一种基于偏置翻转电路的自供电振动频率传感器系统的制作方法

本发明属于传感器领域，特别涉及到一种基于偏置翻转电路的自供电振动频率传感器系统。

背景技术

振动现象广泛存在于自然界和人类的生产、生活中。对机械设备而言，绝大多数故障都是与机械运动或振动有密切联系的，振动检测具有直接、实时和故障类型覆盖范围广的特点。因此，振动检测是针对机械设备的各种预测性维修技术中的核心部分。振动参量的测量，尤其是振动频率的测量，意义和重要性不言而喻，因而人们发明了各种测量振动频率的方法和仪器。而振动检测系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的ic技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。

目前，市场上现存多种振动传感器，大体上可分为两类：非接触式传感器系统和接触式传感器系统。而现有的振动传感器系统，无论是接触式还是非接触式，都存在以下缺陷：振动传感器系统大多数直接测量振动的位移、速度和加速度，而无法直接反映振动频率的大小；为了从这些常见的传感器系统获得频率信息，必须增加额外的转换或处理单元，导致系统更加复杂、冗余，增加了使用成本。

在供电形式方面，目前大部分的振动传感器采用传统的电池方式供给能量。由于振动传感器体积微小，自身携带的电池能量有限，不能满足长期工作需要，因此供电问题已经成为无线传感网络节点的发展的重要制约因素。对于现有的振动传感器系统，传统化学电池供电时间有限，需要定期更换电池，然而在某些应用场合不具备经常更换电池的条件。

近年来，环境能量采集技术作为一项新的技术理念，得到越来越多的关注，随着低功耗大规模集成电路技术和先进电源管理技术的进步，可以将微型传感器及低功耗数字信号处理器的功率控制在1mw以下，如此低的功耗使收集周围环境能量为微小型传感器及其他电子器件供电（即自供能技术）成为可能，利用环境能量采集技术为无线传感器网络提供能量补给，逐步成为目前研究的一项前沿课题。环境中可采集利用的能量有机械振动能、光能、热能等。机械振动能是环境中较为广泛的能源之一，自然生活与工作环境中的振动几乎无处不在，且不像太阳能、热能等受到自然条件制约，直接从环境中提取振动能为低功耗电子器件供能具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明公开了一种基于偏置翻转电路的自供电振动频率传感器系统，由压电能量采集器、频率检测电路和能量收集电路组成。通过压电能量采集器将正弦机械振动转化为相应输出正弦电压；通过频率检测电路对所述输出电压进行处理得到输出直流电压信号，根据此信号可计算出振动频率；通过能量收集电路将压电能量采集器的输出电压进行能量存储收集，为整个传感器系统供电。该传感器系统方案简单，可以在一定频率范围内、一定振动强度下，无需电池供电即可直接测量正弦振动频率。

一种基于偏置翻转电路的自供电振动频率传感器系统，如图1所示，包括：压电能量采集器、频率检测电路和能量收集电路。

所述压电能量采集器采用压电悬臂梁结构，压电能量采集器被夹钳固定在振动台上。函数信号发生器产生一个正弦输出信号，经过功率放大器放大后输入到振动台产生相应的正弦振动，以此方式，振动台为压电悬臂梁提供确定频率下的正弦振动。受输入正弦振动激励的影响，基于压电效应，压电悬臂梁上下两层的压电材料因振动而产生拉伸或压缩形变，形成正弦输出电压。因而，压电能量采集器可以将正弦振动频率转换成对应的正弦输出电压。

所述频率检测电路由偏置翻转电路、脉冲整形器和低通滤波器组成，可用于处理压电能量采集器的正弦输出电压，并输出一个与振动频率大小相关的电压信号。

所述偏置翻转电路，如图2阴影部分所示。偏置翻转电路由一个电感和mos开关组成，图2中非阴影部分所示电路为压电能量收集器件的等效电路模型。电压为mos开关控制电压，当开关闭合时，电感和电容构成高频谐振回路，同时该谐振回路开始振荡；经过个振荡周期开关断开，电容上的电压由翻转成；一旦压电能量采集器的输出电流经过零点或符号发生变化，偏置翻转电路就会工作，因此其输出电压和电流是同相的。综上所述，偏置翻转电路可用于跟踪压电能量采集器输出电流零点并翻转压电能量采集器输出电压极性，以实现振动频率跟踪，同时得到偏置翻转电路输出电压。

