CN108680246B - 基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法 - Google Patents

基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法，所述振动模式识别装置包括：固定架，以及固定于所述固定架内的至少两个阈值驱动能量采集器；其中，各所述阈值驱动能量采集器通过设置不同的谐振频率和对外界振动幅度的感应阈值来识别待测环境中不同的振动模式。通过本发明提供的基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法，解决了现有技术中无线传感节点供电不便的问题。

Description

基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域和物联网领域，特别是涉及一种基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法。
背景技术
近年来，无线传感节点越来越受到人们的关注，目前已逐渐渗透到日常社会生活中，在军事、环境监测、智能交通、医疗卫生、工农业生产、城市安防和智能家居等领域得到广泛利用，如用于监测环境状况和入侵检测系统的安全等。
然而，由于无线传感节点数据采集和信号传输的实时性等特点，这类节点数量巨大且分布广泛，而且通常被部署在环境恶劣且能源受限的环境中，如野外或无人值守的围栏、路桥等；若采用普通电缆给节点供电将极大的限制无线传感节点的部署范围并且增加部署成本，削弱无线传感节点技术的意义；而采用普通电池方式供电则不可避免地存在电池寿命有限，更换维护成本高等问题。因此，如何设计一种行之有效的自供电低功耗无线传感节点就成为无线传感网络推广中丞待解决的技术。
鉴于此，有必要设计一种新的基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法用以解决上述技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法，用于解决现有技术中无线传感节点供电不便的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置，所述振动模式识别装置包括：固定架，以及固定于所述固定架内的至少两个阈值驱动能量采集器；其中，各所述阈值驱动能量采集器通过设置不同的谐振频率和对外界振动幅度的感应阈值来识别待测环境中不同的振动模式。
优选地，所述阈值驱动能量采集器包括：固定于所述固定架一侧的一级振子，及固定于所述固定架另一侧的二级振子；其中，
所述一级振子包括：第一端固定于所述固定架一侧、第二端为自由端的第一悬臂梁，设于所述第一悬臂梁第二端上表面的第一永磁体，及设于所述第一悬臂梁第二端下表面的质量块；
所述二级振子包括：第一端固定于所述固定架另一侧、第二端为自由端的第二悬臂梁，设于所述第二悬臂梁第一端上表面的压电薄膜，及设于所述第二悬臂梁第二端上表面的第二永磁体；所述第一悬臂梁的第二端和所述第二悬臂梁的第二端之间设有预设距离；
其中，各所述阈值驱动能量采集器通过调节所述第一悬臂梁的厚度来调节所述谐振频率，及通过调节所述质量块的质量来调节所述感应阈值。
优选地，所述第一悬臂梁的厚度与所述谐振频率正相关，所述质量块的质量与所述感应阈值负相关。
优选地，所述振动模式识别装置包括一低频大幅阈值驱动能量采集器及一高频小幅阈值驱动能量采集器，其中，所述低频大幅阈值驱动能量采集器中第一悬臂梁的厚度小于所述高频小幅阈值驱动能量采集器中第一悬臂梁的厚度，所述低频大幅阈值驱动能量采集器中质量块的质量小于所述高频小幅阈值驱动能量采集器中质量块的质量。
优选地，所述振动模式识别装置还包括：
滤波电路，所述滤波电路分别与各所述阈值驱动能量采集器连接，用于对各所述阈值驱动能量采集器输出的电能进行滤波处理后输出；及
