CN109389205B - 无源振动计数器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无源振动计数器，包括：检测结构，其包括用于感知外部振动或加速度的悬臂以及设置在其上的压电元件；与压电元件电连接，以将因压电元件形变而产生的电荷转换为电压的电荷收集电路；与电荷收集电路电连接以完成计数工作的单片机。本发明提供一种无源振动计数器，其能够通过将振动过程中压电元件产生的电荷进行收集，用于给计数的单片机供电，故无需增加额外的外部电源供电，其通过结合机械与电子电路技术，实现了利用压电元件因形变产生的电荷进行电子自动计数的目的。
Description
技术领域
本发明涉及计数器技术，尤其是涉及一种对振动或加速度进行检测并计数的无源振动计数器及其应用方法。
背景技术
在一些特定的领域，要求对振动或加速度进行检测并计数，即待测物件每振动一次便完成一次计数。目前主要是依赖人工计数，但是人工计数存在太大的主观因素影响计数的真实性，且计数结果容易遭到人为篡改，从而不能很好的对待测物件进行管理。
因此，采用机器自动计数是人们容易想到的一种手段。然而在这些特定领域，如特定的风洞测试领域(射弹计数)以及其它精密仪器行业，因其设备结构和安装环境复杂，而采用现有技术中的计数器，需要额外安装计数器的供电线缆，否则无法实现供电又制约了机器自动计数的实现。
为此，有必要提供一种不需要外部供电的振动计数器。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种无源振动计数器，其能够通过将振动过程中压电元件产生的电荷进行收集，用于给计数的单片机供电，故无需增加额外的外部电源供电，其通过结合机械与电子电路技术，实现了利用压电元件因形变产生的电荷进行电子自动计数的目的。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种无源振动计数器包括：
检测结构，其包括用于感知外部振动或加速度的悬臂以及设置在其上的压电元件；
与压电元件电连接，以将因压电元件形变而产生的电荷转换为电压的电荷收集电路；
与电荷收集电路电连接以完成计数工作的单片机。
优选的是，其中，所述检测机构通过与其相配合的壳体进而封装；
其中，所述悬臂一端通过相配合的固定机构固定在壳体底部一侧，另一端端部上设置有敏感加速度的质量块。
优选的是，其中，所述质量块被配置为矩形结构、T字形结构、倒L形结构中的任意一种；
且所述质量块在与悬臂相配合的一侧设置有延伸的安装部。
优选的是，其中，所述质量块与壳体底部或顶部的内侧壁之间被配置为具有一预定间隙，以对悬臂的振动幅度及振动衰减时间进行控制。
优选的是，其中，所述壳体底部或顶部内侧壁在与质量块震荡区间相配合的位置上，设置有限位螺钉和/或凸起部，以对悬臂的振动幅度及振动衰减时间进行控制。
优选的是，其中，所述悬壁的上侧与下侧均设置有压电元件，且上、下压电元件被配置为反相设置。
优选的是，其中，所述电荷收集电路包括：
用于将收集的电量提供给单片机的电容；
串联在压电元件与电容之间，以使电容收集相应电荷的二极管或桥式整流器；
与压电元件并联以使其上的负电荷迅速衰减的电阻。
优选的是，其中，所述悬臂被配置为采用变形内耗小，且机械品质因素高的LY12型铝条或铝板，35GrMnSiA型航空用合金结构钢板或钢条，QBe2型铍青铜板或铍青铜条中的任意一种。
一种应用无源振动计数器进行计数的方法，计数器安装于待测物件上，当物件发生振动时，检测结构的悬臂将振动或者加速度转换为压电元件的形变，压电元件因为形变而产生相应电荷；
电荷收集电路用于收集压电元件因形变而产生的电荷，并将电荷转换为电压为单片机供电；
当电荷收集电路输出的电压超过单片机的启动阈值电压及完成一次计数工作所需电量时，单片机上电，并读取存储器中的计数值，将计数值加1后再存储到存储器中或根据相应的条件判断是否加1存储。
