CN112857559B - 一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，包括采集元件和监测电路，采集元件仅采用一个常规悬臂梁式的压电器件实现，监测电路包括振动测量模块、能量收集模块、微控制器模块和无线发射模块，压电器件用于感受环境振动后生成交流电压输出至振动测量模块和能量收集模块中，振动测量模块输出峰值分压信号分别给能量收集模块和微控制器模块，并输出同频率的方波信号给微控制器模块，能量收集模块输出第一直流电压和第二直流电压给微控制器模块，并同时提供工作电源电压，微控制器模块基于输入其内信号确定压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给无线发射模块进行无线发射；优点是体积较小，且成本较低。

Description

一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点

技术领域

本发明涉及一种自供电无线振动监测节点，尤其是涉及一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点。

背景技术

传统的振动监测系统通常基于正压电效应的压电加速度传感器来实现，在监测设备结构振动状态时，压电加速度传感器将振动加速度信号转换成电信号，然后由二次仪表进行采样处理获取振动信号。随着无线传感网络技术的发展，振动监测系统也逐步趋向无线化方向发展，无线振动监测系统应运而生。无线振动监测系统可以实现对被测设备结构振动状态的远程无线实时监测，获得了广泛的应用。

一个无线振动监测系统通常由数目众多的监测节点通过无线组网构成。单个无线振动监测节点主要包括采集元件和监测电路，其中采集元件为压电加速度传感器，监测电路由微控制器和无线发射模块等有源器件构成。压电加速度传感器是一种无源器件，其工作过程不需要依靠外部供电，但是构成监测电路的微控制器和无线发射模块等有源器件，其工作过程需要依靠外部供电。在野外环境下，无线振动监测节点的电能供应主要依赖干电池。由于干电池容量有限，因而需要定期更换。然而，由于监测节点数目众多且部分可能预埋在被测设备结构内部，因此干电池更换成本高昂甚至无法更换。

近年来，通过振动能量收集来为无线振动监测节点提供电能得到了广泛研究。申请号为CN202010802294.5的中国专利中公开了一种基于振动能采集器的自供电传感器(即无线振动监测节点)，该自供电传感器用于监测振动速度，其振动能采集基于压电换能器实现，振动速度检测采用速度传感器实现，振动能采集器为速度传感器及其信号调理电路提供电能，实现自供电。该方案中，振动能采集器和速度传感器为两个独立的模块，导致方案整体体积较大，且成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积较小，且成本较低的基于单压电器件的自供电无线振动监测节点。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，包括采集元件和监测电路，所述的采集元件仅采用一个常规悬臂梁式的压电器件实现，所述的监测电路包括振动测量模块、能量收集模块、微控制器模块和无线发射模块，所述的压电器件用于感受环境振动后生成交流电压输出至所述的振动测量模块和所述的能量收集模块中，所述的振动测量模块对输入其内的交流电压进行峰值跟踪并输出与峰值成正比的峰值分压信号分别给所述的能量收集模块和所述的微控制器模块，同时对输入其内的交流电压进行整形触发并输出同频率的方波信号给所述的微控制器模块；所述的能量收集模块对输入其内的交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给所述的微控制器模块，并同时进行电能储存以及为所述的振动测量模块、所述的微控制器模块和所述的无线发射模块提供工作电源电压；所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、同频方波信号、第一直流电压和第二直流电压确定所述的压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给所述的无线发射模块进行无线发射。

