基于双压电片的无电池频率监测节点设计.docx

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基于双压电片的无电池频率监测节点设计

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钱士陈志栋吴滨李晨王俊杰

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

中图分类号：TP39;TN91文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-03

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）=0V。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