一种全方向压电能量俘获与振动监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种全方向压电能量俘获与振动监测系统，包括信号采集机构和接口电路，通过支撑座和相同规格的两两垂直的3个常规悬臂梁式压电器件构成信号采集机构，3个常规悬臂梁式压电器件感应三个方向振动分量，三个能量俘获子模块俘获三个方向振动分量传输给多输入反激式变换器模块转换得到电信号进行供电，三个振动传感子模块采集空间内三个方位的振动分量对应的信号传递给信号处理模块，通过信号处理模块计算得到信号采集机构所感受到的总体振动加速度的幅值、方向角与频率；优点是环境适应能力强，能量俘获效率和加速度检测准确度不受振动方向影响，在振动方向处于任意方向时，均具有较高的能量俘获效率以及较高的加速度检测准确度。加速度检测准确度。加速度检测准确度。

【技术实现步骤摘要】
一种全方向压电能量俘获与振动监测系统


[0001]本专利技术涉及一种振动监测系统，尤其是涉及一种全方向压电能量俘获与振动监测系统。

技术介绍

[0002]压电材料具有正压电效应，在环境振动激励下压电材料会发生应变，从而输出压电电压信号。一方面，利用适当的振动传感电路与方法对该压电电压信号进行处理，可以获得该压电材料受到的振动加速度，这被称为压电振动传感；另一方面，利用适当的能量俘获电路与方法可以提取压电材料转换的能量，从而为无线传感节点等低功耗微电子设备供电，延长设备的续航时间，这被称为压电能量俘获。
[0003]申请号为CN202110032826.6的中国专利中公开了一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，该方案使用单个压电器件进行振动传感和能量俘获，其中能量俘获电路用于提取该压电器件转换的电能，振动传感电路用于采集该压电器件转换的压电电压信号，同时结合微控制器模块和无线发射模块对压电电压信号进行处理与传输。
[0004]但该自供电无线振动监测节点只能俘获垂直于压电器件方向上的振动能量，并且只能检测垂直于压电器件方向上的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全方向压电能量俘获与振动监测系统，包括信号采集机构和接口电路，其特征在于所述的信号采集机构包括支撑座和相同规格的3个常规悬臂梁式压电器件，3个常规悬臂梁式压电器件分别安装在所述的支撑座上，且在空间上任意两个常规悬臂梁式压电器件均呈垂直状态，3个常规悬臂梁式压电器件的安装方向相交于所述的支撑座的几何中心，将所述的支撑座的几何中心作为原点O，3个常规悬臂梁式压电器件的安装方向分别作为X方向、Y方向和Z方向构建空间直角坐标系XYZ，此时得到两两相互垂直的3个平面，分别为XOY、XOZ、YOZ；将安装方向沿X方向的常规悬臂梁式压电器件称为X方向常规悬臂梁式压电器件，将安装方向沿Y方向的常规悬臂梁式压电器件称为Y方向常规悬臂梁式压电器件，将安装方向沿Z方向的常规悬臂梁式压电器件称为Z方向常规悬臂梁式压电器件，所述的X方向常规悬臂梁式压电器件用于感受X方向振动加速度分量并将其转换为相应的差分交流电压输出，所述的Y方向常规悬臂梁式压电器件用于感受Y方向振动加速度分量并将其转换为相应的差分交流电压输出，所述的Z方向常规悬臂梁式压电器件用于感受Z方向振动加速度分量并将其转换为相应的差分交流电压输出；所述的接口电路包括能量俘获模块、振动传感模块、多输入反激式变换器模块、信号处理模块和无线发射模块，所述的能量俘获模块包括3个相同的能量俘获子模块，将3个能量俘获子模块分别称为X方向能量俘获子模块、Y方向能量俘获子模块和Z方向能量俘获子模块，所述的X方向能量俘获子模块用于接入所述的X方向常规悬臂梁式压电器件输出的差分交流电压并将该差分交流电压转换为第一直流电压输出给所述的多输入反激式变换器模块，所述的Y方向能量俘获