所述的压电器件具有正极性输出端和负极性输出端，所述的能量收集模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端、第二输出端和电源输出端，所述的振动测量模块具有第一输入端、第二输入端、电源输入端、第一输出端和第二输出端，所述的微控制器模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、电源输入端、第一控制端、第二控制端和输出端，所述的无线发射模块具有电源输入端、信号输入端和输出端，所述的压电器件的正极性输出端、所述的能量收集模块的第一输入端和所述的振动测量模块的第一输入端连接，所述的压电器件的负极性输出端和所述的能量收集模块的第二输入端连接，所述的能量收集模块的第一输出端和所述的微控制器模块的第三输入端连接，所述的能量收集模块的第二输出端和所述的微控制器模块的第四输入端连接，所述的能量收集模块的电源输出端、所述的振动测量模块的电源输入端、所述的微控制器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，所述的振动测量模块的第一输出端、所述的能量收集模块的第三输入端和所述的微控制器模块的第二输入端连接，所述的振动测量模块的第二输出端和所述的微控制器模块的第一输入端连接，所述的微控制器模块的第一控制端和所述的振动测量模块的第二输入端连接，所述的微控制器模块的第二控制端和所述的能量收集模块的第四输入连接，所述的微控制器模块的输出端和所述的无线发射模块的信号输入端连接，所述的压电器件感受环境振动后产生交流电压，其正极性输出端和负极性输出端之间输出差分交流电压给所述的能量收集模块，其正极性输出端输出单端交流电压给所述的振动测量模块，所述的振动测量模块对输入其内的单端交流电压进行峰值跟踪生成峰值分压信号以及整形触发生成同频方波信号，将峰值分压信号记为V_peak，同频方波信号记为V_freq，所述的振动测量模块的第一输出端输出峰值分压信号V_peak给所述的能量收集模块和所述的微控制器模块，所述的振动测量模块的第二输出端输出同频方波信号V_freq给所述的微控制器模块，所述的能量收集模块对输入其内的差分交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给所述的微控制器模块，将第一直流电压记为V_dc1，第二直流电压记为V_dc2；所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、第一直流电压和同频方波信号，确定压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给所述的无线发射模块进行无线发射。

所述的能量收集模块包括第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一PNP三极管、第二PNP三极管、第一电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一PMOS管、第一电阻、第二电阻、直流变换器、锂电池和线性稳压器；所述的第一电容为无极性电容，所述的第二电容和所述的第三电容均为电解电容，所述的直流变换器具有输入端、输出端、控制端和接地端，所述的线性稳压器具有输入端、输出端和接地端，所述的第一NPN三极管的基极、所述的第二NPN三极管的集电极、所述的第一PNP三极管的基极和所述的第二PNP三极管的集电极连接且其连接端为所述的能量收集模块的第一输入端，所述的第一NPN三极管的集电极和所述的第二PNP三极管的基极连接，所述的第一PNP三极管的集电极和所述的第二NPN三极管的基极连接，所述的第一NPN三极管的发射极、所述的第一PNP三极管的发射极和所述的第一电容的一端连接，所述的第二NPN三极管的发射极、所述的第二PNP三极管的发射极和所述的第一电感的一端连接，所述的第一电感的另一端、所述的第一二极管的正极和所述的第四二极管的负极连接，所述的第一电容的另一端、所述的第二二极管的正极和所述的第三二极管的负极连接且其连接端为所述的能量收集模块的第二输入端，所述的第一二极管的负极、所述的第二二极管的负极、所述的第二电容的正极和所述的第一PMOS管的源极连接其连接端为所述的能量收集模块的第一输出端，所述的第一PMOS管的栅极为所述的能量收集模块的第三输入端，所述的第一PMOS管的漏极、所述的第三电容的正极、所述的第一电阻的一端和所述的直流变换器的输入端连接且其连接端为所述的能量收集模块的第二输出端，所述的第一电阻的另一端、所述的第二电阻的一端和所述的直流变换器的控制端连接且其连接端为所述的能量收集模块的第四输入端，所述的直流变换器的输出端、所述的锂电池的正极和所述的线性稳压器的输入端连接，所述的线性稳压器的输出端为所述的能量收集模块的电源输出端，所述的第三二极管的正极、所述的第四二极管的正极、所述的第二电容的负极、所述的第三电容的负极、所述的第二电阻的另一端、所述的直流变换器的接地端、所述的锂电池的负极和所述的线性稳压器的接地端连接且其连接端为所述的能量收集模块的参考地。该能量收集模块形成一个同步开关电感整流电路，在实现自供电工作的同时，通过对其内第一PMOS管的开关控制，可以实时调整其内第二电容上的第一直流电压，使第一直流电压维持在最大功率点附近，实现压电振动能量的最大功率跟踪提取，增大了能量的供应，同时通过将第三电容作为临时电能储存，可以有效降低内部直流变换器的启动频率，减少了能量的损失，由此在不增加电路复杂度的前提下，进一步提高了能量收集效率。