电压比较器，所述电压比较器与所述滤波电路连接，用于提供一预设电压，并将所述滤波电路输出的滤波电压与所述预设电压进行比较，在所述滤波电压不小于所述预设电压时，所述电压比较器产生输出信号；
其中，滤波电路及电压比较器通过各所述阈值驱动能量采集器输出的电能进行自供电。
优选地，所述振动模式识别装置还包括：设于所述滤波电路及所述电压比较器之间的储能电路，用于对所述滤波电路输出的电能进行存储。
本发明还提供了一种振动模式识别方法，所述振动模式识别方法包括：
在待测环境中设置如上所述的振动模式识别装置；
当所述待测环境中发生振动、且所述振动触发所述振动模式识别装置中至少一个阈值驱动能量采集器时，被触发的所述阈值驱动能量采集器输出高电平，未被触发的所述阈值驱动能量采集器输出低电平；
根据各所述阈值驱动能量采集器输出的高电平和低电平对所述待测环境中的振动进行振动模式识别。
优选地，所述振动模式识别装置包括一低频大幅阈值驱动能量采集器及一高频小幅阈值驱动能量采集器；其中，
当所述低频大幅阈值驱动能量采集器输出高电平，所述高频小幅阈值驱动能量采集器输出低电平时，所述待测环境的振动模式为轻摇；
当所述低频大幅阈值驱动能量采集器输出低电平，所述高频小幅阈值驱动能量采集器输出高电平时，所述待测环境的振动模式为轻敲；
当所述低频大幅阈值驱动能量采集器输出高电平，所述高频小幅阈值驱动能量采集器输出高电平时，所述待测环境的振动模式为重敲。
如上所述，本发明的一种基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法，具有以下有益效果：通过本发明所述的振动模式识别装置，不仅能够实现自供电，还能在无传感器的情况下，实时监测待测环境中的振动，以致不丢失初始振动信息；更能够进行振动模式识别，将待测环境中的振动模式数字化。
附图说明
图1显示为本发明所述振动模式识别装置的结构示意图。
图2显示为本发明所述阈值驱动能量采集器的结构示意图。
图3显示为本发明所述振动模式识别装置进行模式识别时输出电压及其等效逻辑值的示意图。
图4显示为本发明所述振动模式识别装置应用在无线报警系统时的系统框图。
元件标号说明
100 振动模式识别装置
101 固定架
102 阈值驱动能量采集器
1021 第一悬臂梁
1022 第一永磁体
1023 质量块
1024 第二悬臂梁
1025 压电薄膜
1026 第二永磁体
103 滤波电路
104 电压比较器
105 储能电路
200 控制模块
300 无线发射模块
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1和图2所示，本实施例提供一种基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置100，所述振动模式识别装置100包括：固定架101，以及固定于所述固定架101内的至少两个阈值驱动能量采集器102；其中，各所述阈值驱动能量采集器102通过设置不同的谐振频率和对外界振动幅度的感应阈值来识别待测环境中不同的振动模式。
具体的，各所述阈值驱动能量采集器并列固定于所述固定架内，其中，各所述阈值驱动能量采集器的谐振频率和感应阈值根据需要识别的振动模式的特点(频率和幅度)进行设定，所述阈值驱动能量采集器的数量则根据实际需要识别的振动模式的数量进行设定。需要说明的是，由于待测环境中不同的振动模式具有不同的频率和幅度，故通过设置具有不同谐振频率和感应阈值的阈值驱动能量采集器即可实现对待测环境中不同振动模式的识别。
作为示例，如图2所示，所述阈值驱动能量采集器102包括：固定于所述固定架101一侧的一级振子，及固定于所述固定架101另一侧的二级振子；其中，
所述一级振子包括：第一端固定于所述固定架101一侧、第二端为自由端的第一悬臂梁1021，设于所述第一悬臂梁1021第二端上表面的第一永磁体1022，及设于所述第一悬臂梁1021第二端下表面的质量块1023；
