摘 要：對于機(jī)械、建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測十分重要，這是預(yù)防設(shè)備出錯(cuò)、監(jiān)測建筑結(jié)構(gòu)異常的主要依據(jù)。而傳統(tǒng)的振動(dòng)信息監(jiān)測節(jié)點(diǎn)存在重大缺陷，如有線供電方式布線困難、布線成本高等，若采用電池供電則需要定期更換電池，同時(shí)電池會對環(huán)境造成一定污染。文中提出了一種基于雙壓電片的無電池頻率監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，采用壓電片1進(jìn)行振動(dòng)能量收集(向整個(gè)節(jié)點(diǎn)供電)，采用壓電片2進(jìn)行信息采集。該方式無需電池供電，無需布線，大大節(jié)省了布線成本與更換電池產(chǎn)生的人工成本。

　　關(guān)鍵詞：能量收集;振動(dòng);無線傳感;監(jiān)測;信號采集;控制

　　0 引 言

　　機(jī)械、建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，而振動(dòng)的頻率和幅度是檢測其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，鐵軌和大橋在車輛通過時(shí)，信號塔在大風(fēng)中都會產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)。正常情況下，機(jī)械、建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，但隨著結(jié)構(gòu)的老化或在一些突發(fā)情況下，這些結(jié)構(gòu)的振動(dòng)往往會出現(xiàn)異常，很有可能危害設(shè)備及人身安全。如機(jī)器在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下工作時(shí)，會產(chǎn)生一定的振動(dòng)，而機(jī)器內(nèi)部零部件異常時(shí)，振動(dòng)頻率和幅度都會發(fā)生變化，此時(shí)需要及時(shí)維修保養(yǎng)，否則極容易損壞精密儀器。

　　因此，對于機(jī)械、建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測十分重要，是預(yù)防設(shè)備出錯(cuò)、監(jiān)測建筑結(jié)構(gòu)異常的主要依據(jù)。對監(jiān)測的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析后還可以建立振動(dòng)信息數(shù)據(jù)庫，有效判斷故障類型、故障位置和危害程度[1-3]。

　　1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 振動(dòng)監(jiān)測方法

　　目前，對于振動(dòng)信息的監(jiān)測根據(jù)供電方式[1]主要分為兩類。

　　(1)有線供電：有線供電方式比較穩(wěn)定，對于節(jié)點(diǎn)的耗電也沒有嚴(yán)格要求，但往往存在布線困難、布線成本高等缺點(diǎn)，并且布線一旦完成，不容易更改;

　　(2)電池供電：電池供電方式克服了有線供電的缺點(diǎn)，但對于無線傳感節(jié)點(diǎn)的耗電有嚴(yán)格要求，即使耗電較低，電池也終將耗盡，而電池的更換成本及電池對環(huán)境的污染也是不可忽視的因素[4-5]。

　　1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　本項(xiàng)目擬采用壓電片進(jìn)行振動(dòng)能量的收集，并向節(jié)點(diǎn)供電。通過該方式采集振動(dòng)信息將大大降低電池成本和人工成本。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。當(dāng)外界發(fā)生振動(dòng)時(shí)，壓電片1采集振動(dòng)能，通過能量收集電路向節(jié)點(diǎn)供電;壓電片2輸出振動(dòng)信息(頻率、幅度)，并向控制模塊傳輸;最后通過無線收發(fā)模塊發(fā)送采集的振動(dòng)信息[6]。

　　本文優(yōu)化了振動(dòng)監(jiān)測無線傳感節(jié)點(diǎn)，具有以下優(yōu)勢：

　　(1)無需電池供電，無需布線，大大節(jié)省了電池成本以及更換電池產(chǎn)生的人工成本;

　　(2)無需額外的振動(dòng)信息采集模塊，降低了系統(tǒng)功耗;

