基于雙壓電片的無(wú)電池頻率監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

錢(qián)士 陳志棟 吳濱 李晨 王俊杰

摘 要：對(duì)于機(jī)械、建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)十分重要，這是預(yù)防設(shè)備出錯(cuò)、監(jiān)測(cè)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(cè)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(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染。文中提出了一種基于雙壓電片的無(wú)電池頻率監(jiān)測(cè)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(wú)需電池供電，無(wú)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(wú)線傳感;監(jiān)測(cè);信號(hào)采集;控制

中圖分類號(hào)：TP39;TN91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-03

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(cè)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(guò)程中，鐵軌和大橋在車輛通過(guò)時(shí)，信號(hào)塔在大風(fēng)中都會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(duì)于機(jī)械、建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)十分重要，是預(yù)防設(shè)備出錯(cuò)、監(jiān)測(cè)建筑結(jié)構(gòu)異常的主要依據(jù)。對(duì)監(jiān)測(cè)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(kù)，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(cè)方法

目前，對(duì)于振動(dòng)信息的監(jiān)測(cè)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(duì)于節(jié)點(diǎn)的耗電也沒(méi)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(duì)于無(wú)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)無(wú)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(cè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）無(wú)需電池供電，無(wú)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(wú)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(jiǎn)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(hào)，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(guò)測(cè)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(guò)測(cè)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(hào)，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(jiǎn)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(chǔ)電壓的影響，所以DBR電路的能量效率較低。而同步電荷提?。⊿ECE）電路較好地解決了負(fù)載阻抗匹配問(wèn)題，并且無(wú)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(kāi)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(kāi)關(guān)S打開(kāi)，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(kāi)關(guān)S。L的磁能通過(guò)二極管轉(zhuǎn)換成電能，儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電容器Cst中。

本文提出了一種采用無(wú)源SECE電路收集能量的方式，電路如圖4所示。

無(wú)源SECE電路無(wú)需外部電源即可對(duì)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(jí)管基極和發(fā)射極的導(dǎo)通壓降）。然后，壓電片開(kāi)始向平衡位置移動(dòng)，Cp上的電壓開(kāi)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(kāi)，電感通過(guò)二極管向負(fù)載電容Cr充電。

3 信號(hào)采集

當(dāng)對(duì)壓電片進(jìn)行能量收集時(shí)，會(huì)改變壓電片1的電壓波形，因此無(wú)法對(duì)壓電片1進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。本文采用壓電片2進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。信號(hào)檢測(cè)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?hào)，因此信號(hào)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(cè)。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(hào)采集電路輸出一個(gè)脈沖。

為了降低信號(hào)采集電路的功耗，U1使用了低功耗比較器TS881，當(dāng)VDD=2.7 V時(shí)，TS881中僅流過(guò)220 nA的電流。

4 供電模塊

在實(shí)際應(yīng)用中，振動(dòng)能量通常很弱，能量收集輸出電壓Vst可能較低。在這種情況下，控制電路、信號(hào)采集電路與Cr斷開(kāi)。供電模塊電路如圖6所示。

當(dāng)輸出電壓Vst<4.38 V時(shí)，電壓監(jiān)控芯片U2輸出低電平，LDO U3處于關(guān)斷狀態(tài)，VDD=0 V。當(dāng)負(fù)載電壓Vst超過(guò)4.38 V時(shí)，電壓監(jiān)控芯片U2輸出高電平，LDO U3處于工作狀態(tài)，VDD=1.8 V，單片機(jī)開(kāi)始工作。

5 控制模塊

控制模塊及無(wú)線發(fā)射模塊電路如圖7所示。

壓電片的輸出電壓較高，通過(guò)20 MΩ和1.5 MΩ的分壓電阻后，輸出分壓信號(hào)VPZT，檢測(cè)通過(guò)單片機(jī)的A/D進(jìn)行。平常狀態(tài)下，單片機(jī)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)壓電片峰值信號(hào)VPKD為高電平時(shí)，喚醒單片機(jī)，單片機(jī)采集信號(hào)VPZT，由此可以得到振動(dòng)峰值電壓。通過(guò)計(jì)算相鄰VPKD信號(hào)之間的時(shí)間差得到振動(dòng)頻率。單片機(jī)采集到振動(dòng)幅度及振動(dòng)電壓信號(hào)后，與無(wú)線模塊CC1101通信，并通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用間斷式工作模式，大多時(shí)候單片機(jī)及無(wú)線收發(fā)模塊處于關(guān)閉狀態(tài)，以此來(lái)降低功耗，如圖8所示。

工作狀態(tài)下，輸出電壓Vst>4.38 V;休眠狀態(tài)下，系統(tǒng)處于能量收集狀態(tài)，此時(shí)Vst<4.38 V，系統(tǒng)通過(guò)無(wú)源SECE電路向負(fù)載電容充電。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文所提系統(tǒng)能收集環(huán)境中的振動(dòng)能，并向整個(gè)系統(tǒng)供電，以便擺脫對(duì)電池的依賴。由于系統(tǒng)采用壓電片進(jìn)行振動(dòng)信息采集，當(dāng)振動(dòng)頻率偏離壓電片的諧振頻率時(shí)，振動(dòng)幅度會(huì)大幅下降，因此只適用于振動(dòng)頻率監(jiān)測(cè)范圍較窄的情況。

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