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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)

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  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

電力工程師論文

  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。而同步電荷提取(SECE)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。

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