优选的是，其中，所述悬臂的谐振频率被配置为大于或等于500HZ，所述悬臂在壳体内限位螺钉和/或凸起部以及预定间隙的作用下，当物件发生振动时悬臂在预定时间内可产生多次振荡，压电元件在悬臂的作用下同时产生多次形变，进而多次产生相应的电荷；
所述电荷收集电路通过其上的二极管或桥式整流器与电容的配合，对预定时间内的多个电荷进行累积，以使其产生对应的累积电压。
本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明能够通过将振动过程中压电元件产生的电荷进行收集，用于给计数的单片机供电，故无需增加额外的外部电源供电，其通过结合机械与电子电路技术，实现了利用压电元件因形变产生的电荷进行电子自动计数的目的。
其二，本发明能够通过对悬臂材质的设定，使得其弹性力可控，品质因素高，谐振频率高，故其在接收到一次振动后，可在限定的振动区间内，实现多次连续振动，进一步通过与其相配合的电荷收集电路对收集的电荷进行累积，进而得到较大的电量，以供给单片机使用，实现计数的作用。
其三，本发明通过对电荷收集电路的结构限定，以使其能与不同时间段和不同环境下的振动相配合，通过对电容和压电元件增加对应的负载，以使其能量在预定的时间内进行消耗，进而实现精密的计数效果。
其四，本发明还进一步的公开了一种应用计数器的方法，使得其可与具体的计数环境相配合，实现无供电就可以实现对振动和加速度的计数效果。
本发明将振动或加速度转换成形变，使压电元件产生电荷，电荷收集电路将压电元件因一次振动形变产生的电荷为单片机供电，完成一次计数，实现了无源计数的目的，满足了特定领域的需求，且本发明结构简单，成本低，具有良好的市场的前景。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明无源振动计数器结构原理框图；
图2为本发明加速度检测结构的第一实施例；
图3为本发明加速度检测结构的第二实施例；
图4为本发明中压电元件输出的其中一种电荷波形；
图5为本发明中压电元件输出的原始振动波形；
图6为本发明中压电元件多次振动累积输出的电容电压波形；
图7为本发明电荷收集电路的一个实施例；
图8为本发明电荷收集电路的一个实施例；
图9为本发明电荷收集电路的另一个实施例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1-3示出了根据本发明的一种无源振动计数器的实现形式，其中包括：
检测结构1，其包括用于感知外部振动或加速度的悬臂2以及设置在其上的压电元件3，其用于安装在待测位置，通过其它元件或设备传递过来的振动，促使悬臂做相应的形变，进而带动其上的压电元件即压电片，做相应的形变，如悬臂弯曲，在某一个时刻其上侧是拉伸的，下侧必然是压缩的，故压电元件同样的做形变，产生多次相应的电荷；
与压电元件电连接，以将因压电元件形变而产生的电荷转换为电压的电荷收集电路4，其用于将检测机构产生的电荷进行收集，以使其能为计数器中的单片机供电；
与电荷收集电路电连接以完成计数工作的单片机5，单片机可选用最基本的51系列即可。预先在单片机中写入一段程序，程序的功能就是从存储器中读数，将数值加1，再将数值写回存储器，数值初始值为0，存储器中的数据在单片机掉电后不擦除，如想查看存储器中的计数结果，可使用外部的读卡电路进行读取，而采用单片机通过读取、累加、写入的手段以实现计数的效果，其以是现有计数器中较为成熟的技术。采用这种方案通过将振动过程中压电元件产生的电荷进行收集，用于给计数的单片机供电，故无需增加额外的外部电源供电，其通过结合机械与电子电路技术，实现了利用压电元件因形变产生的电荷进行电子自动计数的目的，具有可实施效果好，应用范广，适应性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图2-3所示，在另一种实例中，所述检测机构通过与其相配合的壳体6进而封装，其用于对检测机构进行限定和防护；
