基于雙壓電片的無電池頻率監測節點設計

錢士 陳志棟 吳濱 李晨 王俊杰

摘 要：對于機械、建筑結構的振動監測十分重要，這是預防設備出錯、監測建筑結構異常的主要依據。而傳統的振動信息監測節點存在重大缺陷，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，同時電池會對環境造成一定污染。文中提出了一種基于雙壓電片的無電池頻率監測節點設計，采用壓電片1進行振動能量收集（向整個節點供電），采用壓電片2進行信息采集。該方式無需電池供電，無需布線，大大節省了布線成本與更換電池產生的人工成本。

關鍵詞：能量收集;振動;無線傳感;監測;信號采集;控制

中圖分類號：TP39;TN91文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

機械、建筑結構的穩定性至關重要，而振動的頻率和幅度是檢測其結構穩定性的重要指標。機械設備在運轉過程中，鐵軌和大橋在車輛通過時，信號塔在大風中都會產生不同程度的振動。正常情況下，機械、建筑結構的振動保持在一個合理的范圍內，但隨著結構的老化或在一些突發情況下，這些結構的振動往往會出現異常，很有可能危害設備及人身安全。如機器在發動機的帶動下工作時，會產生一定的振動，而機器內部零部件異常時，振動頻率和幅度都會發生變化，此時需要及時維修保養，否則極容易損壞精密儀器。

因此，對于機械、建筑結構的振動監測十分重要，是預防設備出錯、監測建筑結構異常的主要依據。對監測的振動數據進行處理、分析后還可以建立振動信息數據庫，有效判斷故障類型、故障位置和危害程度[1-3]。

1 系統整體架構設計

1.1 振動監測方法

目前，對于振動信息的監測根據供電方式[1]主要分為兩類。

（1）有線供電：有線供電方式比較穩定，對于節點的耗電也沒有嚴格要求，但往往存在布線困難、布線成本高等缺點，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，但對于無線傳感節點的耗電有嚴格要求，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境的污染也是不可忽視的因素[4-5]。

1.2 系統整體設計

本項目擬采用壓電片進行振動能量的收集，并向節點供電。通過該方式采集振動信息將大大降低電池成本和人工成本。系統架構如圖1所示。當外界發生振動時，壓電片1采集振動能，通過能量收集電路向節點供電;壓電片2輸出振動信息（頻率、幅度），并向控制模塊傳輸;最后通過無線收發模塊發送采集的振動信息[6]。

本文優化了振動監測無線傳感節點，具有以下優勢：

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

（2）無需額外的振動信息采集模塊，降低了系統功耗;

（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

振動是環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、工業機器運作時產生的振動等。本文采用壓電式振動能量俘獲裝置，利用壓電材料的正壓電效應將環境中的振動能轉換為電能[7-8]，其輸出波形如圖2所示。

如圖2所示，當發生振動時，壓電片輸出交流（AC）信號，當壓電片振動到最大位移時，電壓達到最大值Vmax，且振動幅度越大，Vmax的值就越大。因此，可以通過測量Vmax的值得到振動幅度。t為兩個峰值間的時間，可以通過測量時間t得到振動頻率。

2.2 能量收集電路

當發生振動時，壓電片輸出交流（AC）信號，而普通的電子器件需要穩定的直流（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通壓降，并且DBR電路的能量收集效率受負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載阻抗匹配問題，并且無需附加自適應電路。

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、開關和二極管。當壓電片移動到極限位置時，Cp上的電壓達到最大值Vmax，然后開關S打開，L和Cp產生LC振蕩，電感上的電流達到最大值，然后關閉開關S。L的磁能通過二極管轉換成電能，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行振動能量收集。以正半周期為例，當V（a）>V（b）時，MOS管M2導通，M1截止，則V（b）=0 V。等效電流源ip向Cp、C1充電。當壓電片振動到極值位移時，Cp上的電壓達到最大值Vmax，C1上的電壓為Vmax-VBE（其中VBE為三級管基極和發射極的導通壓降）。然后，壓電片開始向平衡位置移動，Cp上的電壓開始減小，而C1上的電壓保持不變。當Cp上的電壓下降到Vmax-2VBE時，三極管Q4導通，Cp上的電荷向電感L轉移，當電感上的電流達到最大值時，三極管斷開，電感通過二極管向負載電容Cr充電。