所述二级振子包括：第一端固定于所述固定架101另一侧、第二端为自由端的第二悬臂梁1024，设于所述第二悬臂梁1024第一端上表面的压电薄膜1025，及设于所述第二悬臂梁1024第二端上表面的第二永磁体1026；所述第一悬臂梁1021的第二端和所述第二悬臂梁1024的第二端之间设有预设距离L；
其中，各所述阈值驱动能量采集器102通过调节所述第一悬臂梁1021的厚度来调节所述谐振频率，及通过调节所述质量块1023的质量来调节所述感应阈值。
需要说明的是，所述振动模式识别装置中各所述阈值驱动能量采集器的变量仅为第一悬臂梁的厚度及质量块的质量，其它参数均相同。
具体的，所述压电薄膜包括：下电极，位于所述下电极上表面的压电材料，以及位于所述压电材料上表面的上电极，其中，所述上电极和所述下电极通过导线与滤波电路连接。
具体的，所述第一悬臂梁1021的厚度与所述谐振频率正相关，即所述第一悬臂梁1021的厚度越厚，所述阈值驱动能量采集器102的谐振频率越高；所述质量块1023的质量与所述感应阈值呈负相关，即所述质量块1023的质量越小，所述阈值驱动能量采集器102的感应阈值越大。
优选地，所述振动模式识别装置100包括一低频大幅阈值驱动能量采集器及一高频小幅阈值驱动能量采集器，其中，所述低频大幅阈值驱动能量采集器中第一悬臂梁的厚度小于所述高频小幅阈值驱动能量采集器中第一悬臂梁的厚度，所述低频大幅阈值驱动能量采集器中质量块的质量小于所述高频小幅阈值驱动能量采集器中质量块的质量；也就是说，所述低频大幅阈值驱动能量采集器的谐振频率小于所述高频小幅阈值驱动能量采集器，所述低频大幅阈值驱动能量采集器的感应阈值大于所述高频小幅阈值驱动能量采集器。
进一步优选地，在本实施例中，所述低频大幅阈值驱动能量采集器和所述高频小幅阈值驱动能量采集器中第一悬臂梁和第二悬臂梁之间的预设间距L相同，均为0.75mm；所述低频大幅阈值驱动能量采集器和所述高频小幅阈值驱动能量采集器中的第一悬臂梁和第二悬臂梁均为铜片，且第二悬臂梁的厚度均为100um，其长度均为11mm，其宽度均为4.5mm；所述低频大幅阈值驱动能量采集器和所述高频小幅阈值驱动能量采集器中的第一永磁体和第二永磁体均为钕铁硼磁铁；所述低频大幅阈值驱动能量采集器中第一悬臂梁的厚度为50um，质量块的质量为0.55g；所述高频小幅阈值驱动能量采集器中第一悬臂梁的厚度为100um，质量块的质量为0.60g。此时，所述低频大幅阈值驱动能量采集器的谐振频率约为3～8Hz，其感应外界振动幅度的感应阈值(即加速度)约为3.5g；所述高频小幅阈值驱动能量采集器的谐振频率约为50Hz，其感应外界振动幅度的感应阈值(即加速度)约为5.5g，用以识别待测环境中轻摇、轻敲及重敲的振动模式。
作为示例，如图1所示，所述振动模式识别装置100还包括：
滤波电路103，所述滤波电路103分别与各所述阈值驱动能量采集器102连接，用于对各所述阈值驱动能量采集器102输出的电能进行滤波处理后输出；及
电压比较器104，所述电压比较器104与所述滤波电路103连接，用于提供一预设电压，并将所述滤波电路103输出的滤波电压与所述预设电压进行比较，在所述滤波电压不小于所述预设电压时，所述电压比较器104产生输出信号，以确保输出信号的稳定性；
其中，所述滤波电路103及所述电压比较器104通过各所述阈值驱动能量采集器102输出的电能进行自供电。
具体的，所述滤波电路103包括由四个整流二极管构成的全波整流桥，其中，所述二极管使用高速、低导通压降、低反向漏电流的二极管。
作为示例，如图1所示，所述振动模式识别装置100还包括：设于所述滤波电路103及所述电压比较器104之间的储能电路105，用于对所述滤波电路103输出的电能进行存储。
具体的，所述储能电路105包括电池或电容；优选地，在本实施例中，所述储能电路105为10uF的电容。