所述的振动测量模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第五二极管、第六二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、比较器、第四电容、NMOS管，所述的第一运算放大器和所述的第二运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的比较器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第三电阻的一端为所述的振动测量模块的第一输入端，所述的第三电阻的另一端、所述的第四电阻的一端、所述的第一运算放大器的同相输入端和所述的比较器的同相输入端连接，所述的第一运算放大器的反相输入端、所述的第五二极管的正极和所述的第七电阻的一端连接，所述的第一运算放大器的输出端、所述的第五二极管的负极和所述的第六二极管的正极连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第二运算放大器的反相输入端和所述的第二运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的振动测量模块的第一输出端，所述的NMOS管的栅极为所述的振动测量模块的第二输入端，所述的第六二极管的负极、所述的第二运算放大器的同相输入端、所述的第四电容的一端和所述的NMOS管的漏极连接，所述的第五电阻的一端、所述的第六电阻的一端和所述的比较器的反相输入端连接，所述的比较器的输出端为所述的振动测量模块的第二输出端，所述的第一运算放大器的电源端、所述的第二运算放大器的电源端、所述的比较器的电源端和所述的第五电阻的另一端连接且其连接端为所述的振动测量模块的电源输入端，所述的第四电阻的另一端、所述的第六电阻的另一端、所述的第四电容的另一端、所述的NMOS管的源极、所述的第一运算放大器的接地端、所述的第二运算放大器的接地端和所述的比较器的接地端连接且其连接端为所述的振动测量模块的参考地。该振动测量模块实现了对压电峰值电压的高精度实时跟踪，并可输出峰值分压信号给能量收集模块用于最大功率点跟踪，同时通过对压电电压的整形触发生成同频率的方波型号用于计算振动加速度的频率大小，该振动测量模块在保持简单电路结构的同时实现了多种必要的功能操作。

所述的微控制器模块中预存有所述的压电器件的幅频特性曲线以及计时周期T，所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号V_peak、同频方波信号V_freq和第一直流电压V_dc1确定所述的压电器件感受到振动加速度的幅值和频率的具体方法为：微控制器模块上电后即启动计时，同时开始对输入其内的同频方波信号V_freq进行上升沿计数，并对输入其内的峰值分压信号V_peak和第一直流电压V_dc1进行连续AD采样，当一个计时周期结束时停止计数与采样，并对得到的计数值和采样值进行处理，得到振动加速度的幅值和频率，然后再进入下一个计时周期重新开始计数与采样，周而复始；其中，得到振动加速度的幅值和频率的具体过程为：将一个计时周期内的同频方波信号的上升沿计数值记为N，振动加速度的频率记为f，则f＝N/T；将AD采样频率记为F_s，则一个计时周期内可以得到M组采样数据，M＝F_s*T，每组采样数据中分别包括一个峰值分压信号采样值和一个第一直流电压采样值，计算M个峰值分压信号采样值的平均值并记为V_{peak_avg}，计算M个第一直流电压采样值的平均值并记为V_{dc1_avg}，基于V_{peak_avg}和V_{dc1_avg}计算压电器件的等效开路电压并记为V_poc，则V_poc＝k*(1-exp(-π/2Q))/2*V_{peak_avg}+(1+exp(-π/2Q))/2*V_{dc1_avg}，式中π为圆周率，exp表示以自然常数e为底的指数函数，k为所述的振动测量模块中第三电阻和第四电阻构成的一对分压电阻的分压系数，Q为所述的压电器件以及所述的能量收集模块中第一电感和第二电容构成的LC谐振电路的品质因子，k和Q由所用的元器件的参数值唯一确定，最后，基于f和V_poc在预存的幅频特性曲线上进行搜索查找，得到振动加速度的幅值大小。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过振动测量模块、能量收集模块、微控制器模块和无线发射模块构建监测电路，压电器件用于感受环境振动后生成交流电压输出至振动测量模块和能量收集模块中，振动测量模块对输入其内的交流电压进行峰值跟踪并输出与峰值成正比的峰值分压信号分别给能量收集模块和微控制器模块，同时对输入其内的交流电压进行整形触发并输出同频率的方波信号给微控制器模块；能量收集模块对输入其内的交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给微控制器模块，并同时进行电能储存以及为振动测量模块、微控制器模块和无线发射模块提供工作电源电压，微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、同频方波信号和第一直流电压确定压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给无线发射模块进行无线发射，本发明中，仅需要设置一个常规的常规悬臂梁式的压电器件，监测电路基于压电器件的输出信号即可同时实现内部有源器件的自供电和振动加速度的幅值和频率的获取，不需要额外再设置加速度传感器来采集振动加速度，整体体积较小，且成本较低。

