无源机械冲击计数器的制作方法

1.本发明涉及机械冲击计数技术领域，具体为无源机械冲击计数器。


背景技术：

2.无源冲击计数器不使用外部电源，通过把机构特定冲击产生的动能转化成电能的工作原理，在冲击时自主完成发电、自动准确记录冲击次数，存储的冲击数据通过配套的设备读出；计数器安装在冲击机构装置内部适当位置，不影响机构性能，不影响人员操作；无源冲击计数器无需电源供电，具有低成本、高可靠性、长寿命、安装简易便捷等特点。
3.无源冲击计数器的发电模块通常采用压电d31模式，压电d31模式冲击发电原理为，质量块在冲击加速度作用下产生惯性力使谐振梁产生振动变形，贴在谐振梁表面的压电片感受相同的变形，压电片变形产生电荷。压电片粘贴面与谐振梁导通，谐振梁作为压电片一个引出电极，压电片另一面通过导线引出一个电极。谐振梁上下各粘贴一片压电片，两片压电片极性相反，即上面一片非粘贴面与下面一片粘贴面极性相同。当谐振梁变形时，如向下弯曲变形，上面压电片受到拉伸变形(假设非粘贴面为正，粘贴面输出为负)，则下面压电片受到压缩变形(由于压电片极性相反，非粘贴面输出为正，粘贴面输出为负)，这样上下两片并联输出电荷为两片之和。改变质量块重量、谐振梁厚度与长度可以调整发电量大小与响应频率。
4.为了有效识别机构冲击发电还是其他意外撞击发电(防止误判)，需要利用机构冲击产生的信号进行判断，通常采用加速度判断方式，机构特定冲击加速度与意外撞击等干扰的冲击加速度幅值、时间、波形有明显区别，可以通过冲击加速度幅值、时间、波形进行判断。利用谐振梁结构可以制作压电加速度传感器，具有体积小、输出幅值大、频响范围较大、无需电源供电，特别适合作为无源计数器传感器模块。
5.除了机构冲击以外，其他意外撞击、磕碰也会产生冲击振动，谐振梁也会产生振动变形，即压电片产生电荷使电路工作。为了防止误计数，需要根据机构冲击的特征信号判断，满足机构冲击特征时，计数器计数值加1并存储，否则判断为干扰。
6.脉冲波形作用过后，谐振梁继续振动变形，其幅值逐步衰减。有时机构含有其他活动部件，冲击使活动部件运动导致机构二次振动，二次振动作用于与谐振梁，与谐振梁原来的波形叠加，谐振梁后续振动幅值可能增加，也可能减小。干扰冲击幅值小于机构冲击，有时出现持续干扰，后续波形与含二次振动的机构波形相比并不小。为了有效区分机构冲击与干扰冲击，利用冲击刚开始波形幅值判断。机构冲击前充电电容电压为零，机构冲击到来后，充电电容上电压逐步增加，电压增加速率与振动波形幅值成正比，测量电压增加速率即可判断是否为机构冲击。只有充电电容上电压大于稳压模块最低输入，问压模块才会向微控制器供电，微控制器上电后需要固定时间(微控制器软硬件初始化时间)才能正常运行程序。微控制器上电后ad采样值为充电电容电压由稳压模块最低输入电压经过微控制器上电软硬件初始化时间后充电电容上的电压值(分压后)，该ad采样值体现微控制器初始化这段时间振动波形幅值。现有的无源计数器因为不同谐振梁频率差异、充电电容值差异、微控制
器上电时间差异等会使ad采样时间点有偏差，导致ad采样的值出现偏差，容易出现误计数。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于：为了解决现有的无源计数器因为不同谐振梁频率差异、充电电容值差异、微控制器上电时间差异等会使ad采样时间点有偏差，导致ad采样的值出现偏差，容易出现误计数的技术问题，本发明提供无源机械冲击计数器。
8.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
9.无源机械冲击计数器，包括：
10.用于感知外部振动或加速度的谐振梁以及设置在其上的压电元件；
11.与压电元件电连接，将因压电元件的形变而产生的电荷转换为电压的电源处理电路；
12.与电源处理电路电连接以完成计数工作的微控制器；
13.微控制器计数包括以下步骤：
14.电源处理电路用于收集压电元件的形变而产生的电荷，转换为电压为微控制器供电；
15.微控制器上电初始化后对收集电荷转化的电压进行一次ad采样，ad采样值大于第一阈值则计数；
