基于振动能量回收的自供能无线振动测量传输装置的制作方法

本实用新型涉及信号采集技术领域，尤其涉及一种基于振动能量回收的自供能无线振动测量传输装置。

背景技术：

随着中国工业的不断转型升级，现有技术中，基于大数据的机械设备故障预测和健康管理是当下的一个热门方向。对于机械设备的健康监测，振动信号是其中需要获取一个关键的参数。目前，绝大多数振动信号测量系统方案中，依然是通过电池或线束供电，基于IEPE传感器和信号采集调理模块将采集的振动数据通过现场总线的方式接入网关。在振动信号测量点多，电池更换不便以及现场布线困难的情况下，传统的解决方案已经越来越难以满足故障预测系统的需求。

对于实际工业场景的需求，现有的控制方案存在以下几点不足：

通过电池供电方式，不适用于某些电池更换困难的场合，并且需要工作人员定期更换电池，不仅增加了系统的维护成本，同时大量废弃的电池将会导致环境污染。

对于有线线束的供电方式，在测试点数量多的情况下，现场走线将会受限，并且在断电状态时，系统将无法正常采集数据。

目前大多数测量的振动信号是通过有线的方式将数据上传至服务器或网关。对于某些特殊的应用场合难以适应。

基于IEPE传感器和信号采集调理板的采集模块，成本昂贵且体积大，不适用于测量点多且对于成本敏感的预测诊断系统。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中的缺点，提供了一种基于振动能量回收的自供能无线振动测量传输装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：

一种基于振动能量回收的自供能无线振动测量传输装置，包括能量回收模块、振动信号采集模块、无线传输模块和控制模块，所述能量回收模块连接控制模块，所述控制模块分别连接无线传输模块和振动信号采集模块；

所述能量回收模块包括压电陶瓷片、整流单元、储能单元、DC/DC转换单元和输出滤波单元，所述压电陶瓷片、整流单元、储能单元、DC/DC转换单元和输出滤波单元依次进行连接，所述输出滤波单元连接所述控制模块，所述压电陶瓷片用于回收振动能量并将振动能量转换成电能所述能量回收模块用于给控制模块提供电能；

所述振动信号采集模块用于实时获取振动信号数据并进行转换；

所述控制模块用于将实时获取到的振动数据进行读取、处理和转换；所述无线传输模块用于将处理和转换后的振动数据传输至网关中。

作为一种可实施方式，所述控制模块为单片机模块，所述单片机模块包括AD采集模块，所述振动采集模块包括振动传感器，所述振动传感器耦接于所述AD采集模块，所述振动传感器采集振动信号并将振动信号转换成0-3.3V的电压输出，AD采集模块读取0-3.3V的电压数据。

作为一种可实施方式，所述压电陶瓷片的数量至少为两个，每个所述压电陶瓷片相互并联。

作为一种可实施方式，所述储能单元为大电容储能单元，用于储存所述整流单元转换后的直流电压。

作为一种可实施方式，所述DC/DC转换单元为buck DC/DC转换单元，所述buck DC/DC 转换单元连接所述输出滤波单元，所述输出滤波单元输出3.3V直流电压。

作为一种可实施方式，所述振动信号采集模块为数据振动信号采集模块，包含振动传感器ADT7410。

作为一种可实施方式，所述无线传输模为基于Zigbee模块的无线传输模块或基于Lora 模块的无线模块，所述Zigbee模块的型号为wlt-2408nz。

作为一种可实施方式，所述储能单元采用的芯片型号为LTC3588或LTC3588-1。

作为一种可实施方式，所述单片机模块包括型号为STM32L151C8T6的单片机。

作为一种可实施方式，所述振动传感器为MEMS振动传感器。

本实用新型由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：

本实用新型包含能量回收模块，具有基于振动能量回收的自供能功能，基于MEMS振动传感器的信号采集功能以及基于无线技术的数据传输功能，具有以下优点：

在振动能量充足的工业环境下，基于能量回收模块实现自供能，无需工作人员定期更换电池，降低了维护成本并减少了环境污染。

通过无线的方式将数据上传至服务器或网关。解决了某些应用场合走线不便的问题。

在振动数据采集并成功上传后，系统随即进入低功耗休眠模式，休眠模式下，系统几乎无需供能，降低了系统的能耗。

使用MEMS振动传感器代替IEPE传感器和信号采集调理模块，降低了系统的成本和体积。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的能量回收模块的结构示意图；