下面请参阅图1至图3对本实施例所述基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置进行振动模式识别的方法进行详细说明。
如图1至图3所示，所述振动模式识别方法包括：
在待测环境中设置如上所述的振动模式识别装置；
当所述待测环境中发生振动、且所述振动触发所述振动模式识别装置中至少一个阈值驱动能量采集器时，被触发的所述阈值驱动能量采集器输出高电平，未被触发的所述阈值驱动能量采集器输出低电平；
根据各所述阈值驱动能量采集器输出的高电平和低电平对所述待测环境中的振动进行振动模式识别。
需要说明的是，只有当被测环境中振动的频率和幅度均达到所述阈值驱动能量采集器的谐振频率和感应阈值时，所述阈值驱动能量采集器才能被触发；此时，第一悬臂梁的惯性力大于第一悬臂梁和第二悬臂梁之间的最大磁斥力，进而激发二级振子进入高频谐振发电状态，使得所述阈值驱动能量采集器输出高电平。
优选地，在本实施例中，所述振动模式识别装置包括一低频大幅阈值驱动能量采集器及一高频小幅阈值驱动能量采集器；当采用所述低频大幅阈值驱动能量采集器和所述高频小幅阈值驱动能量采集器对所述待测环境进行检测时，其输出电压及其等效逻辑值如图3所示：
当所述低频大幅阈值驱动能量采集器输出高电平，所述高频小幅阈值驱动能量采集器输出低电平时，所述待测环境的振动模式为轻摇；
当所述低频大幅阈值驱动能量采集器输出低电平，所述高频小幅阈值驱动能量采集器输出高电平时，所述待测环境的振动模式为轻敲；
当所述低频大幅阈值驱动能量采集器输出高电平，所述高频小幅阈值驱动能量采集器输出高电平时，所述待测环境的振动模式为重敲。
需要说明的是，待测环境中不同的振动模式具有不同的频率和幅度，如轻摇的频率低、幅度大，轻敲的频率高、幅度小，重敲的频率高、幅度大；故采用所述低频大幅阈值驱动能量采集器和所述高频小幅阈值驱动能量采集器对所述待测环境进行检测时，当所述低频大幅阈值驱动能量采集器未被触发，所述高频小幅阈值驱动能量采集器也未被触发，即所述振动模式识别装置输出的逻辑信号为00时，此时所述待测环境中无振动；当所述低频大幅阈值驱动能量采集器被触发，所述高频小幅阈值驱动能量采集器未被触发，即所述振动模式识别装置输出的逻辑信号为10时，此时所述待测环境中的振动模式为轻摇；当所述低频大幅阈值驱动能量采集器未被触发，所述高频小幅阈值驱动能量采集器被触发，即所述振动模式识别装置输出的逻辑信号为01时，此时所述待测环境中的振动模式为轻敲；当所述低频大幅阈值驱动能量采集器被触发，所述高频小幅阈值驱动能量采集器也被触发，即所述振动模式识别装置输出的逻辑信号为11时，此时所述待测环境中的振动模式为重敲。
进一步需要说明的是，根据待测环境中各振动模式的频率和幅度均不相同的特点，合理设计能量采集器的个数，及各能量采集器的第一悬臂梁厚度及质量块质量，即可实现对待测环境中多种振动模式的识别。
因本实施例所述振动模式识别装置可应用于多种情况和场合，下面仅参阅图4对本实施例所述振动模式识别装置应用于无线报警系统中进行说明。如图4所示，所述无线报警系统包括：
如上所述的振动模式识别装置100，用于对环境中的振动模式进行识别，并输出与所述振动模式对应的逻辑信号；
控制模块200，与所述振动模式识别装置100连接，用于在所述振动模式识别装置100输出逻辑信号时，控制无线发射模块300开启，并将所述逻辑信号传递给所述无线发射模块；
无线发射模块，与所述控制模块连接，用于发射带有所述逻辑信号的报警/提示信号。
综上所述，本发明的一种基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置及识别方法，具有以下有益效果：通过本发明所述的振动模式识别装置，不仅能够实现自供电，还能在无传感器的情况下，实时监测待测环境中的振动，以致不丢失初始振动信息；更能够进行振动模式识别，将待测环境中的振动模式数字化。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置，其特征在于，所述振动模式识别装置包括：固定架，以及固定于所述固定架内的至少两个阈值驱动能量采集器；
