钻蛀振动传感器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种钻蛀振动传感器系统，包括：振动传导杆用于传导钻蛀振动信号以及为系统提供支撑，压电陶瓷柱用于将轴向振动信号转换为电信号；带通放大器用于进行信号放大；功率放大器用于进行功率放大；接口电路用于提供传感器信号的输出路径和外部馈电的输入路径；稳压电路用于接入传感器外的馈电，并将馈电稳压后供给带通放大器和功率放大器；密封模块用于封装压电陶瓷柱、带通放大器、功率放大器、接口电路和稳压电路。该系统的传感器接口灵活，支持信号/馈电分离或组合方式，兼容专用接收机或通用智能手机进行信号监测和处理，同时传感器为金属抗震防水整体结构，具有较高的可靠性，适合野外长期工作。

【技术实现步骤摘要】
钻蛀振动传感器系统
本专利技术涉及机械振动测量
，特别涉及一种钻蛀振动传感器系统。
技术介绍
钻蛀性害虫的危害具有隐蔽性和滞后性。蛀干害虫隐蔽生活，除成虫在树体外裸露活动外，其余虫态均在寄主树木的韧皮部或木质部内隐蔽生活。幼虫取食可到达根部，有的向侧根取食，有的沿主根向下，将韧皮部食尽，切断形成层，破坏疏导组织，从而使树木死亡。林木受害后逐渐停止生长，老叶先失绿、变黄，最后整株干枯死亡。由于宿主症状表现出滞后性，期间历时2～3年，故很难对其进行早期监测和防治，一旦发现，已处于危害晚期，对林木的破坏呈毁灭性。声音侦听技术具有早期预警、准确率高、破坏性小等特点，在隐蔽性强、滞后性长、毁灭性大的钻蛀害虫监测领域具有较为明显的应用前景。利用声音侦听技术，对木材检疫害虫、仓储害虫、林业蛀干害虫等各类隐蔽性害虫开展了广泛的研究，为探测害虫活动的位置、强度及数量等提供了有效的技术支持，为有针对性防治害虫提供良好的数据支撑。对于有发声器官的成虫或仓储货物中的幼虫，通常采用麦克风作为传感器，侦听传导至空气振动。尽管麦克风价格低廉，灵敏度高，频率响应范围宽，但易受环境噪声干扰，无法直接传感固体中的振动。木段中的钻蛀声在固气界面衰减极大，需使用以压电换能器为传感元件的拾音器侦听，典型仪器为美国AEC公司便携式声音探测仪AED-2000/2010(含SP-1L探头)。SP-1L探头为低频压电传感器，可通过金属探针直接耦合蛀干振动，压电元件谐振频率为40KHz，前置放大器增益倍数为40dB、增益带宽为1～50KHz带宽、输出阻抗为50Ω。AED-2010主机提供二级增益(最大60dB)、滤波降噪、脉冲计数、数模转换等功能，最终输出音频信号供人工监听或录音分析。钻蛀声采集相对简便高效，且对寄主破坏极小，作为一种新兴的方法十分适用于早期监测预警。但目前仍存在以下问题：一是垄断仪器昂贵，尽管便携式声音探测仪AED-2010可有效侦听钻蛀害虫，但此仪器为美国进口，垄断售价高达七万元/套，制约了国内的大范围应用；二是AED-2000/2010探测仪体积较大，且必须通过有线连接探头，在工作中二者必须放置于被测林木附近，不利于长期无人值守自动监测；三是自动化程度低，普遍采用人工侦听或实验室离线分析，难以满足广阔林区的监测需求；四是AED-2000/2010采用的振动换能元件为四只柱形压电陶瓷体通过导电胶水粘接而成，四个粘接面成为低强度介面，在传感头内部缺乏有效的抗震支撑，在使用中跌落或强烈碰撞即造成压电陶瓷体断裂，传感头损坏无法工作；五是AED-2000/2010并未针对钻蛀振动信号频段做优化设计，特别受限于两线制馈电/信号传输体制，低频段的信号受到较大衰减，无法有效监测；六是AED-2000/2010的传感头采用纵向排列压电陶瓷堆和放大器电路板，传感头较长，在林木监测使用时，除了端点需要固定外，后端还需通过辅助支架进行支撑，否则传感头难以长期固定于林木上，造成结构复杂。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种钻蛀振动传感器系统，该系统体积小，灵敏度高，防水抗震，功耗低、信号可直接输出。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种钻蛀振动传感器系统，包括：振动信号换能模块、带通放大器、功率放大器、接口电路、稳压电路和密封模块；所述振动信号换能模块包括振动传导杆、传感器密封前盖和压电陶瓷柱，所述振动传导杆插入待测位置内部，用于传导钻蛀振动信号以及为所述系统提供支撑；所述振动传导杆固定于所述传感器密封前盖的中心孔内，所述压电陶瓷柱固定于所述传感器密封前盖后部的沉孔内，所述压电陶瓷柱和所述振动传导杆共轴安装，所述压电陶瓷柱用于将轴向振动信号转换为电信号；所述带通放大器与所述压电陶瓷柱输出端连接，用于将所述振动信号换能模块输出的电信号进行放大；所述功率放大器与所述带通放大器输出端连接，用于将所述带通放大器输出的信号进行功率放大；所述接口电路与所述功率放大器的输出端连接，用于提供传感器信号的输出路径和外部馈电的输入路径；所述稳压电路与所述带通放大器、所述功率放大器和所述接口电路连接，用于通过所述接口电路接入传感器外的馈电，并将馈电稳压后供给所述带通放大器和所述功率放大器；所述密封模块用于封装所述压电陶瓷柱、所述带通放大器、所述功率放大器、所述接口电路和所述稳压电路，所述密封模块前部连接所述传感器密封前盖，所述密封模块后部连接传感器密封后盖，通过所述传感器密封后盖引出所述接口电路的线路。