图3是本实用新型的能量回收模块的电路原理示意图；

图4是本实用新型的振动信号采集模块的电路原理示意图；

图5是本实用新型控制模块和无线传输模块的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

一种基于振动能量回收的自供能无线振动测量传输装置，如图1所示，包括能量回收模块1、振动信号采集模块2、无线传输模块3和控制模块4，所述能量回收模块1连接控制模块4，所述控制模块4分别连接无线传输模块3和振动信号采集模块2；

如图2所示，所述能量回收模块1包括压电陶瓷片11、整流单元12、储能单元13、DC/DC 转换单元14和输出滤波单元15，所述压电陶瓷片11、整流单元12、储能单元13、DC/DC转换单元14和输出滤波单元15依次进行连接，所述输出滤波单元15连接所述控制模块4，所述压电陶瓷片11用于回收振动能量并将振动能量转换成电能所述能量回收模块1用于给控制模块4提供电能；所述振动信号采集模块2用于实时获取振动信号数据并进行转换；所述控制模块4用于将实时获取到的振动数据进行读取、处理和转换；所述无线传输模块3用于将处理和转换后的温度数据传输至网关5中，整个能量回收模块的电路示意图如图3所示，能量回收模块中的储能单元13采用U1的型号为LTC3588或LTC3588-1。

整个实用新型最为突破的地方在于能进行自行供能，采用了能量回收模块将振动的能量进行回收利用，转换成相应的交流电压，再经过一系列的转换，最终转换成可以供单片机使用的3.3V的直流电压，高效快捷，减少了电池或者其他能量的使用，减少了相应的污染。

所述控制模块为单片机模块，所述单片机模块包括AD采集模块，所述振动信号采集模块包括振动传感器，所述振动传感器耦接于所述AD采集模块，所述振动传感器采集振动信号并将振动信号转换成0-3.3V的电压输出，AD采集模块读取0-3.3V的电压数据。在本实施例中，所述振动传感器为MEMS振动传感器。

更加具体地，在本实施例中，所述压电陶瓷片11的数量至少为两个，每个所述压电陶瓷片相互并联，并联的目的是：更加高效的收集振动能量，缩短储能电容的充电时间，系统将两块压电陶瓷片并联，以获得更大的输出效果。

相应地，为了能减少储能单元的频繁更换，在此，所述储能单元13为大电容储能单元，用于储存所述整流单元12转换后的直流电压，另外，整流单元12为全桥整流单元，采用全桥整流单元，将交流电压整流为直流电压的效果更好。

所述DC/DC转换单元14为buck DC/DC转换单元，所述buck DC/DC转换单元连接所述输出滤波单元15，所述输出滤波单元15输出3.3V直流电压。

所述振动信号采集模块2为数据振动信号采集模块，如图4所示，包含温度传感器 ADT7410，单片机STM32L151C8T6通过I²C总线进行模式设置和定时读取测温芯片中的原始数据。

所述无线传输模3为基于Zigbee模块的无线传输模块或基于Lora模块的无线模块。

如图5所示，所述Zigbee模块的型号为wlt-2408nz；基于Zigbee模块的无线传输模块或基于Lora模块的无线模块将转换后的温度数据定时发送至网关或服务器，网关或服务器做后续工作。所述控制模块4为单片机模块，包括型号为STM32L151C8T6的单片机，此单片机模块外围由起振回路，RESET回路以及BOOT回路组成。

工作过程：该装置上电启动后，装置进行初始化设置，其中，能量回收模块1为控制模块4提供相应的能量即相应的电压，也就是说，能量回收模块1将压电陶瓷片11采集的振动动能转换成交流电压，整流单元12对转换的电能进行转换，将交流电压转换成直流电压，并存储在储能单元13中，进而DC/DC转换单元14对直流电压进行转换，最终输出滤波单元输出3.3v的直流电压供控制模块4使用，在控制模块4中，根据单片机中程序设定的采样时间，振动传感器采集振动原始数据，将采集的振动原始数据进行处理并转化为实际的振动参数，再通过无线传输模块3进行传输再进行发送至网关或服务器，进而发送数据，如果发送失败，则重新发送。如果成功发送，便立刻进入低功耗的休眠模式，等待定时器重新唤醒，再一次进行振动原始数据采集，振动原始数据处理和上传。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。