　　(3)電路板底部用磁鐵固定，可以方便地吸附于金屬材料之上，使得安裝更加簡便。

　　2 能量收集

　　2.1 能量收集裝置

　　振動(dòng)是環(huán)境中廣泛存在的一種能量形式，如大自然中水和空氣的流動(dòng)、工業(yè)機(jī)器運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)等。本文采用壓電式振動(dòng)能量俘獲裝置，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能[7-8]，其輸出波形如圖2所示。

　　如圖2所示，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，壓電片輸出交流(AC)信號，當(dāng)壓電片振動(dòng)到最大位移時(shí)，電壓達(dá)到最大值Vmax，且振動(dòng)幅度越大，Vmax的值就越大。因此，可以通過測量Vmax的值得到振動(dòng)幅度。t為兩個(gè)峰值間的時(shí)間，可以通過測量時(shí)間t得到振動(dòng)頻率。

　　2.2 能量收集電路

　　當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，壓電片輸出交流(AC)信號，而普通的電子器件需要穩(wěn)定的直流(DC)電源。因此，壓電片和電子器件之間需要交直流能量收集接口電路。最簡單的接口電路是二極管橋式整流器(DBR)電路。但由于二極管上存在導(dǎo)通壓降，并且DBR電路的能量收集效率受負(fù)載阻抗和存儲電壓的影響，所以DBR電路的能量效率較低。而同步電荷提取(SECE)電路較好地解決了負(fù)載阻抗匹配問題，并且無需附加自適應(yīng)電路。

　　SECE電路及電路波形如圖3所示。與DBR電路相比， SECE電路需要額外的器件，包括電感、開關(guān)和二極管。當(dāng)壓電片移動(dòng)到極限位置時(shí)，Cp上的電壓達(dá)到最大值Vmax，然后開關(guān)S打開，L和Cp產(chǎn)生LC振蕩，電感上的電流達(dá)到最大值，然后關(guān)閉開關(guān)S。L的磁能通過二極管轉(zhuǎn)換成電能，儲存在儲能電容器Cst中。

　　本文提出了一種采用無源SECE電路收集能量的方式，電路如圖4所示。

　　無源SECE電路無需外部電源即可對壓電片進(jìn)行振動(dòng)能量收集。以正半周期為例，當(dāng)V(a)>V(b)時(shí)，MOS管M2導(dǎo)通，M1截止，則V(b)=0 V。等效電流源ip向Cp、C1充電。當(dāng)壓電片振動(dòng)到極值位移時(shí)，Cp上的電壓達(dá)到最大值Vmax，C1上的電壓為Vmax-VBE(其中VBE為三級管基極和發(fā)射極的導(dǎo)通壓降)。然后，壓電片開始向平衡位置移動(dòng)，Cp上的電壓開始減小，而C1上的電壓保持不變。當(dāng)Cp上的電壓下降到Vmax-2VBE時(shí)，三極管Q4導(dǎo)通，Cp上的電荷向電感L轉(zhuǎn)移，當(dāng)電感上的電流達(dá)到最大值時(shí)，三極管斷開，電感通過二極管向負(fù)載電容Cr充電。

　　3 信號采集

　　當(dāng)對壓電片進(jìn)行能量收集時(shí)，會改變壓電片1的電壓波形，因此無法對壓電片1進(jìn)行信號檢測。本文采用壓電片2進(jìn)行信號檢測。信號檢測電路如圖5所示。

　　壓電片的兩端分別為a，b。因?yàn)閴弘娖敵鰹榻涣餍盘?，因此信號采集電路需要一個(gè)全橋整流電路，其由4個(gè)二極管組成。壓電片的輸出電壓較高，因此使用了一個(gè)20 MΩ和1.5 MΩ的分壓電阻進(jìn)行檢測。330 kΩ的電阻和100 pF的電容組成了一個(gè)積分電路，當(dāng)壓電片的電壓達(dá)到峰值時(shí)，信號采集電路輸出一個(gè)脈沖。

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