CN108955864A - 一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统，由压电能量采集器、频率检测电路和能量收集电路组成；通过压电能量采集器直接检测正弦振动，并将该振动转化为相应输出电压；通过频率检测电路对所述输出电压进行处理，得到一个反映振动频率大小的输出电压信号；通过能量收集电路将压电能量采集器的输出电压进行能量存储收集；另外，该传感器系统相对比较简单，而且可以在一定频率范围内、自供电的条件下直接测量正弦振动频率。

Description

一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统

技术领域

本发明属于传感器领域，特别涉及到一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统。

背景技术

机械振动现象普遍存在于生产、生活的方方面面，人们期望控制机械振动以更好地服务于人类的生产、生活。但是大多数情况下，机械振动是有害的，例如振动现象会导致机械故障，甚至破坏整个生产系统，造成经济损失、人员伤亡、环境污染等严重后果。为减少机械振动的危害，保证机械设备安全可靠运行，机械振动的实时监测和机械故障的早期诊断是十分重要的。目前，常用的机械振动实时监测和分析方法包括：振动测量和分析、油样分析、探伤检验、噪声检测等，在上述方法中振动测量和分析是一种比较有效的方法。

近年来，市面上出现了多种振动传感器，大体上可分为两类：非接触式传感器系统和接触式传感器系统。其中非接触式传感器系统多由电容、电感、光学元件等组成，在某种程度上取得了一定的效果。但是基于电容和电感的传感器系统抗电磁干扰性能较差，基于光学元件的传感器系统容易受粗糙表面、不透明气体、灰尘等因素的影响，而且非接触式传感器系统结构比较复杂、成本较高。接触式传感器系统则是采用一些传感器如加速度计或探针测量物体表面的振动，与非接触式传感器系统相比，接触式传感器系统相对比较简单、成本较低、同样可以获得较好的效果。

在供电形式方面，目前大部分的振动传感器采用传统的电池方式供给能量。由于振动传感器体积微小，自身携带的电池能量有限，不能满足长期工作需要，因此供电问题已经成为无线传感网络节点的发展的重要制约因素。

近年来，环境能量采集技术作为一项新的技术理念，得到越来越多的关注，随着低功耗大规模集成电路技术和先进电源管理技术的进步，可以将微型传感器及低功耗数字信号处理器的功率控制在1mW以下，如此低的功耗使收集周围环境能量为微小型传感器及其他电子器件供电（即自供能技术）成为可能，利用环境能量采集技术为无线传感器网络提供能量补给，逐步成为目前研究的一项前沿课题。环境中可采集利用的能量有机械振动能、光能、热能等。机械振动能是环境中较为广泛的能源之一，自然生活与工作环境中的振动几乎无处不在，且不像太阳能、热能等受到自然条件制约，直接从环境中提取振动能为低功耗电子器件供能具有广阔的应用前景。

而现有的振动频率传感器系统，无论是接触式还是非接触式，都存在以下缺陷：

（1）振动传感器系统大多数直接测量振动的位移、速度和加速度，而无法直接反映振动频率的大小；

（2）为了从这些常见的传感器系统获得频率信息，必须增加额外的转换或处理单元，导致系统更加复杂、冗余，增加了使用成本；

（3）传统化学电池供电时间有限，需要定期更换电池，然而在某些应用场合不具备经常更换电池的条件。

发明内容

针对现有振动频率传感器系统存在的问题，本发明一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统，由压电能量采集器、频率检测电路和能量收集电路组成。通过压电能量采集器直接检测正弦振动，并将该振动转化为相应输出电压；通过频率检测电路对所述输出电压进行处理，得到一个反映振动频率大小的输出电压信号；通过能量收集电路将压电能量采集器的输出电压进行能量存储收集。另外，该传感器系统相对比较简单，而且可以在一定频率范围内、自供电的条件下直接测量正弦振动频率。

一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统，如图1所示，包括：压电能量采集器、频率检测电路和能量收集电路。

所述压电能量采集器采用压电悬臂梁结构，压电能量采集器被夹钳固定在振动台上。函数信号发生器产生一个正弦输出信号，经过功率放大器放大后输入到振动台产生相应的正弦振动，以此方式，振动台为压电悬臂梁提供确定频率下的正弦振动。受输入正弦振动激励的影响，基于压电效应，压电悬臂梁上下两层的压电材料因振动而产生拉伸或压缩形变，形成正弦输出电压。因而，压电能量采集器可以将正弦振动频率转换成对应的正弦输出电压。

所述频率检测电路由电压倍增器电路、脉冲整形器和低通滤波器组成，可用于处理压电能量采集器的正弦输出电压，并输出一个与振动频率大小相关的电压信号。

所述电压倍增器，如图2所示，由两个二极管组成，其中一个和压电能量采集器并联，另外一个与压电能量采集器串联。当压电能量采集器的输出电流为负时，与其并联的二极管开启，这段时间内电压的数值为；当压电能量采集器的输出电流变为正时，与其串联的二极管开启，此时电压的数值为。即一旦压电能量采集器的输出电流经过零点或符号发生变化，电压倍增器的输出电压就会从变为或者从变为，而且与压电能量采集器的输出电流是同相的。因此，电压倍增器可用于跟踪压电能量采集器输出电流的零点，以实现振动频率跟踪，同时得到电压。