3 信號采集

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

壓電片的兩端分別為a，b。因為壓電片輸出為交流信號，因此信號采集電路需要一個全橋整流電路，其由4個二極管組成。壓電片的輸出電壓較高，因此使用了一個20 MΩ和1.5 MΩ的分壓電阻進行檢測。330 kΩ的電阻和100 pF的電容組成了一個積分電路，當壓電片的電壓達到峰值時，信號采集電路輸出一個脈沖。

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

4 供電模塊

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

當輸出電壓Vst<4.38 V時，電壓監控芯片U2輸出低電平，LDO U3處于關斷狀態，VDD=0 V。當負載電壓Vst超過4.38 V時，電壓監控芯片U2輸出高電平，LDO U3處于工作狀態，VDD=1.8 V，單片機開始工作。

5 控制模塊

控制模塊及無線發射模塊電路如圖7所示。

壓電片的輸出電壓較高，通過20 MΩ和1.5 MΩ的分壓電阻后，輸出分壓信號VPZT，檢測通過單片機的A/D進行。平常狀態下，單片機處于休眠狀態，當壓電片峰值信號VPKD為高電平時，喚醒單片機，單片機采集信號VPZT，由此可以得到振動峰值電壓。通過計算相鄰VPKD信號之間的時間差得到振動頻率。單片機采集到振動幅度及振動電壓信號后，與無線模塊CC1101通信，并通過無線發射模塊發送數據。

系統采用間斷式工作模式，大多時候單片機及無線收發模塊處于關閉狀態，以此來降低功耗，如圖8所示。

工作狀態下，輸出電壓Vst>4.38 V;休眠狀態下，系統處于能量收集狀態，此時Vst<4.38 V，系統通過無源SECE電路向負載電容充電。

6 結 語

本文所提系統能收集環境中的振動能，并向整個系統供電，以便擺脫對電池的依賴。由于系統采用壓電片進行振動信息采集，當振動頻率偏離壓電片的諧振頻率時，振動幅度會大幅下降，因此只適用于振動頻率監測范圍較窄的情況。

參考文獻

[1]付煒煒.在線振動檢測系統在凈水廠中的應用[J].中國新技術新產品，2020，28（3）：4-6.

[2]宮忠才，孫佳祥，劉陽.振動檢測分析技術在海洋石油平臺上的應用[J].天津科技，2020，29（4）：25-27.

[3]張克謙，高樹國，岳國良.基于物聯網的微風振動監測應用場景分析[J].河北電力技術，2019，38（6）：4-6.

[4]屈鳳霞，夏銀水，施閣，等.自供電的同步電荷提取電路的優化設計[J].傳感技術學報，2016，29（3）：349-355.

[5]陳紹煒，王子，魏剛.基于壓電能量收集技術的無線傳感器節點設計[J].計算機測量，2014，22（3）：952-955.

[6]劉成龍，孟愛華，陳文藝，等.振動能量收集技術的研究現狀與發展趨勢[J].裝備制造技術，2013，41（12）：43-47.

[7]劉創，王珺，吳涵.無線可充電傳感器網絡的移動充電問題研究[J].計算機技術與發展，2016，26（3）：162-167.

[8]韓曉婧，張子佑，劉鋒.一種毫微功耗的微弱能量收集電路設計[J].物聯網技術，2016，6（9）：90-93.

[9]程耀慶，張闖，賀學鋒，等.基于壓電振動能采集器的無線頻率檢測節點[J].壓電與聲光，2014，42（6）：981-986.

[10]程耀慶.基于微型壓電能量采集器的無線風速監測節點[D].重慶：重慶大學，2014.