CN108775956A - 一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器，属于传感器技术领域。该传感器包括压电悬臂梁和数据采集传输板两部分，其中压电悬臂梁包括质量块、压电片和金属基板，质量块位于金属基板的一端，两片压电片分别分布在金属基板的上方、下方；数据采集传输板包括MCU、接口模块、实时时钟模块、电源模块、LED灯、RF模块，其中接口模块包括SWD接口、串口接口、外部I/O接口、压电悬臂梁接口，压电悬臂梁的模拟信号经压电悬臂梁接口传入MCU的A/D接口，MCU内部将压电悬臂梁的模拟信号转换为数字信号并通过RF模块接口传输至RF模块，RF模块将接收到的数字信号转换为射频信号输出，电源模块为数据采集传输板供电。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是指一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器。
背景技术
随着信息通信技术的不断进步，通信网络作为信息通信技术的重要基础，已经从人到人的通信发展到人与物以及物与物(M2M)，并逐渐趋向于从纵向的局部物物相连过渡到横向的跨应用、跨地域的物联网(Internet of things，IOT)。
在物联网的***中，对于传感器节点的要求不再像过去那样进行有线布设，传统的桥梁道路健康监测需要人工适时、定期去桥梁现场采集数据，监测***所需的各类传感器、线路失效后的无法及时处理都是由于桥梁作为物理世界中一个孤立、零散的服务末端没有形成连接造成的，在其维护过程中会带来巨大的人力和物力资源的浪费。目前在工业测控领域所使用的传感器，尤其是大型结构长期实时振动测试所用的加速度传感器，多采用惯性式位移传感器及配套的放大器进行结构振动加速度测试，该种传感器存在抗扰动能力差、易老化、可靠性差、动态响应慢、成本较高等缺点，容易造成测试数据的失真，很难满足目前工业测控领域对结构参数进行长期、实时、在线自动感知的要求。
无线传感器的设计使数据采集、数据转换、无线传输集成到一体，进行局域的数据传输和收集，以一种低成本、高效率的方式，实现人与物、物与物间的通信，但这些感知类网络通信技术一般都应用在局部区域内，网与网之间无法通信，这样就构成了一个个信息的孤岛，离真正实现全面互联互通、协同感知还有一定距离。若能利用如今各大运营商已建成的覆盖全国的有线、无线通信网络，就能够满足高带宽、数据远距离传输的要求。
本发明提供了一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器，是一种基于压电原理、信号转换以及无线通信的设备，具有数据采集、振动监测实时采集、无线传输等功能，它对结构振动的反应更加灵敏，内置A/D转换器将压电悬臂梁采集到的振动模拟信号转换成数字信号，通过433M频段与网关通信，信号穿透力增强，大大提高信号传输距离。传感器电路板通过单片机技术设计，增加了充电接口模块，可对无线悬臂梁传感器进行外部充电，避免了由于缺点而导致桥梁道路监测不及时的后果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器。
该无线振动悬臂梁传感器包括压电悬臂梁和数据采集传输板两部分，其中压电悬臂梁包括质量块、压电片和金属基板，质量块位于金属基板的一端，两片压电片分别分布在金属基板的上方、下方；数据采集传输板包括MCUMicrocontroller Unit(简称MCU)、接口模块、实时时钟模块、电源模块、LED灯、RF模块，其中接口模块包括SWD接口、串口接口、外部I/O接口、压电悬臂梁接口，压电悬臂梁的模拟信号经压电悬臂梁接口传入MCU的A/D接口，MCU内部将压电悬臂梁的模拟信号转换为数字信号并通过RF模块接口传输至RF模块，RF模块将接收到的数字信号转换为射频信号输出，电源模块为数据采集传输板供电。
其中：
所述数据采集传输板中的接口模块、实时时钟模块、电源模块、LED灯、RF模块均位于MCU外部，压电悬臂梁接口、A/D接口、RF模块接口均位于MCU内部。
电源模块既支持将压电悬臂梁产生的震动能量转化为电能进行供电，又支持外接电源供电。
A/D接口的分辨率>12bit，采样率小于50Hz；压电悬臂梁接口输入模拟信号的电平范围为0V～40V，带宽为0Hz～50Hz。
RF模块的静态功耗电流低于0.3uA，待机模式下功耗为200nA，具有低功耗和休眠唤醒工作模式，输出的射频信号频段为433MHz，通信速率>38.4KPBS。
MCU的静态功耗电流低于1uA，位宽>32bit。
悬臂梁的尺寸参数可根据监测目标的振动基频进行调整。
串口接口能够与电脑连接，通过电脑中的上位机读取和下载无线振动悬臂梁传感器中的原始数据。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
该无线振动悬臂梁传感器具有数据采集、振动监测实时采集、无线传输等功能，对结构振动的反应更加灵敏，通过无线通信的方式与网关通信，能够远程实时监控被监测对象工作状态，避免了人工采集数据的繁琐，同时支持自行供电和外部供电两种供电方式，既保证了工作的安全可靠，又节约了成本。
附图说明
图1为本发明一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器的无线振动悬臂梁传感器方案设计框图；
图2为本发明的压电悬臂梁结构示意图；
图3为本发明的无线振动悬臂梁监测数据传输示意图。
其中：1-MCU，2-SWD接口，3-串口接口，4-外部I/O接口，5-压电悬臂梁接口，6-A/D接口，7-LED灯，8-实时时钟模块，9-RTC接口，10-RF模块接口，11-RF模块，12-电源模块，13-射频信号，14-质量块，15-压电片，16-金属基板，17-无线振动悬臂梁传感器，18-自由通信协议，19-433M数据流，20-太阳能，21-网关，22-锂电池，23-Socket协议，24-4G数据流，25-云平台，26-数据库。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器。