其中，所述悬臂一端通过相配合固定机构7固定在壳体底部一侧，如压紧镙钉或定位销等用于保持悬臂的稳定性，同时使得其一端可悬空，构成可接收振动的弹性元件，另一端端部上设置有敏感加速度的质量块8,其用于通过质量块接收外界的振动，并传递给相应的悬臂，以对悬臂的振动区间和振动幅度进行限定，具体来说，本发明的质量块、间隙以及凸起部等的限幅作用是限振幅(防过载)和加快衰减，与频率无关，可以加快(冲击间隔时间短)，也可以不加快(电量大)，而质量块和应变梁构成二阶振荡系统，当受到一次冲击时质量块产生二阶振荡，压电元件产生电荷也是二阶振荡，参见图4。采用这种方案具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图3所示，在另一种实例中，所述质量块被配置为矩形结构、T字形结构、倒L形结构中的任意一种；
且所述质量块在与悬臂相配合的一侧设置有延伸的安装部9。采用这种通过对质量块结构限定，以使其适应不同方向上的振动检测，且安装效果更加稳定，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图2-3所示，在另一种实例中，所述质量块与壳体底部或顶部的内侧壁之间被配置为具有一预定间隙h，其高度可设置为0.1mm-0.5mm，以对悬臂的振动幅度及振动衰减时间进行控制，防止其过载影响使用寿命。其具体的实施例1，如图2所示，当质量块为矩形结构时，其可用于检测竖直方向y上的加速度或振动。而当加速度为水平方向时，由于质量块设置在应变梁的端部，应变梁在水平方向上伸缩，由于两个压电元件反相设置，因此两者感应出的电荷相互抵消。
当外界冲击加速度较小时(预加载力F大于惯性力ma)，应变梁不变形。这样可保证较小振动(这种干扰经常出现)不会使应变梁变形，从而压电元件不产生电荷，不会产生误动作。应变梁不变形也会使其自身及压电元件使用寿命提高(减小疲劳次数)。
当外界冲击加速度过大时，应变梁及压电元件有损坏的可能(超过强度极限或疲劳寿命降低)，过大的加速度也会使压电元件产生的电荷过大，从而电压过大有可能导致单片机损坏。质量块下端与外壳间的间隙h限制了过大变形，从而对应变梁、压电元件及单片机起到了保护作用。
具体实施例2，如图3所示，而当质量块为倒L形结构时，用于检测竖直方向y上的加速度或振动。当质量块受到竖直方向加速度时，应变梁产生应变(如当受到向上加速度时，上侧拉伸，下侧压缩)从而使压电元件变形产生电荷。当加速度方向为水平方向时，由于质量块位于应变梁上方，其中心(惯性力作用点)在应变梁中心正上方，应变梁左端与右端弯矩方向相反，所以同一片压电元件的正负电荷相互抵消，无电荷输出。采用这种方案具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图2-3所示，在另一种实例中，所述壳体底部或顶部内侧壁在与质量块震荡区间相配合的位置上，设置有限位螺钉10和/或凸起部，以对悬臂的振动幅度及振动衰减时间进行控制,以使其在接收到振动时，能迅速配合产生相应的形变，进而产生对应的电荷，在有时候冲击间隔时间短，当前一个冲击的振荡波还没有衰减完，下一次冲击有到了，无法进行分辨，这就需要通过限位螺钉或凸起部的作用快速将震荡波衰减完，如图3和图4中，质量块向下有空间振动，向上没有空间，所以可以迅速衰减。但这种情况有两个问题：一是电量小，加速度方向只能向上，惯性力向下，当加速度向下，则惯性力向上，质量块没有空间产生位移，二是质量块由限位螺钉推动向下产生同样加速度，悬臂不产生变形，压电元件也不产生电量)。在其他实施例中，也可以使质量块的上端抵靠在外壳内壁的凸起物上，替代限位螺钉。本领域技术人员不难料想，使所述质量块下端抵靠限位螺钉或外壳内壁的凸起物对悬臂的振动幅度及振动衰减时间进行控制，能达到同样的技术目的。采用这种方案具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图2-3所示，在另一种实例中，所述悬壁的上侧与下侧均设置有压电元件3，且上、下压电元件被配置为反相设置,下面对反相设置进行说明：当产生竖直方向上的振动时，质量块会随之上下振动，应变梁弯曲，在某一个时刻应变梁的上侧是拉伸的，下侧必然是压缩的，此时若上侧压电元件的上表面出现正电荷，下表面(靠近应变梁的表面)出现负电荷，如果两个压电元件是同相设置的，则下侧元件的上表面(靠近应变梁的表面)应该出现负电荷，下表面出现正电荷，两片压电元件直接串联后电荷将抵消，所以只有当两个压电元件反相设置时，两片压电元件的电荷才不会被抵消,如果两压电元件同向设置，也可以通过接线方式将其中一个压电元件反相后再串联，故可以根据需要对其个数进行布置。