16.ad采样值小于等于第一阈值则间隔半个周期再进行一次ad采样，求取两次ad采样值的ad差值，当ad差值大于第二阈值则计数。
17.进一步地，所述谐振梁的一端通过相配合的固定机构与壳体连接、另一端端部设置有敏感加速度的质量块。
18.进一步地，谐振梁的上、下侧均设置有压电元件，且上侧、下侧的压电元件的极性相反设置。
19.进一步地，所述电源处理电路包括：
20.用于收集存储电荷的充电电容；
21.串联在充电电容与发电区域之间，以使充电电容收集存储电荷的整流桥；
22.串联在充电电容与微处理器之间，用于为微处理器提供稳定电压的稳压模块；
23.并联在充电电容与稳压模块之间的tvs管，用于保护存储电荷的充电电容、稳压模块。
24.进一步地，所述充电电容为0.2-2μf。
25.进一步地，所述电源处理电路还包括两个分压电阻，一个分压电阻分别与充电电容的一端连接后与微控制器连接。
26.进一步地，还包括与微处理器连接的放电电路，所述放电电路用于电源处理电路放电。
27.进一步地，所述放电电路包括串联的放电电阻和控制开关。
28.进一步地，还包括通讯模块，所述通讯模块用于微控制器与外界通信。
29.进一步地，所述通讯模块包括rfid芯片和天线。
30.本发明的有益效果如下：
31.本发明无源机械冲击计数器，谐振梁做相应的形变，进而带动其上的压电元件做
相应的形变，产生电荷，通过电源处理电路收集存储电荷为微控制器供电，微控制器上电后除必要初始化外立即ad采样，ad采样时间点为冲击开始至单片机初始化完成，ad采样值大于第一阈值则计数，反之，间隔半个周期再进行一次ad采样，两次ad采样值之差作为判断标准，当ad差值大于第二阈值则计数，否则放电；可以有效的防止不同谐振梁频率差异、充电电容值差异、微控制器上电时间差异等导致ad采样时间点有偏差，采样时间如果在充电电容电压上升最快处，很小的时间偏差也会导致较大的电压偏差，导致ad采样值出现偏差，避免第一次ad采样时间点偏差导致微控制器误判错误计数。
附图说明
32.图1是本发明的工作原理示意图；
33.图2是本发明的冲击发电结构示意图；
34.图3是本发明的电源处理电路图。
35.附图标记：
36.1-谐振梁、2-压电元件、3-固定机构、4-质量块。
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
38.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.实施例1
40.如图1、图2所示，本实施例提供无源机械冲击计数器，包括：
41.用于感知外部振动或加速度的谐振梁1以及设置在其上的压电元件2；谐振梁1安装在待检测位置，通过其他元件或者设备传递过来的振动，促使谐振梁1做相应的形变，进而带动其上的压电元件2(压电片)做相应的形变，产生电荷。
42.与压电元件2电连接，将因压电元件2的形变而产生的电荷转换为电压的电源处理电路；其用于将发电区域产生的电荷进行收集，以使其能为计数器中的微控制器供电。
43.与电源处理电路电连接以完成计数工作的微控制器；微控制器采用51系列单片机即可，为了防止误计数，需要根据机构特定的冲击特征信号判断，满足机构特定的冲击特征信号时，计数器计数值加1并存储，否则判断为干扰、将充电电容上的电荷放掉等待下一次冲击。具体的可以先在单片机中写入一段程序，程序的功能就是从存储器中读数，将数值加1，再将数值写回存储器及rfid芯片特定存储单元，数值初始值为0，存储器中的数据在单片机掉电后不擦除，如想查看存储器中的计数结果，可使用外部的读卡电路进行读取rfid芯片特定存储单元的数值，而采用单片机通过读取、累加、写入的手段以实现计数的效果，其以是现有计数器中较为成熟的技术。采用这种方案，压电元件2的发电区域与谐振梁1构成
发电模块，压电元件2既作为发电部件，又作传感元件。
44.微控制器计数包括以下步骤：
45.电源处理电路用于收集压电元件2的形变而产生的电荷，转换为电压为微控制器供电；
46.微控制器上电初始化后对收集电荷转化的电压进行一次ad采样，ad采样值大于第一阈值则计数；微控制器上电后除必要初始化外立即ad采样，ad采样时间点为冲击开始至单片机初始化完成，ad采样值大于第一阈值则计数。