附图说明

图1为本发明的基于单压电器件的自供电无线振动监测节点的结构框图；

图2为本发明的基于单压电器件的自供电无线振动监测节点的能量收集模块的电路图；

图3为本发明的基于单压电器件的自供电无线振动监测节点的振动测量模块的电路图；

图4为本发明的基于单压电器件的自供电无线振动监测节点计算振动加速度的具体流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例：如图1所示，一种基于单压电器件1的自供电无线振动监测节点，包括采集元件和监测电路，采集元件仅采用一个常规悬臂梁式的压电器件1实现，监测电路包括能量收集模块2、振动测量模块3、微控制器模块4和无线发射模块5，压电器件1用于感受环境振动后生成交流电压输出至振动测量模块3和能量收集模块2中，振动测量模块3对输入其内的交流电压进行峰值跟踪并输出与峰值成正比的峰值分压信号分别给能量收集模块2和微控制器模块4，同时对输入其内的交流电压进行整形触发并输出同频率的方波信号给微控制器模块4；能量收集模块2对输入其内的交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给微控制器模块4，并同时进行电能储存以及为振动测量模块3、微控制器模块4和无线发射模块5提供工作电源电压；微控制器模块4基于输入其内的峰值分压信号、同频方波信号和第一直流电压确定压电器件1感受到振动加速度的幅值和频率，并通过数据总线传递给无线发射模块5进行无线发射。

本实施例中，压电器件1具有正极性输出端和负极性输出端，能量收集模块2具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端、第二输出端和电源输出端，振动测量模块3具有第一输入端、第二输入端、电源输入端、第一输出端和第二输出端，微控制器模块4具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、电源输入端、第一控制端、第二控制端和输出端，无线发射模块5具有电源输入端、信号输入端和输出端，压电器件1的正极性输出端、能量收集模块2的第一输入端和振动测量模块3的第一输入端连接，压电器件1的负极性输出端和能量收集模块2的第二输入端连接，能量收集模块2的第一输出端和微控制器模块4的第三输入端连接，能量收集模块2的第二输出端和微控制器模块4的第四输入端连接，能量收集模块2的电源输出端、振动测量模块3的电源输入端、微控制器模块4的电源输入端和无线发射模块5的电源输入端连接，振动测量模块3的第一输出端、能量收集模块2的第三输入端和微控制器模块4的第二输入端连接，振动测量模块3的第二输出端和微控制器模块4的第一输入端连接，微控制器模块4的第一控制端和振动测量模块3的第二输入端连接，微控制器模块4的第二控制端和能量收集模块2的第四输入连接，微控制器模块4的输出端和无线发射模块5的信号输入端连接，压电器件1感受环境振动后产生交流电压，其正极性输出端和负极性输出端之间输出差分交流电压给能量收集模块2，其正极性输出端输出单端交流电压给振动测量模块3，振动测量模块3对输入其内的单端交流电压进行峰值跟踪生成峰值分压信号以及整形触发生成同频方波信号，将峰值分压信号记为V_peak，同频方波信号记为V_freq，振动测量模块3的第一输出端输出峰值分压信号V_peak给能量收集模块2和微控制器模块4，振动测量模块3的第二输出端输出同频方波信号V_freq给微控制器模块4，能量收集模块2对输入其内的差分交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给微控制器模块4，将第一直流电压记为V_dc1，第二直流电压记为V_dc2；微控制器模块4基于输入其内的峰值分压信号、第一直流电压和同频方波信号，确定压电器件1感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给无线发射模块5进行无线发射。

