一种用于压电自感知俘能的振动信号提取方法技术

本发明专利技术公开了一种用于压电自感知俘能的振动信号提取方法，利用单个压电器件进行振动能量俘获和振动信号传感，单个压电器件以时空共用方式并行地进行振动能量俘获和振动信号传感，建立了适用于压电自感知俘能时空共用模式的振动加速度计算模型，在进行振动信号传感时先采集振动信号并对振动信号进行处理，得到振动加速度的角频率ω和峰值分压信号的电压值V

【技术实现步骤摘要】
一种用于压电自感知俘能的振动信号提取方法


[0001]本专利技术涉及振动信号提取方法，尤其是涉及一种用于压电自感知俘能的振动信号提取方法。

技术介绍

[0002]压电器件具有正压电效应，可制成传感器用于感知机械振动信号，如振动加速度、速度、位移等，也可制成俘能器用于俘获环境振动能量，为低功耗微电子设备提供可持续电能。所谓“压电自感知俘能”，就是利用单个压电器件来实现振动能量俘获与振动信号传感两种功能。压电自感知俘能具有两种典型的工作模式，分别是时分复用模式和时空共用模式。时分复用模式是指将单个压电器件在一段时间内用于振动能量俘获，而在另一段时间内用于振动信号传感。时分复用模式的技术实现难度一般，但时分复用模式容易导致压电自感知俘能系统错过一些关键振动信号的测量。时空共用模式是指将单个压电器件同时用于振动能量俘获与振动信号传感。相比时分复用模式而言，时空共用模式虽然不容易导致压电自感知俘能系统错过一些关键振动信号的测量，但是其技术实现难度较大，它需要解决两种功能在单个压电器件上同时进行时所产生的相互干扰的技术难题。
[0003]目前，已有一些技术方案被提出用于实现压电自感知俘能的两种典型工作模式，但仍然存在一些问题尚待解决。如申请号为CN202210572620.7的中国专利技术专利申请中公开了一种全方向压电能量俘获与振动监测系统，该系统采用空间上相互垂直的三个压电器件来消除振动激励方向对振动能量俘获和振动信号传感的影响；针对其中每一个压电器件而言，实现的是压电自感知俘能的时分复用模式，即该系统在进行振动能量俘获时不能同时进行振动信号传感，由此可能导致丢失一些重要的振动信号；因此，该系统的振动信号传感的即时性和效率较差，无法用于有连续振动传感要求的场合，同时重要振动信号的丢失也会导致振动信号传感整体精度受到影响，无法用于有高精度振动传感要求的场合。又如申请号为CN202110032826.6的中国专利技术专利申请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，该自供电无线振动监测节点实现了压电自感知俘能的时空共用模式，即单个压电器件同时进行振动能量俘获和振动信号传感；为了提取出振动信号，该自供电无线振动监测节点基于理想的同步开关电感电路模型，直接利用非正弦压电电压峰值和整流电压的线性组合来计算等效压电开路电压，进而计算出振动加速度大小。虽然该自供电无线振动监测节点的即时性和效率较高，能够用于有连续振动传感要求的场合，但是由于非正弦压电电压信号中包含了大量的高次谐波分量，而机械振动信号通常为低频信号，该自供电无线振动监测节点在提取振动信号时未考虑上述因素的影响，因而导致计算所得的振动加速度误差较大，无法用于有高精度振动传感要求的场合。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有较高的即时性和效率，能满足连续振动传感需求的同时，也能够消除非正弦压电电压信号中高次谐波分量的影响，具有较高的
振动加速度计算精度，可满足高精度振动传感需求的用于压电自感知俘能的振动信号提取方法。
[0005]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于压电自感知俘能的振动信号提取方法，利用单个压电器件同时进行振动能量俘获和振动信号传感，所述的振动信号传感包括先采集振动信号并对所述的振动信号进行处理，得到振动加速度的角频率ω和峰值分压信号的电压值V
peak
然后将振动加速度的角频率ω和峰值分压信号的电压值V
peak
，代入振动加速度计算模型中计算得到振动加速度幅值的步骤，其中所述的振动加速度计算模型采用式(1)进行表示：
[0006][0007]式(1)中，A为振动加速度的幅值；M为所述的压电器件的等效质量，D为所述的压电器件的等效阻尼，K为所述的压电器件的等效刚度，C
P
为所述的压电器件的夹持电容，α为所述的压电器件的力压转换系数，M、D、K、C
P
和α通过对所述的压电器件进行力学与电学测试预先加以确定；k为分压系数，其值由获取峰值分压信号的具体电路结构所决定；π为圆周率。
[0008]利用单个压电器件同时进行振动能量俘获和振动信号传感的具体过程为：