子模块用于接入所述的Y方向常规悬臂梁式压电器件输出的差分交流电压并将该差分交流电压转换为第二直流电压输出给所述的多输入反激式变换器模块，所述的Z方向能量俘获子模块用于接入所述的Z方向常规悬臂梁式压电器件输出的差分交流电压并将该差分交流电压转换为第三直流电压输出给所述的多输入反激式变换器模块；所述的多输入反激式变换器模块对输入其内的第一直流电压、第二直流电压和第三直流电压进行直流变换、线性稳压、电能储存以及同时为所述的振动传感模块、所述的信号处理模块和所述的无线发射模块提供工作电源电压；所述的振动传感模块包括三个结构相同的振动传感子模块，将三个振动传感子模块分别称为X方向振动传感子模块、Y方向振动传感子模块和Z方向振动传感子模块,所述的X方向振动传感子模块感应所述的X方向常规悬臂梁式压电器件输出的差分交流电压并对其感应到的差分交流电压进行峰值跟踪生成峰值电压信号以及整形触发生成同频方波信号输出给所述的信号处理模块，所述的Y方向振动传感子模块感应所述的Y方向常规悬臂梁式压电器件输出的差分交流电压并对其感应到的差分交流电压进行峰值跟踪生成峰值电压信号以及整形触发生成同频方波信号输出给所述的信号处理模块，所述的Z方向振动传感子模块感应所述的Z方向常规悬臂梁式压电器件输出的差分交流电压并对其感应到的差分交流电压进行峰值跟踪生成峰值电压信号以及整形触发生成同频方波信号输出给所述的信号处理模块，所述的信号处理模块基于输入其内的三路峰值电压信号和三路同频方波信号来确定X方向振动加速度分量、Y方向振动加速度分量和Z方向振动加速度分量，进而计算出所述的信号采集机构所感受到的总体振动加速度的幅值、方向角与频率，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所述的一种全方向压电能量俘获与振动监测系统，其特征在于每个
所述的常规悬臂梁式压电器件分别具有正极性输出端和负极性输出端，每个所述的能量俘获子模块分别具有正极输入端、负极输入端、输出端和接地端，所述的多输入反激式变换器模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、电源输出端和接地端，每个所述的振动传感子模块分别具有输入端、峰值输出端、方波输出端、电源输入端和接地端，所述的信号处理模块具有第一峰值输入端、第一方波输入端、第二峰值输入端、第二方波输入端、第三峰值输入端、第三方波输入端、数据总线、电源输入端和接地端，所述的无线发射模块具有数据总线、电源输入端和接地端；所述的X方向常规悬臂梁式压电器件的正极性输出端与所述的X方向能量俘获子模块的正极输入端连接，所述的X方向常规悬臂梁式压电器件的负极性输出端与所述的X方向能量俘获子模块的负极输入端连接，所述的Y方向常规悬臂梁式压电器件的正极性输出端与所述的Y方向能量俘获子模块的正极输入端连接，所述的Y方向常规悬臂梁式压电器件的负极性输出端与所述的Y方向能量俘获子模块的负极输入端连接，所述的Z方向常规悬臂梁式压电器件的正极性输出端与所述的Z方向能量俘获子模块的正极输入端连接，所述的Z方向常规悬臂梁式压电器件的负极性输出端与所述的Z方向能量俘获子模块的负极输入端连接，所述的X方向常规悬臂梁式压电器件的正极性输出端与所述的X方向振动传感子模块输入端连接，所述的Y方向常规悬臂梁式压电器件的正极性输出端与所述的Y方向振动传感子模块输入端连接，所述的Z方向常规悬臂梁式压电器件的正极性输出端与所述的Z方向振动传感子模块输入端连接，所述的X方向能量俘获子模块的输出端与所述的多输入反激式变换器模块的第一输入端连接，所述的Y方向能量俘获子模块的输出端与所述的多输入反激式变换器模块的第二输入端连接，所述的Z方向能量俘获子模块的输出端与所述的多输入反激式变换器模块的第三输入端连接，所述的X方向振动传感子模块的峰值输出端与所述的信号处理模块的第一峰值输入端连接，所述的X方向振动传感子模块的