一种自供电无线振动传感器及提升其工作时长的方法与流程

1.本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种自供电无线振动传感器及提升其工作时长的方法。


背景技术：

2.随着无线技术的发展，无线传感器、无线传输、无线式分布系统都得到了充分的应用，为核电站设备和管道的无线式振动测量，奠定了良好的基础。通过现场无线传感器的布置搭建物联网来获取设备的运行状态数据；通过搭建设备智能运行监测平台解决设备运行数据获取及存储、分发、建模的问题；应用智能算法对数据进行分析处理，给出设备准确的运行状态。从而帮助客户实现设备的全方位智能监测、有效的降低设备过失、失修风险，减少设备的非计划停机，进行设备的全生命周期管理，提升部件可利用率，优化备件管理，提升设备运行效率。
3.由于振动监测要求无线传感器频率响应较高，因此采样率也很高，无线传感器单通道采样率最高51200，导致数据量大，无线传输时间久，无线振动传感器内部如图1所示，需要集成压电振动加速度芯体、调理电路、adc、mcu、射频发射等电路，无线传感器如果一直实时采集监测，工作时间不会超过10天；为了保证无线传感器工作时间，目前无线振动传感器主要有以下几种工作方式：
4.间隔采集计算发送，mcu间隔一段时间唤醒电路，比如30min采集发送一次，其他时间低功耗不监测。
5.间隔采集计算，不发送，到一定周期发送，降低无线发射功耗，其他时间低功耗不监测。
6.间隔采集计算，并在mcu进行阈值判断，比如通过振动速度有效值进行判断，如果超出阈值再推送波形数据，其他时间低功耗不监测，进一步降低整体功耗，延长工作时间。
7.不论采用哪种方式，如果监测间隔设置很密，电池工作时间很难保证，比如设置10s间隔，电池寿命一般1个月不到，而且监测间隔内如果出现异常，无法监测到，会导致核电设备和管道的在线监测存在安全隐患。