所述脉冲整形器，如图3所示，与偏置翻转电路相连接，主要包括：微分电路、电压比较器、单稳态触发器，三者依次相连。所述微分电路将偏置翻转电路电压信号转化成周期性尖脉冲信号，微分电路中电容和电阻的具体数值由振动频率和时间常数决定。时间常数和振动周期应满足如下关系：，这样在偏置翻转电路信号的上升和下降沿，微分电路的输出电压就会出现较高的脉冲尖峰，从而有利于后级电压比较器处理；所述电压比较器，与微分电路相连，通过比较尖脉冲和直流参考电压，可将尖脉冲转化成矩形脉冲，该矩形脉冲的脉宽随振动频率发生变化，为了获得较好的转换效果，直流参考电压应小于50mv；所述单稳态触发器，与电压比较器相连，位于脉冲整形器的末端，可将脉宽变化的矩形脉冲转化成脉宽固定的矩形脉冲，利用该单稳态触发器可以得到脉宽和高电平固定不变的周期性矩形脉冲。综上所述，通过脉冲整形器可以将偏置翻转电路的输出电压转换为脉宽和高电平固定的矩形脉冲。

所述低通滤波器，如图4所示，位于信号调制电路的末端，由一阶滤波器和二阶sallen-key低通滤波器组成。低通滤波器可用于滤除脉宽和高电平固定的矩形脉冲中的交流分量以提取其直流分量，进而获得振动频率的具体数值。

从理论上分析，正弦振动频率的获取过程如下：

脉宽和高电平固定的周期性矩形脉冲具体数学表达式为：

中，表示脉冲宽度，表示周期，为输出电压高电平。函数的傅里叶级数形式可表示为：

从上式可以看出脉宽和高电平固定的周期性矩形脉冲的直流分量与脉冲宽度、周期、输出电压高电平有关。在振动过程中，若能保证和不变，则直流分量仅仅与周期有关，这样振动频率就可由直流分量确定。

三阶sallen-key低通滤波器传递函数的具体形式为：

其中，为一阶rc滤波器的截止频率，为二阶sallen-key滤波器的截止频率，为衰减系数。取值为0.707，以获得最大的通带频率响应；和的取值可为振动频率的，以获得较好的滤波效果。

如上所述，低通滤波器可以提取直流分量，通过直流分量计算振动频率的方法如下：

所述能量收集电路由偏置翻转电路、桥式整流电路和电源管理电路组成，如图5所示。偏置翻转电路在压电能量采集过程中减小压电能量收集器件电容充、放电过程中的能量损失，翻转压电陶瓷输出电压极性，使得输出电压与电流同相位，提高其功率因数，从而提高压电能量采集器的能量采集功率。桥式整流电路由二极管组成，其作用是将压电能量收集器件的交流电压整流成为直流电压，以方便后级电路供电。电源管理电路将整流后的直流电压升压为频率检测电路所需的供电电压。

所述能量收集电路在振动源振动过程中源源不断将机械振动能转化为直流电能，收集的直流电能为频率检测电路提供能源，从而实现振动频率传感器的自供电。

一种基于偏置翻转电路的自供电振动频率传感器，可以直接测量正弦振动频率，同时在一定频率范围内可以实现自供电，由振动机械能转化而来的电能供电，不需要外部电源提供电量。而且该系统相对比较简单、成本较低、在较宽的频率范围内具有比较准确的测量结果。

附图说明

图1是本发明基于偏置翻转电路的自供电振动频率传感器系统结构示意图；

图2是本发明所述偏置翻转电路原理示意图；

图3是本发明所述脉冲整形器原理示意图；

图4是本发明所述低通滤波器原理示意图；

图5是本发明所述能量收集电路原理示意图；

图6是实验装置结构示意图。

具体实施方式

所述具体实施例的实验装置如图6所示，包括：数字示波器、函数信号发生器、频率检测电路、能量收集电路、功率放大器、压电能量采集器、振动台。其中压电能量采集器通过夹钳固定在振动台上。

所述具体实施例中振动频率的最小值为200hz，截止频率和的取值为10hz。

所述压电能量采集器通过夹钳固定在振动台上。

所述函数信号发生器用于产生正弦信号，其中一路作为开关脉冲输入到频率检测和能量收集电路，另外一路通过功率放大器作用于振动台，为压电能量采集器提供稳定的正弦振动。

所述数字示波器用于测量和显示频率检测电路的输出电压，鉴于振动频率与输出电压成比例关系，所以根据输出电压可以直接得到振动频率。

具体实施方式如下：

函数信号发生器产生标准的正弦信号，经功率放大器放大后，作用于振动台；振动台会进行规律的正弦振动；固定于振动台上的压电能量采集器受正弦振动的影响，基于压电效应，压电悬臂梁上下两层的压电材料因振动而产生拉伸或压缩形变，形成正弦输出电流。此输出电流首先通过偏置翻转电路，当电流通过零点或符号发生变化时，偏置翻转电路的输出电压会发生变化，以实现对振动频率的跟踪。偏置翻转电路的输出电压经脉冲整形器和低通滤波器，进行脉宽固定和滤波处理，得到能够反映振动频率大小的直流分量，并在数字示波器上显示。另外，偏置翻转电路的输出交流电压经过桥式整流器变为直流电压，再通过电源管理电路将整流后的直流电压变换为频率检测电路所需的电源电压，为系统提供电力。