如图2所示，本实施例中，能量收集模块2包括第一NPN三极管NQ1、第二NPN三极管NQ2、第一PNP三极管PQ1、第二PNP三极管PQ2、第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一PMOS管PM1、第一电阻R1、第二电阻R2、直流变换器U1、锂电池BAT1和线性稳压器U2；第一电容C1为无极性电容，第二电容C2和第三电容C3均为电解电容，直流变换器U1具有输入端、输出端、控制端和接地端，线性稳压器U2具有输入端、输出端和接地端，第一NPN三极管NQ1的基极、第二NPN三极管NQ2的集电极、第一PNP三极管PQ1的基极和第二PNP三极管PQ2的集电极连接且其连接端为能量收集模块2的第一输入端，第一NPN三极管NQ1的集电极和第二PNP三极管PQ2的基极连接，第一PNP三极管PQ1的集电极和第二NPN三极管NQ2的基极连接，第一NPN三极管NQ1的发射极、第一PNP三极管PQ1的发射极和第一电容C1的一端连接，第二NPN三极管NQ2的发射极、第二PNP三极管PQ2的发射极和第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端、第一二极管D1的正极和第四二极管D4的负极连接，第一电容C1的另一端、第二二极管D2的正极和第三二极管D3的负极连接且其连接端为能量收集模块2的第二输入端，第一二极管D1的负极、第二二极管D2的负极、第二电容C2的正极和第一PMOS管PM1的源极连接其连接端为能量收集模块2的第一输出端，第一PMOS管PM1的栅极为能量收集模块2的第三输入端，第一PMOS管PM1的漏极、第三电容C3的正极、第一电阻R1的一端和直流变换器U1的输入端连接且其连接端为能量收集模块2的第二输出端，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的一端和直流变换器U1的控制端连接且其连接端为能量收集模块2的第四输入端，直流变换器U1的输出端、锂电池BAT1的正极和线性稳压器U2的输入端连接，线性稳压器U2的输出端为能量收集模块2的电源输出端，第三二极管D3的正极、第四二极管D4的正极、第二电容C2的负极、第三电容C3的负极、第二电阻R2的另一端、直流变换器U1的接地端、锂电池BAT1的负极和线性稳压器U2的接地端连接且其连接端为能量收集模块2的参考地。

如图3所示，本实施例中，振动测量模块3包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第五二极管D5、第六二极管D6、第一运算放大器U3、第二运算放大器U4、比较器U5、第四电容C4、NMOS管NM1，第一运算放大器U3和第二运算放大器U4分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，比较器U5具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，第三电阻R3的一端为振动测量模块3的第一输入端，第三电阻R3的另一端、第四电阻R4的一端、第一运算放大器U3的同相输入端和比较器U5的同相输入端连接，第一运算放大器U3的反相输入端、第五二极管D5的正极和第七电阻R7的一端连接，第一运算放大器U3的输出端、第五二极管D5的负极和第六二极管D6的正极连接，第七电阻R7的另一端、第二运算放大器U4的反相输入端和第二运算放大器U4的输出端连接且其连接端为振动测量模块3的第一输出端，NMOS管NM1的栅极为振动测量模块3的第二输入端，第六二极管D6的负极、第二运算放大器U4的同相输入端、第四电容C4的一端和NMOS管NM1的漏极连接，第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端和比较器U5的反相输入端连接，比较器U5的输出端为振动测量模块3的第二输出端，第一运算放大器U3的电源端、第二运算放大器U4的电源端、比较器U5的电源端和第五电阻R5的另一端连接且其连接端为振动测量模块3的电源输入端，第四电阻R4的另一端、第六电阻R6的另一端、第四电容C4的另一端、NMOS管NM1的源极、第一运算放大器U3的接地端、第二运算放大器U4的接地端和比较器U5的接地端连接且其连接端为振动测量模块3的参考地。