技术实现要素：

8.技术问题：为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种自供电无线振动传感器及提升其工作时长的方法。
9.技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
10.一种自供电无线振动传感器，包括依次连接的压电振动加速度芯体、实时阈值触发电路、射随及抗混叠滤波模块、模数转换器、mcu和射频发射电路，所述mcu与电池模块连接，所述电池模块包括电池和电源供电管理电路，所述电源供电管理电路与所述射随及抗混叠滤波模块和模数转换器分别连接，所述电池与所述实时阈值触发电路连接，所述实时阈值触发电路包括依次连接的调理电路、带通滤波电路、积分电路、有效值检测电路和比较
器触发电路，所述比较器触发电路与所述mcu连接，所述调理电路与所述比较器触发电路连接。
11.进一步的，所述实时阈值触发电路还包括与所述比较器触发电路连接的数字电位器，所述数字电位器与所述mcu连接。
12.进一步的，所述调理电路包括高输入阻抗运算放大器和阻容电路；所述带通滤波电路包括第一运算放大器和第二运算放大器；所述有效值检测电路包括有效值计算芯片。
13.进一步的，所述mcu还连接有实时时钟电路、系统时钟电路和存储芯片。
14.进一步的，所述高输入阻抗运算放大器采用低功耗运算放大器opa336，输入阻抗10
13
ω，带宽100khz；所述第一运算放大器和第二运算放大器采用纳瓦级功率运算放大器tlv8542；所述有效值计算芯片采用低功耗真有效值芯片ltc1966。
15.本发明还提供了一种提升自供电无线振动传感器工作时长的方法，用于上述的自供电无线振动传感器，包括以下步骤：
16.s1、压电振动加速度芯体感应振动加速度，经过调理电路转换成加速度信号；
17.s2、比较器触发电路通过加速度信号或者振动速度信号有效值触发，唤醒mcu采集数据；
18.s3、mcu将采集的数据通过射频发射电路发送；
19.进一步的，所述步骤s2中比较器触发电路通过振动速度信号有效值触发，唤醒mcu采集数据，具体包括以下步骤：
20.s2.1.1、加速度信号经过带通滤波电路，滤除不需要的频率成分；
21.s2.1.2、经过滤波后的加速度信号再通过积分电路积分成振动速度信号；
22.s2.1.3、得到的振动速度信号通过有效值检测电路转换输出振动速度信号有效值，即得到所需频率范围内的振动速度信号有效值；
23.s2.1.4、振动速度信号有效值滤波后送入比较器触发电路，与比较器的比较电压进行比较，当振动速度信号有效值大于比较电压时，即振动速度大于振动速度阈值时，则触发中断，唤醒mcu采集数据；
24.进一步的，所述步骤s2中比较器触发电路通过加速度信号触发唤醒mcu采集数据，具体包括以下步骤：
25.s2.2.1、经过调理电路后的加速度信号直接发送到比较器触发电路，与比较器触发电路的阈值电压进行比较，当所述加速度信号大于阈值电压时，即振动加速度值超过振动加速度阈值时，触发上升沿中断，唤醒mcu采集数据。
26.进一步的，所述步骤s3前，mcu间隔t1时间通过内部定时器唤醒模拟供电电路，射随及抗混叠滤波模块、模数转换器和mcu参与工作，工作时长为t2，t2时间段内mcu记录压电振动加速度芯体采集的数据。
27.进一步的，所述步骤s2.1.4中比较电压通过数字电位器调节，数字电位器与mcu连接。
28.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
29.1、设置实时阈值触发电路，对振动进行实时监测阈值判断，在保证监测的连贯性的同时降低传感器耗电量，提升传感器工作时长，减少设备或管道安全隐患；
30.2、压电振动加速度芯体产生的电信号经过调理电路后一分为二，一路进实时阈值
触发电路，另一路进入常规的adc采集，平常处于关断状态，间隔一段时间唤醒，两种工作结合方式可以保证状态监测的实时性和数据的记录可追溯性；
31.3、实时阈值触发电路可以通过两种阈值触发方式，第一种采用振动速度信号有效值触发，包含有频率的信息，兼顾了振动过程的时间历程，反映了振动系统的总体能量，且振动烈度国际标准推荐用振动速度有效值进行设备分级评判；而第二种阈值触发方式采用加速度信号触发，相比于振动速度有效值触发少了积分和有效值计算电路，功耗更低。
附图说明
32.图1是现有技术中自供电无线振动传感器设计框图；
33.图2是本发明自供电无线振动传感器设计框图；
34.图3是振动速度信号有效值可配置阈值触发电路图；
35.图4是加速度信号可配置阈值触发电路图。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