采用这种方案以使其可根据需要通过设置多个压电元件以根据形变，对其产生的电荷量进行控制，以使其电量供给单片机时，能满足使用需要，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图6所示，在另一种实例中，所述电荷收集电路包括：
用于将收集的电量提供给单片机的电容C1 11，电容C1上的电量提供给单片机MCU使用，当电容C1上的电压超过MCU启动阈值电压及完成一次计数工作所需电量，MCU上电工作，MCU读取原来计数值，加1再存贮至EEPROM或flash相应单元中；
串联在压电元件Y 3与电容之间，以使电容收集相应电荷的二极管D1 12或桥式整流器13，采用桥式整流器使得其电压可在接收一次振动后，悬臂多次振动，对其电荷进行累积收集，以使其符合需要，即质量块和应变梁在受到一次冲击时质量块产生相应振荡，压电元件振荡产生电荷图波形参见图5-6；
当然，如图9所示，电荷收集电路也可以根据需要设置与压电元件并联以使其上的负电荷迅速衰减的电阻R1 14，其由于二极管D1或桥式整流器的存在，电容C1收集电荷，这时压电元件上的电压均值为负，在MCU作为负载完成了一次计数后下一次冲击来临时电容C1上便不能收集到足够正电荷，不能有效记录振动，因此在压电元件两端并联一个电阻R1，则可以让压电元件上的负电荷迅速衰减，以便下次冲击来临时电容C1能收集到足够的正电荷；
而对于无源计数器，最主要的问题是发电量比较，当有预紧力、并联电阻(不管是与压电元件还是电容并联)电量减小。其次的问题是多计数(干扰振动，这是不需要计数的振动，比如枪械射弹计数中，子弹击发的冲击才计数，而训练过程晃动的振动产生较多的电会造成多计数)。避免多计数的方法有两种：阈值和特征判断，阈值即根据加速度来判断，当加速度小于一定值，发的电不足以使单片机工作，单次冲击电量控制(减小电量)有三种(质量块小、预紧力、压电元件并联电阻)，多次冲击电量会累加(单片机没工作，不耗电)，这时可以在电容旁并联电阻以消耗电量(电容、电阻大小与冲击间隔时间有关)；
同时作为电路收集电路的负载单片机，能将电容C1上剩余的正电荷有效衰减从而避免误计数。本发明的电荷收集电路包括电阻R1、电容C1及二极管D1，其具体连接包括：所述电阻R1与压电元件(若压电元件为两个，则两个压电元件反相串联后作为一个整体)并联；压电元件的一端与二极管D1的阳极连接；二极管D1的阴极与电容C1的一端、连接；压电元件的另一端与电容C1的另一端连接；所述电容C1的两端为电荷收集电路的输出端。采用这种方案的电荷收集电路可以如图7所示，采用半波用以收集较小的电量，如图，也可以是如图8所示，采用全桥用以收集较大的电量，而不采用电阻；具有可实施效果好，计数精度可控，电量收集率可控，适应性强，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
在另一种实例中，所述悬臂被配置为采用变形内耗小且机械品质因素高的LY12型铝条或铝板，35GrMnSiA型航空用合金结构钢板或钢条，QBe 2型铍青铜板或铍青铜条中的任意一种，以使其材料变形时内耗小。采用这种方案通过对悬臂材质的设定，使得其弹性力可控，品质因素高，谐振频率高，故其在接收到一次振动后，可在限定的振动区间内，实现多次连续振动，进一步通过与其相配合的电荷收集电路对收集的电荷进行累积，进而得到较大的电流，以供给单片机使用，实现计数的作用，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
一种应用无源振动计数器进行计数的方法，计数器安装于待测物件上，当物件发生振动时，检测结构的悬臂将振动或者加速度转换为压电元件的形变，压电元件因为形变而产生相应电荷；