本实施例中，压电器件1感受环境振动后产生交流电压，其正极性输出端和负极性输出端输出差分交流电压给能量收集模块2，其正极性输出端输出单端交流电压给振动测量模块3，振动测量模块3对输入其内的单端交流电压进行峰值跟踪生成峰值分压信号V_peak和整形触发生成同频方波信号V_freq，振动测量模块3的第一输出端输出峰值分压信号V_peak给能量收集模块2和微控制器模块4，振动测量模块3的第二输出端输出同频方波信号V_freq给微控制器模块4，能量收集模块2对输入其内的差分交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压V_dc1和第二直流电压V_dc2给微控制器模块4，与此同时，第一直流电压为V_dc1输出至第二电容C2，当V_dc1大于V_peak时，第一PMOS管PM1自动导通，此时第二电容C2开始向第三电容C3放电，使得V_dc1开始下降，当V_dc1小于等于V_peak时，第一PMOS管PM1自动关断，第二电容C2停止向第三电容C3放电，此时第三电容C3上的第二直流电压电压V_dc2经过第一电阻R1和第二电阻R2分压后输出给直流变换器U1的使能端，同时来自微控制器模块4的第二控制端的控制信号也连接到直流变换器U1的使能端，将直流变换器U1的使能端电压记为V_en；当V_en大于其内的直流变换器U1的使能阈值电压时(该使能阈值电压由直流变换器U1自身决定)，直流变换器U1启动工作，此时第三电容C3通过直流变换器U1向锂电池BAT1充电；当V_en小于该使能阈值电压时，直流变换器U1停止工作，第三电容C3停止向锂电池BAT1充电；锂电池BAT1经由线性稳压器U2输出工作电源电压给振动测量模块3、微控制器模块4和无线发射模块5，实现自供电。

本实施例中，微控制器模块4中预存有压电器件1的幅频特性曲线以及计时周期T(T为1s)，微控制器模块4基于输入其内的峰值分压信号V_peak、同频方波信号V_freq和第一直流电压V_dc1确定压电器件1感受到振动加速度的幅值和频率的具体方法为：微控制器模块4上电后即启动计时，同时开始对输入其内的同频方波信号V_freq进行上升沿计数(计数初始值为0)，并对输入其内的峰值分压信号V_peak和第一直流电压V_dc1进行连续AD采样，当一个计时周期结束时停止计数与采样，并对得到的计数值和采样值进行处理，得到振动加速度的幅值和频率，然后再进入下一个计时周期重新开始计数与采样，周而复始；其中，得到振动加速度的幅值和频率的具体过程为：将一个计时周期内的同频方波信号的上升沿计数值记为N，振动加速度的频率记为f，则f＝N/T；将AD采样频率记为F_s，采样频率F_s为200Hz，则一个计时周期内可以得到M组采样数据，M＝F_s*T＝200，每组采样数据中分别包括一个峰值分压信号采样值和一个第一直流电压采样值，计算M个峰值分压信号采样值的平均值并记为V_{peak_avg}，计算M个第一直流电压采样值的平均值并记为V_{dc1_avg}，基于V_{peak_avg}和V_{dc1_avg}计算压电器件1的等效开路电压并记为V_poc，则V_poc＝k*(1-exp(-π/2Q))/2*V_{peak_avg}+(1+exp(-π/2Q))/2*V_{dc1_avg}，式中π为圆周率，exp表示以自然常数e为底的指数函数，k为第三电阻R3和第四电阻R4构成的一对分压电阻的分压系数，Q为压电器件1以及第一电感L1和第二电容C2构成的LC谐振电路的品质因子，k和Q由所用的元器件的参数值唯一确定，最后，基于f和V_poc在预存的幅频特性曲线上进行搜索查找，得到振动加速度的幅值大小。

Claims (5)