37.如图2所示，一种自供电无线振动传感器，包括依次连接的压电振动加速度芯体、实时阈值触发电路、射随及抗混叠滤波模块、模数转换器、mcu(微控制单元)和射频发射电路，压电振动加速度芯体采用高线性度高频响特性pzt压电陶瓷制作，通过三角剪切结构和质量块固定后封装到金属屏蔽壳，并通过绝缘材料与无线传感器外壳胶体粘接，压电振动加速度芯体用于感应设备和管道上的振动加速度信号；实时阈值触发电路包括依次连接的调理电路、带通滤波电路、积分电路、有效值检测电路和比较器触发电路，比较器触发电路与mcu连接，调理电路还直接与比较器触发电路连接；射随及抗混叠滤波模块包括射极跟随器和抗混叠滤波器；压电振动加速度芯体遇到振动后会产生电信号，通过调理电路后一分为二，一路通过实时阈值触发电路，对振动进行实时监测阈值判断，另一路和现有的振动传感器做法一样通过模数转换器(adc)采集，这一路平常处于关断状态；mcu与电池模块连接，电池提供mcu电源电池模块包括电池和电源供电管理电路，电池采用9000ah一次性锂亚电池，电源供电管理电路与射随及抗混叠滤波模块和模数转换器分别连接，从而提供电源，同时电池与实时阈值触发电路直接连接，给其提供电源。mcu还连接有实时时钟电路、系统时钟电路和存储芯片，存储芯片用于数据存储，实时时钟电路(rtc)用于提供精确的时间基准，系统时钟电路用于产生内部时间。射频发射电路用于通过无线方式将信号发送出去。
38.如图2和图3所示，实时阈值触发电路还包括数字电位器u3，数字电位器u3与比较器触发电路和mcu均连接，比较器触发电路中比较器的比较电压可通过mcu控制数字电位器u3进行配置，以应对不同设备的不同振动速度有效值阈值要求；
39.如图3所示，压电振动加速度芯体为无源器件，不需要供电，其感应振动加速度，为高阻抗输入，调理电路包括高输入阻抗运算放大器u1和阻容电路，经过高输入阻抗运算放大器u1及阻容电路组成的电压阻抗变换电路转换成加速度信号，加速度信号为电压，电压和加速度关系可通过灵敏度k换算，两者之间是线性关系，a＝u/k,a加速度，u为电压，k为灵敏度)；
40.带通滤波电路包括第一运算放大器u2a和第二运算放大器u2b；加速度信号由第一运算放大器u2a和第二运算放大器u2b组成的带通滤波电路滤除不需要的频率成分；
41.积分电路包括第三运算放大器u5b，加速度信号通过第三运算放大器u5b积分电路积分成振动速度信号；
42.有效值检测电路包括有效值计算芯片u4，振动速度信号通过有效值计算芯片u4转换输出振动速度信号有效值，即得到所需频率范围内的振动速度信号有效值；
43.比较器触发电路包括比较器u5a，振动速度信号有效值通过crc电路硬件(图3中c11、r14和c12组成的电路)滤波后送比较器，比较器u5a的比较电压(对应振动速度信号有效值阈值)可通过mcu控制数字电位器u3进行配置，以应对不同设备的不同振动速度信号有效值阈值要求；
44.如果振动速度信号有效值大于比较电压，则代表检测的振动速度有效值超出根据振动烈度标准设置的振动速度有效值阈值，则比较器触发电路触发唤醒mcu进行数据采集处理；
45.整个实时阈值触发电路采用低功耗设计，高输入阻抗运算放大器u1采用低功耗高输入阻抗及宽输入带宽运放opa336，输入阻抗1013ω，带宽100khz，静态功耗20ua；第一运算放大器u2a、第二运算放大器u2b、第三运算放大器u5b和比较器u5a采用纳瓦级功率运算放大器tlv8542，单个器件功率1ua；有效值计算芯片u4选择低功耗真有效值芯片ltc1966，功耗最大170ua；数字电位器u3选择低功耗数字电位器，静态电流500na，mcu通过接口配置电阻值调整所需配置的振动速度信号有效值阈值，配置阈值掉电不丢失。
46.整个低功耗实时阈值触发电路功耗200ua以内，mcu及外围电路低功耗时5ua以内，整个振动传感器配置9000ah一次性锂亚电池，实时状态监测工作时间达4年以上。
47.本实施例还提供了一种提升自供电无线振动传感器工作时长的方法，用于上述自供电无线振动传感器，包括以下步骤：
48.s1、压电振动加速度芯体感应振动加速度，经过调理电路转换成加速度信号。
49.s2、比较器触发电路通过振动速度信号有效值触发，唤醒mcu采集数据，包括以下步骤：
50.s2.1.1、加速度信号经过带通滤波电路，滤除不需要的频率成分；
51.s2.1.2、经过滤波后的加速度信号再通过积分电路积分成振动速度信号；
52.s2.1.3、得到的振动速度信号通过有效值检测电路转换输出振动速度信号有效值，即得到所需频率范围内的振动速度信号有效值；
53.s2.1.4、振动速度信号有效值滤波后送入比较器触发电路，与比较器的比较电压进行比较，当振动速度信号有效值大于比较电压时，即振动速度大于振动速度阈值时，则触发中断，唤醒mcu采集数据；
54.s3、mcu间隔t1时间通过内部rtc定时器唤醒模拟供电电路，t1默认12小时，可以通过无线进行配置，射随及抗混叠滤波模块、模数转换器和mcu参与工作，工作时长为t2，t2默认5s，可以通过无线进行配置，t2时间段内mcu记录压电振动加速度芯体采集的数据。因为实时阈值触发电路一直在进行实时监测，可以将唤醒间隔t1设置的更长，偶尔获取数据进行记录分析；
55.s4、实时阈值触发电路触发mcu采集的数据和mcu间隔时间采集的数据都在mcu唤
醒后通过射频发射电路发送出去，mcu发送一次数据后进入低功耗。通过实时阈值触发电路触发和间隔工作结合方式可以保证状态监测的实时性和数据的记录可追溯性。
56.如图4所示，提升自供电无线振动传感器工作时长的方法还有另一种实施方式，与第一种实施方式不同的地方在于，步骤s2中比较器触发电路通过加速度信号触发，唤醒mcu采集数据，具体包括：