电荷收集电路用于收集压电元件因形变而产生的电荷，并将电荷转换为电压为单片机供电；
当电荷收集电路输出的电压超过单片机的启动阈值电压及完成一次计数工作所需电量时，单片机上电，并读取存储器中的计数值，将计数值加1后再存储到存储器中或根据相应的条件判断是否加1存储。所述的相应条件可设置为阈值和特征判断，阈值即根据加速度大小范围值来判断，采用这种方案通过将计数器与具体的计数环境相配合，实现无供电就可以实现对振动和加速度的计数效果，具有可实施效果好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
在另一种实例中，所述悬臂的谐振频率被配置为大于或等于500HZ，所述悬臂在壳体内限位螺钉和/或凸起部以及预定间隙的作用下，当物件发生振动时悬臂在预定时间内可产生多次振荡，压电元件在悬臂的作用下同时产生多次形变，进而多次产生相应的电荷；
所述电荷收集电路通过其上的二极管或桥式整流器与电容的配合，对预定时间内的多个电荷进行累积，以使其产生对应的累积电压。采用这种方案通过悬臂结构与外围设备的配合，以使得其能有效地将多次振动产生的电量进行有效收集，以使其符合计数器大电量供应的需要，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的无源振动计数器及应用方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种无源振动计数器，其特征在于，包括：
检测结构，其包括用于感知外部振动或加速度的悬臂以及设置在其上的压电元件；
与压电元件电连接，以将因压电元件形变而产生的电荷转换为电压的电荷收集电路；
与电荷收集电路电连接以完成计数工作的单片机；
所述检测结构通过与其相配合的壳体进而封装；
其中，所述悬臂一端通过相配合的固定机构固定在壳体底部一侧，另一端端部上设置有敏感加速度的质量块；
所述壳体底部或顶部内侧壁在与质量块震荡区间相配合的位置上，设置有对振动衰减时间进行控制的限位螺钉和／或凸起部；
所述电荷收集电路包括：
用于将收集的电量提供给单片机的电容；
串联在压电元件与电容之间，以使电容收集相应电荷的二极管或桥式整流器；
与压电元件并联以使其上的负电荷迅速衰减的电阻；
计数器安装于待测物件上，当物件发生振动时，检测结构的悬臂将振动或者加速度转换为压电元件的形变，压电元件因为形变而产生相应电荷；
电荷收集电路用于收集压电元件因形变而产生的电荷，并将电荷转换为电压为单片机供电；
当电荷收集电路输出的电压超过单片机的启动阈值电压及完成一次计数工作所需电量时，单片机上电，并读取存储器中的计数值，将计数值加1后再存储到存储器中或根据相应的条件判断是否加1存储；
所述悬臂的谐振频率被配置为大于或等于500HZ，所述悬臂在壳体内限位螺钉和／或凸起部以及预定间隙的作用下，当物件发生振动时悬臂在预定时间内可产生多次振荡，压电元件在悬臂的作用下同时产生多次形变，进而多次产生相应的电荷；
所述电荷收集电路通过其上的二极管或桥式整流器与电容的配合，对预定时间内的多个电荷进行累积，以使其产生对应的累积电压。
2.如权利要求1所述的无源振动计数器，其特征在于，所述质量块被配置为矩形结构、T字形结构、倒L形结构中的任意一种；
且所述质量块在与悬臂相配合的一侧设置有延伸的安装部。
3.如权利要求1所述的无源振动计数器，其特征在于，所述质量块与壳体底部或顶部的内侧壁之间被配置为具有一预定间隙，以对悬臂的振动幅度进行控制。
4.如权利要求1所述的无源振动计数器，其特征在于，所述悬臂的上侧与下侧均设置有压电元件，且上、下压电元件被配置为反相设置。
5.如权利要求1所述的无源振动计数器，其特征在于，所述悬臂被配置为采用变形内耗小，且机械品质因素高的LY12型铝条或铝板，35GrMnSiA型航空用合金结构钢板或钢条，QBe2型铍青铜板或铍青铜条中的任意一种。
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