CN115018037B - 一种发电、传感集成无源冲击计数器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发电、传感集成无源冲击计数器，涉及机械冲击计数技术领域，包括：第一谐振梁以及设置在其上的发电压电元件；第二谐振梁以及设置在其上的传感压电元件；与第一谐振梁、第二谐振梁的一端连接且一体成型的固定机构，第一谐振梁、第二谐振梁通过固定机构电气短接，所述固定机构通过控制开关电气接地；与发电压电元件电连接，将因压电发电元件的形变而产生的电荷转换为电压的电源处理电路；与传感压电元件电连接，将因传感压电元件的形变而产生的电荷转换为电压，并获取电压的冲击信号的传感信号处理电路；与控制开关、电源处理电路、传感信号处理电路电连接以完成计数工作的微控制器；减小计数器的尺寸。

Description

一种发电、传感集成无源冲击计数器

技术领域

本发明涉及机械冲击计数技术领域，具体为一种发电、传感集成无源冲击计数器。

背景技术

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。

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。

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。

为了保证一定发电量，谐振梁固有频率应接近机构冲击频率，使谐振梁变形量最大。如果机构冲击中的几次冲击间隔时间短，第二次冲击到来时谐振梁振动还没有明显衰减，就无法利用谐振梁本身作为传感信号，传感压电元件必须与发电元件分离。传感压电元件固有频率越高，振动衰减越快，传感压电元件固有频率高于发电元件，保证第二次冲击到来时传感压电元件振动衰减明显减小。传感压电元件和发电元件都包括固定支撑部分，导致计数器尺寸较大。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决传感压电元件和发电元件都包括固定支撑部分，导致计数器尺寸较大的技术问题，本发明提供一种发电、传感集成无源冲击计数器。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种发电、传感集成无源冲击计数器，包括：

用于感知外部振动或加速度的第一谐振梁以及设置在其上的发电压电元件；

用于感知外部振动或加速度的第二谐振梁以及设置在其上的传感压电元件；

与第一谐振梁、第二谐振梁的一端连接且一体成型的固定机构，第一谐振梁、第二谐振梁通过固定机构电气短接，所述固定机构通过控制开关电气接地；

与发电压电元件电连接，将因发电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；

与传感压电元件电连接，将因传感压电元件的形变而产生的电荷转换为电压，并获取电压的冲击信号的传感信号处理电路；

与控制开关、电源处理电路、传感信号处理电路电连接以完成计数工作的微控制器。

进一步地，所述电源处理电路包括：

用于收集存储电荷的充电电容；

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；

串联在充电电容与微控制器之间，用于为微控制器提供稳定电压的稳压模块；

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。

进一步地，所述传感信号处理电路包括：

与传感压电元件并联的二极管D1，用于释放反向电荷；

串联的电阻R1和电阻R2，并联在二极管D1的后端，所述电阻R1和电阻R2之间与微控制器连接，用于AD采样；

串联的电阻R4和电阻R5，并联在二极管D1的后端，所述电阻R4和电阻R5之间与比较器U3的正极输入端连接；

串联的电阻R3和电阻R6，一端接电源、另一端接地，所述电阻R3和电阻R6之间与比较器U3的负极输入端连接；

比较器U3的输出端与微控制器连接，用于将高于阈值的信号转换为高电平。

进一步地，所述第一谐振梁、第二谐振梁的一端通过相配合的固定机构与壳体连接，所述第一谐振梁的另一端端部设置有敏感加速度的质量块。

进一步地，所述第一谐振梁的上、下侧均设置有发电压电元件，且上侧、下侧的发电压电元件的极性相反设置；所述第二谐振梁的上、下侧均设置有传感压电元件，且上侧、下侧的传感压电元件的极性相反设置。