方波输出端与所述的信号处理模块的第一方波输入端连接，所述的Y方向振动传感子模块的峰值输出端与所述的信号处理模块的第二峰值输入端连接，所述的Y方向振动传感子模块的方波输出端与所述的信号处理模块的第二方波输入端连接，所述的Z方向振动传感子模块的峰值输出端与所述的信号处理模块的第三峰值输入端连接，所述的Z方向振动传感子模块的方波输出端与所述的信号处理模块的第三方波输入端连接，所述的信号处理模块的数据总线和所述的无线发射模块的数据总线连接，所述的多输入反激式变换器模块的电源输出端分别与所述的X方向振动传感子模块的电源输入端、所述的Y方向振动传感子模块的电源输入端/所述的Z方向振动传感子模块的电源输入端、所述的信号处理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，所述的多输入反激式变换器模块的接地端、所述的X方向振动传感子模块的接地端、所述的Y方向振动传感子模块的接地端、所述的Z方向振动传感子模块的接地端、所述的信号处理模块的接地端和所述的无线发射模块的接地端连接；所述的X方向常规悬臂梁式压电器件的正极性输出端和负极性输出端用于输出差分交流电压V
PZTX+
和V
PZTX－
，所述的Y方向常规悬臂梁式压电器件的正极性输出端和负极性输出端用于输出差分交流电压V
PZTY+
和V
PZTY－
，所述的Z方向常规悬臂梁式压电器件的正极性输出端和负极性输出端之间用于输出差分交流电压V
PZTZ+
和V
PZTZ－
，所述的X方向能量俘获子模块的输出端用于输出第一直流电压，将第一直流电压记为V
EHX
，所述的Y方向能量俘获子模块的输出端用于输出第二直流电压，将第二直流电压记为V
EHY
，所述的Z方向能量俘获子模块的输出端用于输出第三直流电压，将第三直流电压记为V
EHZ
，所述的X方向振动
传感子模块的峰值输出端用于输出峰值电压信号，将该峰值电压信号记为V
PEAKX
，所述的Y方向振动传感子模块的峰值输出端用于输出峰值电压信号，将该峰值电压信号记为V
PEAKY
,所述的Z方向振动传感子模块的峰值输出端用于输出峰值电压信号，将该峰值电压信号记为V
PEAKZ
，所述的X方向振动传感子模块的方波输出端用于输出同频方波信号，将该同频方波信号记为V
FREQX
，所述的Y方向振动传感子模块的方波输出端用于输出同频方波信号，将该同频方波信号记为V
FREQY
,所述的Z方向振动传感子模块的方波输出端用于输出同频方波信号，将该同频方波信号记为V
FREQZ
，所述的信号处理模块中预存有所述的常规悬臂梁式压电器件的幅频特性曲线以及计时周期T，所述的信号处理模块基于输入其内的3路峰值电压信号V
PEAKX
、V
PEAKY
、V
PEAKZ
和3路同频方波信号V
FREQX
、V
FREQY
、V
FREQZ
，确定X方向常规悬臂梁式压电器件感受到的X方向振动加速度分量a
X
、Y方向常规悬臂梁式压电器件感受到的Y方向振动加速度分量a
Y
和Z方向常规悬臂梁式压电器件感受到的Z方向振动加速度分量a
Z
，进而计算总体振动加速度的幅值、方向角与频率；所述的信号处理模块上电后即启动计时，当3路峰值电压信号V
PEAKX
、V
PEAKY
、V
PEAKZ
和3路同频方波信号V
FREQX
、V
FREQY
、V
FREQZ
输入其内时，所述的信号处理模块对输入其内的3路峰值电压信号V
PEAKX
、V
PEAKY
、V
PEAKZ
分别同时进行连续AD采样，同时开始对输入其内的3路同频方波信号V
FREQX
、V
FREQY
、V
FREQZ
分别进行上升沿计数...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宣轶，夏桦康，柴星雨，陈曦，夏银水，叶益迭，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：