57.s2.2.1、经过调理电路后的加速度信号直接发送到比较器触发电路，与比较器触发电路的阈值电压进行比较，当所述加速度信号大于阈值电压时，即振动加速度值超过振动加速度阈值时，触发上升沿中断，唤醒mcu采集数据。
58.为了降低振动的加速度信号峰值误触发概率，振动加速度阈值可以通过大量数据自学习后获得。
59.以上仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种自供电无线振动传感器，其特征在于，包括依次连接的压电振动加速度芯体、实时阈值触发电路、射随及抗混叠滤波模块、模数转换器、mcu和射频发射电路，所述mcu与电池模块连接，所述电池模块包括电池和电源供电管理电路，所述电源供电管理电路与所述射随及抗混叠滤波模块和模数转换器分别连接，所述电池与所述实时阈值触发电路连接，所述实时阈值触发电路包括依次连接的调理电路、带通滤波电路、积分电路、有效值检测电路和比较器触发电路，所述比较器触发电路与所述mcu连接，所述调理电路与所述比较器触发电路连接。2.根据权利要求1所述的自供电无线振动传感器，其特征在于，所述实时阈值触发电路还包括与所述比较器触发电路连接的数字电位器，所述数字电位器与所述mcu连接。3.根据权利要求2所述的自供电无线振动传感器，其特征在于，所述调理电路包括高输入阻抗运算放大器和阻容电路；所述带通滤波电路包括第一运算放大器和第二运算放大器；所述有效值检测电路包括有效值计算芯片。4.根据权利要求3所述的自供电无线振动传感器，其特征在于，所述mcu还连接有实时时钟电路、系统时钟电路和存储芯片。5.根据权利要求3所述的自供电无线振动传感器，其特征在于，所述高输入阻抗运算放大器采用低功耗运算放大器opa336，输入阻抗10
13
ω，带宽100khz；所述第一运算放大器和第二运算放大器采用纳瓦级功率运算放大器tlv8542；所述有效值计算芯片采用低功耗真有效值芯片ltc1966。6.一种提升自供电无线振动传感器工作时长的方法，用于如权利要求1-5中任一项所述的自供电无线振动传感器，其特征在于，包括以下步骤：s1、压电振动加速度芯体感应振动加速度，经过调理电路转换成加速度信号；s2、比较器触发电路通过加速度信号或者振动速度信号有效值触发，唤醒mcu采集数据；s3、mcu将采集的数据通过射频发射电路发送。7.根据权利要求6所述的提升自供电无线振动传感器工作时长的方法，其特征在于，所述步骤s2中比较器触发电路通过振动速度信号有效值触发，唤醒mcu采集数据，具体包括以下步骤：s2.1.1、加速度信号经过带通滤波电路，滤除不需要的频率成分；s2.1.2、经过滤波后的加速度信号再通过积分电路积分成振动速度信号；s2.1.3、得到的振动速度信号通过有效值检测电路转换输出振动速度信号有效值，即得到所需频率范围内的振动速度信号有效值；s2.1.4、振动速度信号有效值滤波后送入比较器触发电路，与比较器的比较电压进行比较，当振动速度信号有效值大于比较电压时，即振动速度大于振动速度阈值时，则触发中断，唤醒mcu采集数据。8.根据权利要求6所述的提升自供电无线振动传感器工作时长的方法，其特征在于，所述步骤s2中比较器触发电路通过加速度信号触发唤醒mcu采集数据，具体包括以下步骤：s2.2.1、经过调理电路后的加速度信号直接发送到比较器触发电路，与比较器触发电路的阈值电压进行比较，当所述加速度信号大于阈值电压时，即振动加速度值超过振动加速度阈值时，触发上升沿中断，唤醒mcu采集数据。
9.根据权利要求6所述的提升自供电无线振动传感器工作时长的方法，其特征在于，所述步骤s3前，mcu间隔t1时间通过内部定时器唤醒模拟供电电路，射随及抗混叠滤波模块、模数转换器和mcu参与工作，工作时长为t2，t2时间段内mcu记录压电振动加速度芯体采集的数据。10.根据权利要求7所述的提升自供电无线振动传感器工作时长的方法，其特征在于，所述步骤s2.1.4中比较电压通过数字电位器调节，数字电位器与mcu连接。

技术总结
本发明公开了一种自供电无线振动传感器及提升其工作时长的方法，属于集成电路技术领域，该无线振动传感器包括依次连接的压电振动加速度芯体、实时阈值触发电路、射随及抗混叠滤波模块、模数转换器、MCU和射频发射电路，MCU与电池模块连接，电源供电管理电路与射随及抗混叠滤波模块和模数转换器分别连接，实时阈值触发电路包括依次连接的调理电路、带通滤波电路、积分电路、有效值检测电路和比较器触发电路，比较器触发电路与MCU连接。本发明设置实时阈值触发电路，在保证监测的连贯性的同时降低传感器耗电量，提升传感器工作时长；两种工作结合方式可以保证状态监测的实时性和数据的记录可追溯性；实时阈值触发电路可以通过两种阈值触发方式。阈值触发方式。阈值触发方式。


技术研发人员：杨堃 马建伟 付江永 郭述志 操丰 戚哲 张朝旭 王植 张锴 王赤虎 秦炎锋
受保护的技术使用者：江苏联能电子技术有限公司 上海核工程研究设计院股份有限公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/10/5