进一步地，所述第二谐振梁的固有频率高于第一谐振梁的固有频率。

进一步地，还包括与微控制器连接的放电电路，所述放电电路用于电源处理电路放电。

进一步地，所述放电电路包括串联的放电电阻和控制开关。

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。

进一步地，所述通讯模块包括RFID芯片和天线。

本发明的有益效果如下：

本发明一种发电、传感集成无源冲击计数器，将第一谐振梁和第二谐振梁设置在同一个固定机构上且与固定机构一体成型，减小计数器的尺寸；固定机构导致第一谐振梁和第二谐振梁短接，因此在发电元件振动衰减完之前，固定机构作为共用电极电位对地变化，传感压电元件另一极由于传感压电元件压电片耦合对地电位也会随发电元件振动而变化，在第二次冲击到来之前通过微控制器控制控制开关闭合，将共用电极与地短路，使得传感压电元件不受发电元件影响，避免出现错误计数。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是本发明的发电、传感集成的俯视图；

图3是本发明的发电、传感集成的前视图；

图4是本发明的发电、传感集成的后视图；

图5是本发明的电源处理电路图；

图6是本发明的传感信号处理电路图。

附图标记：

1-第一谐振梁、2-发电压电元件、3-第二谐振梁、4-传感压电元件、5-固定机构、6-质量块。

具体实施方式

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。

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。

实施例1

如图1、图2、图3、图4所示，本实施例提供一种发电、传感集成无源冲击计数器，包括：

用于感知外部振动或加速度的第一谐振梁1以及设置在其上的发电压电元件2；通过其他元件或者设备传递过来的振动，促使第一谐振梁1做相应的形变，进而带动其上的发电压电元件2(压电片)做相应的形变，产生电荷。发电压电元件2与第一谐振梁1构成发电模块。

用于感知外部振动或加速度的第二谐振梁3以及设置在其上的传感压电元件4；通过其他元件或者设备传递过来的振动，促使第二谐振梁3做相应的形变，进而带动其上的传感压电元件4(压电片)做相应的形变，产生电荷。传感压电元件4与第二谐振梁3构成传感模块。

与第一谐振梁1、第二谐振梁3的一端连接且一体成型的固定机构5，第一谐振梁1、第二谐振梁3通过固定机构5电气短接，所述固定机构5通过控制开关电气接地；现有技术中，第一谐振梁1和第二谐振梁3是完全分离的，即第一谐振梁1和第二谐振梁3的一端分别与不同的固定机构5连接，在安装的时候，不同的两个固定机构5需要完全分离，这种设置方式会导致占用较大的安装空间，因此会使得计数器的体积相对较大。为了进一步减小计数器的体积，本发明将第一谐振梁1和第二谐振梁3的一端与固定机构5连接，节省了不同固定机构5之间的空间；固定机构5与第一谐振梁1和第二谐振梁3一体成型，避免了第一谐振梁1和第二谐振梁3需要借助螺栓等常规固定部件安装到固定机构5上，节省了固定部件的安装空间。由于第一谐振梁1和第二谐振梁3与固定机构5一体成型，因此导致了第一谐振梁1和第二谐振梁3通过固定机构5短接。固定机构5作为共用电极与地电位不等且随发电压电元件2变化，因此在发电压电元件2振动衰减完之前，共用电极电位对地变化，传感压电元件4另一极由于传感压电元件4压电片(等效为一个电容)耦合对地电位也会随发电元件振动而变化，因此无法有效屏蔽发电元件影响，为了克服这一问题，在第二次冲击到来之前通过微控制器控制控制开关闭合，将共用电极与地短路，使得传感压电元件4不受发电压电元件2影响。

与发电压电元件2电连接，将因发电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；其用于将发电压电元件2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。

与传感压电元件4电连接，将因传感压电元件4的形变而产生的电荷转换为电压，并获取电压的冲击信号的传感信号处理电路；其用于将传感压电元件4产生的电荷进行收集转换为电压，从而通过传感信号处理电路获取电压的冲击信号。在有些机构冲击中，每次机构特定冲击包括几次冲击，每次冲击幅值、时间间隔在一定范围内。可以通过测量冲击幅值(电压的幅值)、时间间隔判断是否为机构冲击，这种判断方式具有较高精度，可以消除绝大部分干扰。

