基于双压电片的无电池频率监测节点设计

2020-12-07钱士陈志栋吴滨李晨王俊杰

物联网技术 2020年11期

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）=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。

为了降低信号采集电路的功耗，U1使用了低功耗比较器TS881，当VDD=2.7 V时，TS881中仅流过220 nA的电流。

4 供电模块

在实际应用中，振动能量通常很弱，能量收集输出电压Vst可能较低。在这种情况下，控制电路、信号采集电路与Cr断开。供电模块电路如图6所示。

当输出电压Vst<4.38 V时，电压监控芯片U2输出低电平，LDO U3处于关断状态，VDD=0 V。当负载电压Vst超过4.38 V时，电压监控芯片U2输出高电平，LDO U3处于工作状态，VDD=1.8 V，单片机开始工作。

5 控制模块

控制模块及无线发射模块电路如图7所示。

压电片的输出电压较高，通过20 MΩ和1.5 MΩ的分压电阻后，输出分压信号VPZT，检测通过单片机的A/D进行。平常状态下，单片机处于休眠状态，当压电片峰值信号VPKD为高电平时，唤醒单片机，单片机采集信号VPZT，由此可以得到振动峰值电压。通过计算相邻VPKD信号之间的时间差得到振动频率。单片机采集到振动幅度及振动电压信号后，与无线模块CC1101通信，并通过无线发射模块发送数据。

系统采用间断式工作模式，大多时候单片机及无线收发模块处于关闭状态，以此来降低功耗，如图8所示。

工作状态下，输出电压Vst>4.38 V;休眠状态下，系统处于能量收集状态，此时Vst<4.38 V，系统通过无源SECE电路向负载电容充电。

6 结语

本文所提系统能收集环境中的振动能，并向整个系统供电，以便摆脱对电池的依赖。由于系统采用压电片进行振动信息采集，当振动频率偏离压电片的谐振频率时，振动幅度会大幅下降，因此只适用于振动频率监测范围较窄的情况。

参考文献

[1]付炜炜.在线振动检测系统在净水厂中的应用[J].中国新技术新产品，2020，28（3）：4-6.

[2]宫忠才，孙佳祥，刘阳.振动检测分析技术在海洋石油平台上的应用[J].天津科技，2020，29（4）：25-27.

[3]张克谦，高树国，岳国良.基于物联网的微风振动监测应用场景分析[J].河北电力技术，2019，38（6）：4-6.

[4]屈凤霞，夏银水，施阁，等.自供电的同步电荷提取电路的优化设计[J].传感技术学报，2016，29（3）：349-355.

[5]陈绍炜，王子，魏刚.基于压电能量收集技术的无线传感器节点设计[J].计算机测量，2014，22（3）：952-955.

[6]刘成龙，孟爱华，陈文艺，等.振动能量收集技术的研究现状与发展趋势[J].装备制造技术，2013，41（12）：43-47.

[7]刘创，王珺，吴涵.无线可充电传感器网络的移动充电问题研究[J].计算机技术与发展，2016，26（3）：162-167.