[0009]S1、通过一个压电器件感受外界环境中的振动，该压电器件的正输出端和负输出端分别生成一路交流电压信号输出，将该压电器件的正输出端输出的交流电压信号称为正端交流电压信号，负输出端输出的交流电压信号称为负端交流电压信号，所述的正端交流电压信号和所述的负端交流电压信号构成差分交流电压信号；
[0010]S2、将所述的差分交流电压信号转化成直流电压信号为充电电池充电，实现电能的存储；同时，一方面对所述的正端交流电压信号的峰值进行跟踪，并输出与所述的正端交流电压信号的峰值电压成正比的峰值分压信号，另一方面对所述的正端交流电压信号进行整形触发并生成与外界环境中的振动信号同频率的方波电压信号；
[0011]S3、周期性的采集所述的峰值分压信号和所述的方波电压信号，并对每个周期采集的峰值分压信号和方波电压信号进行处理，得到每个周期振动加速度的角频率以及峰值分压信号的电压值，代入所述的振动加速度计算模型中计算得到振动加速度幅值，实现振动信号的提取。
[0012]所述的差分交流电压信号通过同步电荷提取电路转化成直流电压信号；通过峰值检波电路对所述的正端交流电压信号的峰值进行跟踪，并输出与正端交流电压信号的峰值电压成正比的峰值分压信号，所述的振动加速度计算模型中的分压系数k由所述的峰值检波电路所决定；通过同频方波生成电路对所述的正端交流电压信号进行整形触发并生成与外界环境中的振动信号同频率的方波电压信号；所述的振动加速度计算模型预存在单片机中，通过所述的单片机周期性的采集所述的峰值分压信号和所述的方波电压信号，并依次对每个周期采集的峰值分压信号和方波电压信号进行处理，得到每个周期振动加速度的角频率以及峰值分压信号的值，代入所述的振动加速度计算模型中计算得到振动加速度幅值。
[0013]所述的步骤S3的具体过程为：
[0014]A1、在所述的单片机中设定计时周期，该计时周期为20ms～100ms；
[0015]A2、在一个计时周期内，一方面，所述的单片机通过其内部计数器统计该计时周期的方波电压信号的上升沿数量，基于该计时周期采集的方波电压信号的上升沿数量计算得到该计时周期的振动加速度的角频率ω，另一方面，所述的单片机通过其内部模数转换器对该计时周期的峰值分压信号进行电压采样，计算得到该计时周期的峰值分压信号的电压值V
peak
；
[0016]A3、将ω和V
peak
代入所述的振动加速度计算模型，计算得到该计时周期振动加速度的幅值A。
[0017]所述的压电器件为悬臂梁式压电器件。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的优点在于利用单个压电器件同时进行振动能量俘获和振动信号传感，单个压电器件以时空共用方式并行地进行振动能量俘获和振动信号传感，避免了重要振动信号的丢失，提高了振动信号传感的即本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于压电自感知俘能的振动信号提取方法，利用单个压电器件同时进行振动能量俘获和振动信号传感，其特征在于所述的振动信号传感包括先采集振动信号并对所述的振动信号进行处理，得到振动加速度的角频率ω和峰值分压信号的电压值V
peak
，然后将振动加速度的角频率ω和峰值分压信号的电压值V
peak
代入振动加速度计算模型中计算得到振动加速度幅值的步骤，其中所述的振动加速度计算模型采用式(1)进行表示：式(1)中，A为振动加速度的幅值；M为所述的压电器件的等效质量，D为所述的压电器件的等效阻尼，K为所述的压电器件的等效刚度，C
P
为所述的压电器件的夹持电容，α为所述的压电器件的力压转换系数，M、D、K、C
P
和α通过对所述的压电器件进行力学与电学测试预先加以确定；k为分压系数，其值由获取峰值分压信号的具体电路结构所决定；π为圆周率。2.根据权利要求1所述的一种用于压电自感知俘能的振动信号提取方法，其特征在于利用单个压电器件同时进行振动能量俘获和振动信号传感的具体过程为：S1、通过一个压电器件感受外界环境中的振动，该压电器件的正输出端和负输出端分别生成一路交流电压信号输出，将该压电器件的正输出端输出的交流电压信号称为正端交流电压信号，负输出端输出的交流电压信号称为负端交流电压信号，所述的正端交流电压信号和所述的负端交流电压信号构成差分交流电压信号；S2、将所述的差分交流电压信号转化成直流电压信号为充电电池充电，实现电能的存储；同时，一方面对所述的正端交流电压信号的峰值进行跟踪，并输出与所述的正端交流电压信号的峰值电压成正比的峰值分压信号，另一方面对所述的正端交流电压信号进行整形触发并生成与外界环境中的振动信号同频率的方波电压信号；S3、周期性的采集所述的峰值分压信号和所述的方波电压信号，并对每个周期采集的峰值分压...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏桦康，方斌，夏银水，陈国柱，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：