所述脉冲整形器，如图3所示，与电压倍增器电路相连接，主要包括：微分电路、电压比较器、单稳态触发器，三者依次相连。所述微分电路将电压倍增器电压信号转化成周期性尖脉冲信号，微分电路中电容和电阻的具体数值由振动频率和时间常数决定。时间常数和振动周期应满足如下关系：，这样在电压倍增器信号的上升和下降沿，微分电路的输出电压就会出现较高的脉冲尖峰，从而有利于后级电压比较器处理；所述电压比较器，与微分电路相连，通过比较尖脉冲和直流参考电压，可将尖脉冲转化成矩形脉冲，该矩形脉冲的脉宽随振动频率发生变化，为了获得较好的转换效果，直流参考电压应小于50mV；所述单稳态触发器，与电压比较器相连，位于脉冲整形器的末端，可将脉宽变化的矩形脉冲转化成脉宽固定的矩形脉冲，利用该单稳态触发器可以得到脉宽和高电平固定不变的周期性矩形脉冲。综上所述，通过脉冲整形器可以将电压倍增器电路的输出电压转换为脉宽和高电平固定的矩形脉冲。

所述低通滤波器，如图4所示，位于信号调制电路的末端，由一阶滤波器和二阶Sallen-Key低通滤波器组成。低通滤波器可用于滤除脉宽和高电平固定的矩形脉冲中的交流分量以提取其直流分量，进而获得振动频率的具体数值。

从理论上分析，正弦振动频率的获取过程如下：

脉宽和高电平固定的周期性矩形脉冲具体数学表达式为：

其中，表示脉冲宽度，表示周期，为输出电压高电平。函数的傅里叶级数形式可表示为：

从上式可以看出脉宽和高电平固定的周期性矩形脉冲的直流分量与脉冲宽度、周期、输出电压高电平有关。在振动过程中，若能保证和不变，则直流分量仅仅与周期有关，这样振动频率就可由直流分量确定。

三阶Sallen-Key低通滤波器传递函数的具体形式为：

其中，为一阶RC滤波器的截止频率，为二阶Sallen-Key滤波器的截止频率，为衰减系数。取值为0.707，以获得最大的通带频率响应；和的取值可为振动频率的，以获得较好的滤波效果。

如上所述，低通滤波器可以提取直流分量，通过直流分量计算振动频率的方法如下：

所述能量收集电路由电压倍增器电路和电源管理电路组成，如图5所示。电压倍增器电路在压电能量采集过程中将压电能量收集器件的交流电压整流成为直流电压，以方便后级电路供电。电源管理电路将整流后的直流电压升压为频率检测电路所需的供电电压。

所述能量收集电路在振动源振动过程中源源不断将机械振动能转化为直流电能，收集的直流电能为频率检测电路提供能源，从而实现振动频率传感器的自供电。

一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器可以直接测量正弦振动频率，同时在一定频率范围内可以实现自供电，由振动机械能转化而来的电能供电，不需要外部电源提供电量。而且该系统相对比较简单、成本较低、在较宽的频率范围内具有比较准确的测量结果。

附图说明

图1是本发明基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统结构示意图；

图2是本发明所述电压倍增器电路原理示意图；

图3是本发明所述脉冲整形器原理示意图；

图4是本发明所述低通滤波器原理示意图；

图5是本发明所述能量收集电路原理示意图；

图6是实验装置结构示意图。

具体实施方式

所述具体实施例的实验装置如图6所示，包括：数字示波器、函数信号发生器、频率检测电路、能量收集电路、功率放大器、压电能量采集器、振动台。其中压电能量采集器通过夹钳固定在振动台上。

所述具体实施例中振动频率的最小值为200Hz，截止频率和的取值为10Hz。

所述压电能量采集器通过夹钳固定在振动台上。

所述函数信号发生器用于产生正弦信号，其中一路作为开关脉冲输入到频率检测和能量收集电路，另外一路通过功率放大器作用于振动台，为压电能量采集器提供稳定的正弦振动。

所述数字示波器用于测量和显示频率检测电路的输出电压，鉴于振动频率与输出电压成比例关系，所以根据输出电压可以直接得到振动频率。

具体实施方式如下：函数信号发生器产生标准的正弦信号，经功率放大器放大后，作用于振动台；振动台会进行规律的正弦振动；固定于振动台上的压电能量采集器受正弦振动的影响，基于压电效应，压电悬臂梁上下两层的压电材料因振动而产生拉伸或压缩形变，形成正弦输出电流。此输出电流首先通过电压倍增器电路，当电流通过零点或符号发生变化时，电压倍增器电路的输出电压会发生变化，以实现对振动频率的跟踪。电压倍增器电路的输出电压经脉冲整形器和低通滤波器，进行脉宽固定和滤波处理，得到能够反映振动频率大小的直流分量，并在数字示波器上显示。另外，压电能量采集器的输出交流电压经过电压倍增器电路整流后变为直流电压，再通过电源管理电路将整流后的直流电压变换为频率检测电路所需的电源电压，为系统提供电力。

Claims (4)

1.一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统，其特征在于：包括：压电能量采集器、频率检测电路和能量收集电路。

2.根据权利要求1所述一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统，其特征在于：所述频率检测电路由电压倍增器电路、脉冲整形器和低通滤波器组成，可用于处理压电能量采集器的正弦输出电压，并输出一个与振动频率大小相关的电压信号。

3.根据权利要求1所述一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统，其特征在于：所述能量收集电路由电压倍增器电路和电源管理电路组成；在振动源振动过程中源源不断将机械振动能转化为直流电能，收集的直流电能为频率检测电路提供能源，从而实现振动频率传感器的自供电。

4.根据权利要求3所述一种基于电压倍增器技术的自供电振动频率传感器系统，其特征在于：电压倍增器电路在压电能量采集过程中将压电能量收集器件的交流电压整流成为直流电压，以方便后级电路供电；电源管理电路将整流后的直流电压变换为频率检测电路所需的供电电压。