与控制开关、电源处理电路、传感信号处理电路电连接以完成计数工作的微控制器。为了防止误计数，需要根据机构特定的冲击信号判断，满足机构特定的冲击信号时，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，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，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。

实施例2

在实施例1的基础之上，如图5所示，所述电源处理电路包括：

用于收集存储电荷的充电电容；

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；

串联在充电电容与微控制器之间，用于为微控制器提供稳定电压的稳压模块；

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。

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。目的是将发电压电元件2产生的电荷存储起来，并向后续电路提供稳定的电压。电源处理电路与发电压电元件2连接，通过整流电桥与充电电容的配合，对预定时间内发电压电元件2产生的多次电量进行累积，并产生对应的累积电压，能有效地将发电压电元件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。一般地，第一谐振梁1发电时Cc选取值为Cd值50～100倍即可达到较高利用率。

实施例3

在实施例1的基础之上，如图6所示，所述传感信号处理电路包括：

与传感压电元件4并联的二极管D1，用于释放反向电荷；

串联的电阻R1和电阻R2，并联在二极管D1的后端，所述电阻R1和电阻R2之间与微控制器连接，用于AD采样；

串联的电阻R4和电阻R5，并联在二极管D1的后端，所述电阻R4和电阻R5之间与比较器U3的正极输入端连接；

串联的电阻R3和电阻R6，一端接电源、另一端接地，所述电阻R3和电阻R6之间与比较器U3的负极输入端连接；

比较器U3的输出端与微控制器连接，用于将高于阈值的信号转换为高电平。

本实施例中，通过二极管D1对压电元件的发电区域输出的电压进行限幅。通过串联的电阻R1和电阻R2对电压进行分压处理后输入到微控制器中进行AD采样，便于获取冲击信号的幅值。通过串联的电阻R4和电阻R5对电压进行分压处理后输入到比较器U3的正极输入端，串联的电阻R3和电阻R6，一端接电源、另一端接地，所述电阻R3和电阻R6之间与比较器U3的负极输入端连接，通过比较器U3将高于阈值的信号转换为高电平，便于微控制器获取冲击信号的时间点，低于阈值则认为是干扰，高电平出现的时间与R4、R5间电压作为是否机构冲击的判断依据。

实施例4

在实施例1的基础之上，如图2、图3、图4所示，所述第一谐振梁1、第二谐振梁3的一端通过相配合的固定机构5与壳体连接，所述第一谐振梁1的另一端端部设置有敏感加速度的质量块6。

本实施例中，在具体使用时，第一谐振梁1和第二谐振梁3的一端通过固定机构5与壳体连接，第一谐振梁1的另一端的端部设置有质量块6，用于通过质量块6接收外界的振动，质量块6在冲击加速度作用下产生惯性力使第一谐振梁1产生振动变形，贴在第一谐振梁1表面的发电压电元件2感受相同的变形，发电压电元件2变形产生电荷。第二谐振梁3接收外界的振动产生振动变形，贴在第二谐振梁3表面的传感压电元件4感受相同的变形，传感压电元件4变形产生电荷

实施例5

在实施例1的基础之上，如图3、图4所示，所述第一谐振梁1的上、下侧均设置有发电压电元件2，且上侧、下侧的发电压电元件2的极性相反设置；所述第二谐振梁3的上、下侧均设置有传感压电元件4，且上侧、下侧的传感压电元件4的极性相反设置。

本实施例中，当产生竖直方向上的振动时，以第一谐振梁1为例，质量块6会随之上下振动，第一谐振梁1弯曲，在某一个时刻第一谐振梁1的上侧是拉伸的，下侧必然是压缩的，此时若上侧发电压电元件2的上表面出现正电荷，下表面(靠近第一谐振梁1的表面)出现负电荷，如果两个发电压电元件2是同相设置的，则下侧元件的上表面(靠近第一谐振梁1的表面)应该出现负电荷，下表面出现正电荷，两片发电压电元件2直接串联后电荷将抵消，所以只有当两个发电压电元件2反相设置时，两片发电压电元件2的电荷才不会被抵消,如果两发电压电元件2同向设置，也可以通过接线方式将其中一个发电压电元件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发电压电元件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。第二谐振梁3与第一谐振梁1的原理相同，只是第二谐振梁3的另一端的端部没有设置质量块6，第二谐振梁3的振动幅度相对较小。

