基于双压电片的无电池频率监测节点设计

　　摘 要：对于机械、建筑结构的振动监测十分重要，这是预防设备出错、监测建筑结构异常的主要依据。而传统的振动信息监测节点存在重大缺陷，如有线供电方式布线困难、布线成本高等，若采用电池供电则需要定期更换电池，同时电池会对环境造成一定污染。文中提出了一种基于双压电片的无电池频率监测节点设计，采用压电片1进行振动能量收集(向整个节点供电)，采用压电片2进行信息采集。该方式无需电池供电，无需布线，大大节省了布线成本与更换电池产生的人工成本。

　　关键词：能量收集;振动;无线传感;监测;信号采集;控制

　　0 引 言

　　机械、建筑结构的稳定性至关重要，而振动的频率和幅度是检测其结构稳定性的重要指标。机械设备在运转过程中，铁轨和大桥在车辆通过时，信号塔在大风中都会产生不同程度的振动。正常情况下，机械、建筑结构的振动保持在一个合理的范围内，但随着结构的老化或在一些突发情况下，这些结构的振动往往会出现异常，很有可能危害设备及人身安全。如机器在发动机的带动下工作时，会产生一定的振动，而机器内部零部件异常时，振动频率和幅度都会发生变化，此时需要及时维修保养，否则极容易损坏精密仪器。

　　因此，对于机械、建筑结构的振动监测十分重要，是预防设备出错、监测建筑结构异常的主要依据。对监测的振动数据进行处理、分析后还可以建立振动信息数据库，有效判断故障类型、故障位置和危害程度[1-3]。

　　1 系统整体架构设计

　　1.1 振动监测方法

　　目前，对于振动信息的监测根据供电方式[1]主要分为两类。

　　(1)有线供电：有线供电方式比较稳定，对于节点的耗电也没有严格要求，但往往存在布线困难、布线成本高等缺点，并且布线一旦完成，不容易更改;

　　(2)电池供电：电池供电方式克服了有线供电的缺点，但对于无线传感节点的耗电有严格要求，即使耗电较低，电池也终将耗尽，而电池的更换成本及电池对环境的污染也是不可忽视的因素[4-5]。

　　1.2 系统整体设计

　　本项目拟采用压电片进行振动能量的收集，并向节点供电。通过该方式采集振动信息将大大降低电池成本和人工成本。系统架构如图1所示。当外界发生振动时，压电片1采集振动能，通过能量收集电路向节点供电;压电片2输出振动信息(频率、幅度)，并向控制模块传输;最后通过无线收发模块发送采集的振动信息[6]。

　　本文优化了振动监测无线传感节点，具有以下优势：

　　(1)无需电池供电，无需布线，大大节省了电池成本以及更换电池产生的人工成本;

　　(2)无需额外的振动信息采集模块，降低了系统功耗;

　　(3)电路板底部用磁铁固定，可以方便地吸附于金属材料之上，使得安装更加简便。

　　2 能量收集

　　2.1 能量收集装置

　　振动是环境中广泛存在的一种能量形式，如大自然中水和空气的流动、工业机器运作时产生的振动等。本文采用压电式振动能量俘获装置，利用压电材料的正压电效应将环境中的振动能转换为电能[7-8]，其输出波形如图2所示。

　　如图2所示，当发生振动时，压电片输出交流(AC)信号，当压电片振动到最大位移时，电压达到最大值Vmax，且振动幅度越大，Vmax的值就越大。因此，可以通过测量Vmax的值得到振动幅度。t为两个峰值间的时间，可以通过测量时间t得到振动频率。

　　2.2 能量收集电路

　　当发生振动时，压电片输出交流(AC)信号，而普通的电子器件需要稳定的直流(DC)电源。因此，压电片和电子器件之间需要交直流能量收集接口电路。最简单的接口电路是二极管桥式整流器(DBR)电路。但由于二极管上存在导通压降，并且DBR电路的能量收集效率受负载阻抗和存储电压的影响，所以DBR电路的能量效率较低。而同步电荷提取(SECE)电路较好地解决了负载阻抗匹配问题，并且无需附加自适应电路。

　　SECE电路及电路波形如图3所示。与DBR电路相比， SECE电路需要额外的器件，包括电感、开关和二极管。当压电片移动到极限位置时，Cp上的电压达到最大值Vmax，然后开关S打开，L和Cp产生LC振荡，电感上的电流达到最大值，然后关闭开关S。L的磁能通过二极管转换成电能，储存在储能电容器Cst中。

　　本文提出了一種采用无源SECE电路收集能量的方式，电路如图4所示。

　　无源SECE电路无需外部电源即可对压电片进行振动能量收集。以正半周期为例，当V(a)>V(b)时，MOS管M2导通，M1截止，则V(b)=0 V。等效电流源ip向Cp、C1充电。当压电片振动到极值位移时，Cp上的电压达到最大值Vmax，C1上的电压为Vmax-VBE(其中VBE为三级管基极和发射极的导通压降)。然后，压电片开始向平衡位置移动，Cp上的电压开始减小，而C1上的电压保持不变。当Cp上的电压下降到Vmax-2VBE时，三极管Q4导通，Cp上的电荷向电感L转移，当电感上的电流达到最大值时，三极管断开，电感通过二极管向负载电容Cr充电。

　　3 信号采集

　　当对压电片进行能量收集时，会改变压电片1的电压波形，因此无法对压电片1进行信号检测。本文采用压电片2进行信号检测。信号检测电路如图5所示。

　　压电片的两端分别为a，b。因为压电片输出为交流信号，因此信号采集电路需要一个全桥整流电路，其由4个二极管组成。压电片的输出电压较高，因此使用了一个20 MΩ和1.5 MΩ的分压电阻进行检测。330 kΩ的电阻和100 pF的电容组成了一个积分电路，当压电片的电压达到峰值时，信号采集电路输出一个脉冲。

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文章名称： 基于双压电片的无电池频率监测节点设计

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