述的能量收集模块，其正极性输出端输出单端交流电压给所述的振动测量模块，所述的振动测量模块对输入其内的单端交流电压进行峰值跟踪生成峰值分压信号以及整形触发生成同频方波信号，将峰值分压信号记为Vpeak，同频方波信号记为Vfreq，所述的振动测量模块的第一输出端输出峰值分压信号Vpeak给所述的能量收集模块和所述的微控制器模块，所述的振动测量模块的第二输出端输出同频方波信号Vfreq给所述的微控制器模块，所述的能量收集模块对输入其内的差分交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给所述的微控制器模块，将第一直流电压记为Vdc1，第二直流电压记为Vdc2；所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、第一直流电压和同频方波信号，确定压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给所述的无线发射模块进行无线发射。所述的能量收集模块包括第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一PNP三极管、第二PNP三极管、第一电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一PMOS管、第一电阻、第二电阻、直流变换器、锂电池和线性稳压器；所述的第一电容为无极性电容，所述的第二电容和所述的第三电容均为电解电容，所述的直流变换器具有输入端、输出端、控制端和接地端，所述的线性稳压器具有输入端、输出端和接地端，所述的第一NPN三极管的基极、所述的第二NPN三极管的集电极、所述的第一PNP三极管的基极和所述的第二PNP三极管的集电极连接且其连接端为所述的能量收集模块的第一输入端，所述的第一NPN三极管的集电极和所述的第二PNP三极管的基极连接，所述的第一PNP三极管的集电极和所述的第二NPN三极管的基极连接，所述的第一NPN三极管的发射极、所述的第一PNP三极管的发射极和所述的第一电容的一端连接，所述的第二NPN三极管的发射极、所述的第二PNP三极管的发射极和所述的第一电感的一端连接，所述的第一电感的另一端、所述的第一二极管的正极和所述的第四二极管的负极连接，所述的第一电容的另一端、所述的第二二极管的正极和所述的第三二极管的负极连接且其连接端为所述的能量收集模块的第二输入端，所述的第一二极管的负极、所述的第二二极管的负极、所述的第二电容的正极和所述的第一PMOS管的源极连接其连接端为所述的能量收集模块的第一输出端，所述的第一PMOS管的栅极为所述的能量收集模块的第三输入端，所述的第一PMOS管的漏极、所述的第三电容的正极、所述的第一电阻的一端和所述的直流变换器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，包括采集元件和监测电路，所述的采集元件仅采用一个常规悬臂梁式的压电器件实现，其特征在于所述的监测电路包括振动测量模块、能量收集模块、微控制器模块和无线发射模块，所述的压电器件用于感受环境振动后生成交流电压输出至所述的振动测量模块和所述的能量收集模块中，所述的振动测量模块对输入其内的交流电压进行峰值跟踪并输出与峰值成正比的峰值分压信号分别给所述的能量收集模块和所述的微控制器模块，同时对输入其内的交流电压进行整形触发并输出同频率的方波信号给所述的微控制器模块；所述的能量收集模块对输入其内的交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给所述的微控制器模块，并同时进行电能储存以及为所述的振动测量模块、所述的微控制器模块和所述的无线发射模块提供工作电源电压；所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、同频方波信号和第一直流电压确定所述的压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给所述的无线发射模块进行无线发射。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，包括采集元件和监测电路，所述的采集元件仅采用一个常规悬臂梁式的压电器件实现，其特征在于所述的监测电路包括振动测量模块、能量收集模块、微控制器模块和无线发射模块，所述的压电器件用于感受环境振动后生成交流电压输出至所述的振动测量模块和所述的能量收集模块中，所述的振动测量模块对输入其内的交流电压进行峰值跟踪并输出与峰值成正比的峰值分压信号分别给所述的能量收集模块和所述的微控制器模块，同时对输入其内的交流电压进行整形触发并输出同频率的方波信号给所述的微控制器模块；所述的能量收集模块对输入其内的交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给所述的微控制器模块，并同时进行电能储存以及为所述的振动测量模块、所述的微控制器模块和所述的无线发射模块提供工作电源电压；所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、同频方波信号和第一直流电压确定所述的压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给所述的无线发射模块进行无线发射。


2.根据权利要求1所述的一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，其特征在于所述的压电器件具有正极性输出端和负极性输出端，所述的能量收集模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端、第二输出端和电源输出端，所述的振动测量模块具有第一输入端、第二输入端、电源输入端、第一输出端和第二输出端，所述的微控制器模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、电源输入端、第一控制端、第二控制端和输出端，所述的无线发射模块具有电源输入端、信号输入端和输出端，所述的压电器件的正极性输出端、所述的能量收集模块的第一输入端和所述的振动测量模块的第一输入端连接，所述的压电器件的负极性输出端和所述的能量收集模块的第二输入端连接，所述的能量收集模块的第一输出端和所述的微控制器模块的第三输入端连接，所述的能量收集模块的第二输出端和所述的微控制器模块的第四输入端连接，所述的能量收集模块的电源输出端、所述的振动测量模块的电源输入端、所述的微控制器模块的电源输入端和所述的无线发射模块的电源输入端连接，所述的振动测量模块的第一输出端、所述的能量收集模块的第三输入端和所述的微控制器模块的第二输入端连接，所述的振动测量模块的第二输出端和所述的微控制器模块的第一输入端连接，所述的微控制器模块的第一控制端和所述的振动测量模块的第二输入端连接，所述的微控制器模块的第二控制端和所述的能量收集模块的第四输入连接，所述的微控制器模块的输出端和所述的无线发射模块的信号输入端连接，所述的压电器件感受环境振动后产生交流电压，其正极性输出端和负极性输出端之间输出差分交流电压给所述的能量收集模块，其正极性输出端输出单端交流电压给所述的振动测量模块，所述的振动测量模块对输入其内的单端交流电压进行峰值跟踪生成峰值分压信号以及整形触发生成同频方波信号，将峰值分压信号记为Vpeak，同频方波信号记为Vfreq，所述的振动测量模块的第一输出端输出峰值分压信号Vpeak给所述的能量收集模块和所述的微控制器模块，所述的振动测量模块的第二输出端输出同频方波信号Vfreq给所述的微控制器模块，所述的能量收集模块对输入其内的差分交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给所述的微控制器模块，将第一直流电压记为Vdc1，第二直流电压记为Vdc2；所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、第一直流电压和同频方波信号，确定压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给所述的无线发射模块进行无线发射。


3.根据权利要求2所述的一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，其特征在于所述的能量收集模块包括第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一PNP三极管、第二PNP三极管、第一电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一PMOS管、第一电阻、第二电阻、直流变换器、锂电池和线性稳压器；所述的第一电容为无极性电容，所述的第二电容和所述的第三电容均为电解电容，所述的直流变换器具有输入端、输出端、控制端和接地端，所述的线性稳压器具有输入端、输出端和接地端，所述的第一NPN三极管的基极、所述的第二NPN三极管的集电极、所述的第一PNP三极管的基极和所述的第二PNP三极管的集电极连接且其连接端为所述的能量收集模块的第一输入端，所述的第一NPN三极管的集电极和所述的第二PNP三极管的基极连接，所述的第一PNP三极管的集电极和所述的第二NPN三极管的基极连接，所述的第一NPN三极管的发射极、所述的第一PNP三极管的发射极和所述的第一电容的一端连接，所述的第二NPN三极管的发射极、所述的第二PNP三极管的发射极和所述的第一电感的一端连接，所述的第一电感的另一端、所述的第一二极管的正极和所述的第四二极管的负极连...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏桦康，东庆刚，夏银水，叶益迭，钱利波，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33