如图1、图2所示，该无线振动悬臂梁传感器17包括压电悬臂梁和数据采集传输板两部分，其中压电悬臂梁包括质量块14、压电片15和金属基板16，质量块14位于金属基板16的一端，两片压电片15分别分布在金属基板16的上方、下方；数据采集传输板包括MCU1、接口模块、实时时钟模块8、电源模块12、LED灯7、RF模块11，其中接口模块包括SWD接口2、串口接口3、外部I/O接口4、压电悬臂梁接口5，压电悬臂梁的模拟信号经压电悬臂梁接口5传入MCU1的A/D接口6，MCU1内部将压电悬臂梁的模拟信号转换为数字信号并通过RF模块接口10传输至RF模块11，RF模块11将接收到的数字信号转换为射频信号13输出，电源模块12为数据采集传输板供电。
其中：
所述数据采集传输板中的接口模块、实时时钟模块8、电源模块12、LED灯7、RF模块11均位于MCU1外部，压电悬臂梁接口5、A/D接口6、RF模块接口10均位于MCU1内部，MCU1内部还设有RTC接口9。
电源模块12既支持将压电悬臂梁产生的震动能量转化为电能进行供电，又支持外接电源供电；电源模块12内部具有升压-降压DC-DC功能；电源模块12本身静态功耗电流低于1uA。
A/D接口6的分辨率>12bit，采样率>50Hz；压电悬臂梁接口5输入模拟信号的电平范围为0V～40V，带宽为0Hz～50Hz。
RF模块11的静态功耗电流低于0.3uA(待机模式为200nA)，具有低功耗和休眠唤醒工作模式，输出的射频信号13频段为433MHz，通信速率>38.4kbps。
MCU1的静态功耗电流低于1uA，位宽>32bit。
串口接口3能够与电脑连接，通过电脑中的上位机读取和下载无线振动悬臂梁传感器17中的原始数据。
本发明的实施例如下：
MCU1采用ST意法半导体的STM32L152超低功耗32位ARMCortexM3处理器，其内部A/D接口分辨率为12bit；电源模块12采用凌特的LTC3331微能量搜集芯片，LTC3331内部升压-降压DC-DC模块将输入电压转化为3.3V电压输出；RF模块11采用TI的CC1101模块，采用433.5M频段进行通信，调制方式GFSK，通信速率38.4Kbps。
如图3所示，无线振动悬臂梁传感器17与网关21之间通过433MHz无线频率传输满足自由通信协议18的433M数据流19，网关21可通过太阳能20、锂电池22两种方式供电，网关21与云平台25之间通过4G无线网络传输满足Socket协议23的4G数据流24，从而搭建出无线振动悬臂梁传感器17至云平台25内部数据库26之间的传输通道，实现在云平台25远程监控无线振动悬臂梁传感器17的功能。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器，其特征在于：所述无线振动悬臂梁传感器(17)包括压电悬臂梁和数据采集传输板两部分，其中压电悬臂梁包括质量块(14)、压电片(15)和金属基板(16)，质量块(14)位于金属基板(16)的一端，两片压电片(15)分别分布在金属基板(16)的上方、下方；数据采集传输板包括MCU(1)、接口模块、实时时钟模块(8)、电源模块(12)、LED灯(7)、RF模块(11)，其中接口模块包括SWD接口(2)、串口接口(3)、外部I/O接口(4)、压电悬臂梁接口(5)，压电悬臂梁的模拟信号经压电悬臂梁接口(5)传入MCU(1)的A/D接口(6)，MCU(1)内部将压电悬臂梁的模拟信号转换为数字信号并通过RF模块接口(10)传输至RF模块(11)，RF模块(11)将接收到的数字信号转换为射频信号(13)输出，电源模块(12)为数据采集传输板供电。
2.根据权利要求1所述一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器，其特征在于：所述数据采集传输板中的接口模块、实时时钟模块(8)、电源模块(12)、LED灯(7)、RF模块(11)均位于MCU(1)外部，压电悬臂梁接口(5)、A/D接口(6)、RF模块接口(10)均位于MCU(1)内部。
3.根据权利要求1所述一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器，其特征在于：所述电源模块(12)既支持将压电悬臂梁产生的震动能量转化为电能进行供电，又支持外接电源供电。
4.根据权利要求1所述一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器，其特征在于：所述A/D接口(6)的分辨率>12bit，采样率＜50Hz；压电悬臂梁接口(5)输入模拟信号的电平范围为0～40V，带宽为0Hz～50Hz。
5.根据权利要求1所述一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器，其特征在于：所述RF模块(11)的静态功耗电流低于0.3uA，具有低功耗和休眠唤醒工作模式，输出的射频信号(13)频段为433MHz，通信速率＞38.4KBPS。
6.根据权利要求1所述一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器，其特征在于：所述MCU(1)的静态功耗电流低于1uA，位宽>32bit。
7.根据权利要求1所述一种基于压电的无线振动悬臂梁传感器，其特征在于：所述串口接口(3)能够与电脑连接，通过电脑中的上位机读取和下载无线振动悬臂梁传感器(17)中的原始数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181109 |