1.一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，包括采集元件和监测电路，所述的采集元件仅采用一个常规悬臂梁式的压电器件实现，其特征在于所述的监测电路包括振动测量模块、能量收集模块、微控制器模块和无线发射模块，所述的压电器件用于感受环境振动后生成交流电压输出至所述的振动测量模块和所述的能量收集模块中，所述的振动测量模块对输入其内的交流电压进行峰值跟踪并输出与峰值成正比的峰值分压信号分别给所述的能量收集模块和所述的微控制器模块，同时对输入其内的交流电压进行整形触发并输出同频率的方波信号给所述的微控制器模块；所述的能量收集模块对输入其内的交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给所述的微控制器模块，并同时进行电能储存以及为所述的振动测量模块、所述的微控制器模块和所述的无线发射模块提供工作电源电压；所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、同频方波信号和第一直流电压确定所述的压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，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所述的一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，其特征在于所述的压电器件具有正极性输出端和负极性输出端，所述的能量收集模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第一输出端、第二输出端和电源输出端，所述的振动测量模块具有第一输入端、第二输入端、电源输入端、第一输出端和第二输出端，所述的微控制器模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、电源输入端、第一控制端、第二控制端和输出端，所述的无线发射模块具有电源输入端、信号输入端和输出端，所述的压电器件的正极性输出端、所述的能量收集模块的第一输入端和所述的振动测量模块的第一输入端连接，所述的压电器件的负极性输出端和所述的能量收集模块的第二输入端连接，所述的能量收集模块的第一输出端和所述的微控制器模块的第三输入端连接，所述的能量收集模块的第二输出端和所述的微控制器模块的第四输入端连接，所述的能量收集模块的电源输出端、所述的振动测量模块的电源输入端、所述的微控制器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，所述的振动测量模块的第一输出端、所述的能量收集模块的第三输入端和所述的微控制器模块的第二输入端连接，所述的振动测量模块的第二输出端和所述的微控制器模块的第一输入端连接，所述的微控制器模块的第一控制端和所述的振动测量模块的第二输入端连接，所述的微控制器模块的第二控制端和所述的能量收集模块的第四输入连接，所述的微控制器模块的输出端和所述的无线发射模块的信号输入端连接，所述的压电器件感受环境振动后产生交流电压，其正极性输出端和负极性输出端之间输出差分交流电压给所述的能量收集模块，其正极性输出端输出单端交流电压给所述的振动测量模块，所述的振动测量模块对输入其内的单端交流电压进行峰值跟踪生成峰值分压信号以及整形触发生成同频方波信号，将峰值分压信号记为V_peak，同频方波信号记为V_freq，所述的振动测量模块的第一输出端输出峰值分压信号V_peak给所述的能量收集模块和所述的微控制器模块，所述的振动测量模块的第二输出端输出同频方波信号V_freq给所述的微控制器模块，所述的能量收集模块对输入其内的差分交流电压进行同步开关电感整流处理并输出第一直流电压和第二直流电压给所述的微控制器模块，将第一直流电压记为V_dc1，第二直流电压记为V_dc2；所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号、第一直流电压和同频方波信号，确定压电器件感受到振动加速度的幅值和频率，并传递给所述的无线发射模块进行无线发射。

3.根据权利要求2所述的一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，其特征在于所述的能量收集模块包括第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一PNP三极管、第二PNP三极管、第一电感、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一PMOS管、第一电阻、第二电阻、直流变换器、锂电池和线性稳压器；所述的第一电容为无极性电容，所述的第二电容和所述的第三电容均为电解电容，所述的直流变换器具有输入端、输出端、控制端和接地端，所述的线性稳压器具有输入端、输出端和接地端，所述的第一NPN三极管的基极、所述的第二NPN三极管的集电极、所述的第一PNP三极管的基极和所述的第二PNP三极管的集电极连接且其连接端为所述的能量收集模块的第一输入端，所述的第一NPN三极管的集电极和所述的第二PNP三极管的基极连接，所述的第一PNP三极管的集电极和所述的第二NPN三极管的基极连接，所述的第一NPN三极管的发射极、所述的第一PNP三极管的发射极和所述的第一电容的一端连接，所述的第二NPN三极管的发射极、所述的第二PNP三极管的发射极和所述的第一电感的一端连接，所述的第一电感的另一端、所述的第一二极管的正极和所述的第四二极管的负极连接，所述的第一电容的另一端、所述的第二二极管的正极和所述的第三二极管的负极连接且其连接端为所述的能量收集模块的第二输入端，所述的第一二极管的负极、所述的第二二极管的负极、所述的第二电容的正极和所述的第一PMOS管的源极连接其连接端为所述的能量收集模块的第一输出端，所述的第一PMOS管的栅极为所述的能量收集模块的第三输入端，所述的第一PMOS管的漏极、所述的第三电容的正极、所述的第一电阻的一端和所述的直流变换器的输入端连接且其连接端为所述的能量收集模块的第二输出端，所述的第一电阻的另一端、所述的第二电阻的一端和所述的直流变换器的控制端连接且其连接端为所述的能量收集模块的第四输入端，所述的直流变换器的输出端、所述的锂电池的正极和所述的线性稳压器的输入端连接，所述的线性稳压器的输出端为所述的能量收集模块的电源输出端，所述的第三二极管的正极、所述的第四二极管的正极、所述的第二电容的负极、所述的第三电容的负极、所述的第二电阻的另一端、所述的直流变换器的接地端、所述的锂电池的负极和所述的线性稳压器的接地端连接且其连接端为所述的能量收集模块的参考地。