所述阈值驱动能量采集器包括：固定于所述固定架一侧的一级振子，及固定于所述固定架另一侧的二级振子；
所述一级振子包括：第一端固定于所述固定架一侧、第二端为自由端的第一悬臂梁，设于所述第一悬臂梁第二端上表面的第一永磁体，及设于所述第一悬臂梁第二端下表面的质量块；
所述二级振子包括：第一端固定于所述固定架另一侧、第二端为自由端的第二悬臂梁，设于所述第二悬臂梁第一端上表面的压电薄膜，及设于所述第二悬臂梁第二端上表面的第二永磁体；所述第一悬臂梁的第二端和所述第二悬臂梁的第二端之间设有预设距离；
其中，各所述阈值驱动能量采集器通过调节所述第一悬臂梁的厚度来调节谐振频率，通过调节所述质量块的质量来调节对外界振动幅度的感应阈值，以此实现各所述阈值驱动能量采集器通过设置不同的谐振频率和感应阈值来识别待测环境中不同的振动模式。
2.根据权利要求1所述的基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置，其特征在于，所述第一悬臂梁的厚度与所述谐振频率正相关，所述质量块的质量与所述感应阈值负相关。
3.根据权利要求2所述的基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置，其特征在于，所述振动模式识别装置包括一低频大幅阈值驱动能量采集器及一高频小幅阈值驱动能量采集器，其中，所述低频大幅阈值驱动能量采集器中第一悬臂梁的厚度小于所述高频小幅阈值驱动能量采集器中第一悬臂梁的厚度，所述低频大幅阈值驱动能量采集器中质量块的质量小于所述高频小幅阈值驱动能量采集器中质量块的质量。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置，其特征在于，所述振动模式识别装置还包括：
滤波电路，所述滤波电路分别与各所述阈值驱动能量采集器连接，用于对各所述阈值驱动能量采集器输出的电能进行滤波处理后输出；及
电压比较器，所述电压比较器与所述滤波电路连接，用于提供一预设电压，并将所述滤波电路输出的滤波电压与所述预设电压进行比较，在所述滤波电压不小于所述预设电压时，所述电压比较器产生输出信号；
其中，滤波电路及电压比较器通过各所述阈值驱动能量采集器输出的电能进行自供电。
5.根据权利要求4所述的基于阈值驱动能量采集器的振动模式识别装置，其特征在于，所述振动模式识别装置还包括：设于所述滤波电路及所述电压比较器之间的储能电路，用于对所述滤波电路输出的电能进行存储。
6.一种振动模式识别方法，其特征在于，所述振动模式识别方法包括：
在待测环境中设置如权利要求1至5任一项所述的振动模式识别装置；
当所述待测环境中发生振动、且所述振动触发所述振动模式识别装置中至少一个阈值驱动能量采集器时，被触发的所述阈值驱动能量采集器输出高电平，未被触发的所述阈值驱动能量采集器输出低电平；
根据各所述阈值驱动能量采集器输出的高电平和低电平对所述待测环境中的振动进行振动模式识别。
7.根据权利要求6所述的振动模式识别方法，其特征在于，所述振动模式识别装置包括一低频大幅阈值驱动能量采集器及一高频小幅阈值驱动能量采集器；其中，
当所述低频大幅阈值驱动能量采集器输出高电平，所述高频小幅阈值驱动能量采集器输出低电平时，所述待测环境的振动模式为轻摇；
当所述低频大幅阈值驱动能量采集器输出低电平，所述高频小幅阈值驱动能量采集器输出高电平时，所述待测环境的振动模式为轻敲；
当所述低频大幅阈值驱动能量采集器输出高电平，所述高频小幅阈值驱动能量采集器输出高电平时，所述待测环境的振动模式为重敲。
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