本专利技术实施例的钻蛀振动传感器系统，具有以下优点：1)采用整体压电陶瓷体作为钻蛀害虫振动信号的换能器件，通过合理选择陶瓷体的尺寸和材料，对比同类产品采用的压电陶瓷粘接堆或小体积压电陶瓷体，在适配钻蛀振动信号的频段内具有较高的灵敏度，同时提高了传感器的抗震性能，不容易在意外碰撞中由于陶瓷堆断裂损坏。2)根据钻蛀振动信号的频谱特点和压电陶瓷堆的响应范围，设置带通滤波器的工作频段为200Hz至10KHz，增益为20倍，更好的适配钻蛀振动信号的检测和放大需求。3)通过功率放大电路、双模式接口电路、低压差线性稳压电路和低电压运算放大器的组合设计，支持传感器独立工作，可以直接连接智能手机等声音采集设备进行监测；同时支持馈电和振动信号分离/混合输送方式，支持各种后端处理设备；具有较好的馈电适应性，对于5V供电，可达±350mV的供电跌落/噪声容限，对移动电源和太阳能电池电源具有广泛的适应性。4)机械结构采用电路板截面放置、前后盖双密封圈和填充发泡支撑材料等方式，使传感器长度有效缩短，较广泛应用的AED公司同类设备长度缩小40％，且采用振动传导杆直接固定于传感器的联系方式，去掉铁质转接环，减轻重量和固定力矩，利于无后支架支撑的固定于林木树干上，更利于实际使用。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的钻蛀振动传感器系统结构示意图；图2为根据本专利技术一个实施例的振动信号换能模块结构示意图；图3为根据本专利技术一个实施例的带通放大器电路原理图；图4为根据本专利技术一个实施例的功率放大器电路原理图；图5为根据本专利技术一个实施例的接口电路原理图；图6为根据本专利技术一个实施例的稳压电路原理图；图7为根据本专利技术一个实施例的密封模块结构示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。钻蛀振动信号是由钻蛀型害虫在林木树干内由口器啃食树木发生的振动信号，信号在林木内部通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钻蛀振动传感器系统，其特征在于，包括：振动信号换能模块、带通放大器、功率放大器、接口电路、稳压电路和密封模块；/n所述振动信号换能模块包括振动传导杆、传感器密封前盖和压电陶瓷柱，所述振动传导杆插入待测位置内部，用于传导钻蛀振动信号以及为所述系统提供支撑；所述振动传导杆固定于所述传感器密封前盖的中心孔内，所述压电陶瓷柱固定于所述传感器密封前盖后部的沉孔内，所述压电陶瓷柱和所述振动传导杆共轴安装，所述压电陶瓷柱用于将轴向振动信号转换为电信号；/n所述带通放大器与所述压电陶瓷柱输出端连接，用于将所述振动信号换能模块输出的电信号进行放大；/n所述功率放大器与所述带通放大器输出端连接，用于将所述带通放大器输出的信号进行功率放大；/n所述接口电路与所述功率放大器的输出端连接，用于提供传感器信号的输出路径和外部馈电的输入路径；/n所述稳压电路与所述带通放大器、所述功率放大器和所述接口电路连接，用于通过所述接口电路接入传感器外的馈电，并将馈电稳压后供给所述带通放大器和所述功率放大器；/n所述密封模块用于封装所述压电陶瓷柱、所述带通放大器、所述功率放大器、所述接口电路和所述稳压电路，所述密封模块前部连接所述传感器密封前盖，所述密封模块后部连接传感器密封后盖，通过所述传感器密封后盖引出所述接口电路的线路。/n...

【技术特征摘要】
1.一种钻蛀振动传感器系统，其特征在于，包括：振动信号换能模块、带通放大器、功率放大器、接口电路、稳压电路和密封模块；
所述振动信号换能模块包括振动传导杆、传感器密封前盖和压电陶瓷柱，所述振动传导杆插入待测位置内部，用于传导钻蛀振动信号以及为所述系统提供支撑；所述振动传导杆固定于所述传感器密封前盖的中心孔内，所述压电陶瓷柱固定于所述传感器密封前盖后部的沉孔内，所述压电陶瓷柱和所述振动传导杆共轴安装，所述压电陶瓷柱用于将轴向振动信号转换为电信号；
所述带通放大器与所述压电陶瓷柱输出端连接，用于将所述振动信号换能模块输出的电信号进行放大；
所述功率放大器与所述带通放大器输出端连接，用于将所述带通放大器输出的信号进行功率放大；
所述接口电路与所述功率放大器的输出端连接，用于提供传感器信号的输出路径和外部馈电的输入路径；
所述稳压电路与所述带通放大器、所述功率放大器和所述接口电路连接，用于通过所述接口电路接入传感器外的馈电，并将馈电稳压后供给所述带通放大器和所述功率放大器；
所述密封模块用于封装所述压电陶瓷柱、所述带通放大器、所述功率放大器、所述接口电路和所述稳压电路，所述密封模块前部连接所述传感器密封前盖，所述密封模块后部连接传感器密封后盖，通过所述传感器密封后盖引出所述接口电路的线路。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述振动传导杆为硬质金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔剑，孙钰，骆有庆，任利利，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11