4.根据权利要求3所述的一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，其特征在于所述的振动测量模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第五二极管、第六二极管、第一运算放大器、第二运算放大器、比较器、第四电容、NMOS管，所述的第一运算放大器和所述的第二运算放大器分别具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的比较器具有同相输入端、反相输入端、输出端、电源端和接地端，所述的第三电阻的一端为所述的振动测量模块的第一输入端，所述的第三电阻的另一端、所述的第四电阻的一端、所述的第一运算放大器的同相输入端和所述的比较器的同相输入端连接，所述的第一运算放大器的反相输入端、所述的第五二极管的正极和所述的第七电阻的一端连接，所述的第一运算放大器的输出端、所述的第五二极管的负极和所述的第六二极管的正极连接，所述的第七电阻的另一端、所述的第二运算放大器的反相输入端和所述的第二运算放大器的输出端连接且其连接端为所述的振动测量模块的第一输出端，所述的NMOS管的栅极为所述的振动测量模块的第二输入端，所述的第六二极管的负极、所述的第二运算放大器的同相输入端、所述的第四电容的一端和所述的NMOS管的漏极连接，所述的第五电阻的一端、所述的第六电阻的一端和所述的比较器的反相输入端连接，所述的比较器的输出端为所述的振动测量模块的第二输出端，所述的第一运算放大器的电源端、所述的第二运算放大器的电源端、所述的比较器的电源端和所述的第五电阻的另一端连接且其连接端为所述的振动测量模块的电源输入端，所述的第四电阻的另一端、所述的第六电阻的另一端、所述的第四电容的另一端、所述的NMOS管的源极、所述的第一运算放大器的接地端、所述的第二运算放大器的接地端和所述的比较器的接地端连接且其连接端为所述的振动测量模块的参考地。

5.根据权利要求4所述的一种基于单压电器件的自供电无线振动监测节点，其特征在于所述的微控制器模块中预存有所述的压电器件的幅频特性曲线以及计时周期T，所述的微控制器模块基于输入其内的峰值分压信号V_peak、同频方波信号V_freq和第一直流电压V_dc1确定所述的压电器件感受到振动加速度的幅值和频率的具体方法为：微控制器模块上电后即启动计时，同时开始对输入其内的同频方波信号V_freq进行上升沿计数，并对输入其内的峰值分压信号V_peak和第一直流电压V_dc1进行连续AD采样，当一个计时周期结束时停止计数与采样，并对得到的计数值和采样值进行处理，得到振动加速度的幅值和频率，然后再进入下一个计时周期重新开始计数与采样，周而复始；其中，得到振动加速度的幅值和频率的具体过程为：将一个计时周期内的同频方波信号的上升沿计数值记为N，振动加速度的频率记为f，则f＝N/T；将AD采样频率记为F_s，则一个计时周期内可以得到M组采样数据，M＝F_s*T，每组采样数据中分别包括一个峰值分压信号采样值和一个第一直流电压采样值，计算M个峰值分压信号采样值的平均值并记为V_{peak_avg}，计算M个第一直流电压采样值的平均值并记为V_{dc1_avg}，基于V_{peak_avg}和V_{dc1_avg}计算压电器件的等效开路电压并记为V_poc，则V_poc＝k*(1-exp(-π/2Q))/2*V_{peak_avg}+(1+exp(-π/2Q))/2*V_{dc1_avg}，式中π为圆周率，exp表示以自然常数e为底的指数函数，k为所述的振动测量模块中第三电阻和第四电阻构成的一对分压电阻的分压系数，Q为所述的压电器件以及所述的能量收集模块中第一电感和第二电容构成的LC谐振电路的品质因子，k和Q由所用的元器件的参数值唯一确定，最后，基于f和V_poc在预存的幅频特性曲线上进行搜索查找，得到振动加速度的幅值大小。

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