实施例6

在实施例1的基础之上，所述第二谐振梁3的固有频率高于第一谐振梁1的固有频率。

本实施例中，传感压电元件4固有频率高于发电压电元件2，保证第二次冲击到来时传感压电元件4振动衰减明显减小。

实施例7

在实施例1的基础之上，还包括与微控制器连接的放电电路，所述放电电路用于电源处理电路放电。

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，当微控制器根据冲击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。

实施例8

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。

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。

Claims (9)

1.一种发电、传感集成无源冲击计数器，其特征在于，包括：

用于感知外部振动或加速度的第一谐振梁以及设置在其上的发电压电元件；

用于感知外部振动或加速度的第二谐振梁以及设置在其上的传感压电元件；

与第一谐振梁、第二谐振梁的一端连接且一体成型的固定机构，第一谐振梁、第二谐振梁通过固定机构电气短接，所述固定机构通过控制开关电气接地；

与发电压电元件电连接，将因发电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；

与传感压电元件电连接，将因传感压电元件的形变而产生的电荷转换为电压，并获取电压的冲击信号的传感信号处理电路；

与控制开关、电源处理电路、传感信号处理电路电连接以完成计数工作的微控制器；

所述电源处理电路包括：

用于收集存储电荷的充电电容；

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；

串联在充电电容与微控制器之间，用于为微控制器提供稳定电压的稳压模块；

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。

2.根据权利要求1所述的一种发电、传感集成无源冲击计数器，其特征在于，所述传感信号处理电路包括：

与传感压电元件并联的二极管D1，用于释放反向电荷；

串联的电阻R1和电阻R2，并联在二极管D1的后端，所述电阻R1和电阻R2之间与微控制器连接，用于AD采样；

串联的电阻R4和电阻R5，并联在二极管D1的后端，所述电阻R4和电阻R5之间与比较器U3的正极输入端连接；

串联的电阻R3和电阻R6，一端接电源、另一端接地，所述电阻R3和电阻R6之间与比较器U3的负极输入端连接；

比较器U3的输出端与微控制器连接，用于将高于阈值的信号转换为高电平。

3.根据权利要求1所述的一种发电、传感集成无源冲击计数器，其特征在于，所述第一谐振梁、第二谐振梁的一端通过相配合的固定机构与壳体连接，所述第一谐振梁的另一端端部设置有敏感加速度的质量块。

4.根据权利要求1所述的一种发电、传感集成无源冲击计数器，其特征在于，所述第一谐振梁的上、下侧均设置有发电压电元件，且上侧、下侧的发电压电元件的极性相反设置；所述第二谐振梁的上、下侧均设置有传感压电元件，且上侧、下侧的传感压电元件的极性相反设置。

5.根据权利要求1所述的一种发电、传感集成无源冲击计数器，其特征在于，所述第二谐振梁的固有频率高于第一谐振梁的固有频率。

6.根据权利要求1所述的一种发电、传感集成无源冲击计数器，其特征在于，还包括与微控制器连接的放电电路，所述放电电路用于电源处理电路放电。

7.根据权利要求6所述的一种发电、传感集成无源冲击计数器，其特征在于，所述放电电路包括串联的放电电阻和控制开关。

8.根据权利要求1所述的一种发电、传感集成无源冲击计数器，其特征在于，还包括通讯模块，所述通讯模块用于微控制器与外界通信。

9.根据权利要求8所述的一种发电、传感集成无源冲击计数器，其特征在于，所述通讯模块包括RFID芯片和天线。