47.ad采样值小于等于第一阈值则间隔半个周期再进行一次ad采样，求取两次ad采样值的ad差值，当ad差值大于第二阈值则计数。间隔半个周期再进行一次ad采样，两次ad采样值之差作为判断标准，当ad差值大于第二阈值则计数，否则放电；可以有效的防止不同谐振梁1频率差异、充电电容值差异、微控制器上电时间差异等导致ad采样时间点有偏差，采样时间如果在充电电容电压上升最快处，很小的时间偏差也会导致较大的电压偏差，导致ad采样值出现偏差，从而影响微控制器出现误判导致错误计数。
48.实施例2
49.在实施例1的基础之上，如图2所示，所述谐振梁1的一端通过相配合的固定机构3与壳体连接、另一端端部设置有敏感加速度的质量块4。
50.本实施例中，在具体使用时，谐振梁1的一端通过固定机构3与壳体连接，另一端的端部设置有质量块4，用于通过质量块4接收外界的振动，质量块4在冲击加速度作用下产生惯性力使谐振梁1产生振动变形，贴在谐振梁1表面的压电片感受相同的变形，压电元件2变形产生电荷。
51.实施例3
52.在实施例1的基础之上，如图2所示，谐振梁1的上、下侧均设置有压电元件2，且上侧、下侧的压电元件2的极性相反设置。
53.本实施例中，当产生竖直方向上的振动时，质量块4会随之上下振动，谐振梁1弯曲，在某一个时刻谐振梁1的上侧是拉伸的，下侧必然是压缩的，此时若上侧压电元件2的上表面出现正电荷，下表面(靠近谐振梁1的表面)出现负电荷，如果两个压电元件2是同相设置的，则下侧元件的上表面(靠近谐振梁1的表面)应该出现负电荷，下表面出现正电荷，两片压电元件2直接串联后电荷将抵消，所以只有当两个压电元件2反相设置时，两片压电元件2的电荷才不会被抵消,如果两压电元件2同向设置，也可以通过接线方式将其中一个压电元件2反相后再串联，故可以根据需要对其个数进行布置。采用这种方案以使其可根据需要通过设置多个压电元件2以根据形变，对其产生的电荷量进行控制，以使其电量供给单片机时，能满足使用需要。
54.实施例4
55.在实施例1的基础之上，如图3所示，所述电源处理电路包括：
56.用于收集存储电荷的充电电容；
57.串联在充电电容与发电区域之间，以使充电电容收集存储电荷的整流桥；
58.串联在充电电容与微处理器之间，用于为微处理器提供稳定电压的稳压模块；
59.并联在充电电容与稳压模块之间的tvs管，用于保护存储电荷的充电电容、稳压模块。
60.本实施例中，本实施例中，电源处理电路包括了整流电桥、充电电容、tvs管、稳压模块，其中稳压模块为ldo模块。目的是将压电元件2的发电区域产生的电荷存储起来，并向后续电路提供稳定的电压。电源处理电路与压电元件2连接，通过整流电桥与充电电容的配合，对预定时间内压电元件2产生的多次电量进行累积，并产生对应的累积电压，能有效地将压电元件2多次振动产生的电量进行收集，保证计数器工作所需电量的供应。优选地，所述充电电容为0.2-2μf。
61.实施例5
62.在实施例1的基础之上，如图3所示，所述电源处理电路还包括两个分压电阻，一个分压电阻分别与充电电容的一端连接后与微控制器连接。
63.本实施例中，充电电容上电压值比微控制器的供电电压高，分压电阻将充电电容的电压分压至微处理器可接受范围内，将充电电容上电压经过两个分压电阻分压后送至微控制器进行a/d转换(ad采样)。
64.实施例6
65.在实施例1的基础之上，还包括与微处理器连接的放电电路，所述放电电路用于电源处理电路放电。
66.本实施例中，设置放电电路为了对电源处理电路，在具体使用时，所述放电电路包括串联的放电电阻和控制开关，放电电阻和控制开关与充电电容并联，当微处理器根据冲击特征信号与预设的阈值比较后，计数完毕或者不计数时控制放电电路中的控制开关闭合，此时充电电容与电阻并联，充电电容中存储的电荷通过放电电阻进行放电，所述放电电路包括串联的放电电阻和控制开关。
67.实施例7
68.在实施例1的基础之上，还包括通讯模块，所述通讯模块用于微控制器与外界通信。
69.本实施例中，微控制器通过通讯模块与外部器件进行信息交互，具体地，所述通讯模块包括rfid芯片和天线，rfid芯片存储有机构冲击次数及其他信息，通过配套的rfid读写器可读出有关数据。