专利名称：压电换能器及基于压电能量回收的智能无线传感网络节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于工程结构健康监测的装置，尤其涉及一种可以回收能量无需 能量供给的智能无线传感网络节点。同时涉及一种应用于压电能量回收的压电换能器
背景技术：
结构健康监测技术是智能结构技术的一个分支，随着当前对飞行器结构、大型基 础设施结构的安全性的日益关注，该项技术越来越受到人们的重视。结构健康监测是一门 利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信 息，对结构中存在的不安全因素在其早期就加以控制和消除的新型交叉学科。目前，结构健 康监测技术主要分为主动监测和被动监测。被动的结构监测技术是分析系统来自自身的信 号来判断系统状态；而主动监测技术则首先需要对被监测的结构进行激励，然后再测量其 响应信号。在主动监测中，基于超声lamb波的方法是研究最多，也是最有应用前景的一项 技术。这种方法主要是通过对传感信号和散射信号的分析来获取结构的健康状态，即当传 感器所采集的信号偏离了结构在正常状态下的参考信号时，就表明结构材料发生了异常情 况。此外，在结构健康监测中，为了消除复杂的通信线路设施，降低成本，无线传感网络得到 了广泛应用。然而，采用无线传感网络的健康监测系统的一个主要问题就是如何为无线传感器 节点提供持续的供电。目前电池是供电的主要手段，然而在过去的十多年里，与数据处理、 存储和通讯技术的飞速进步相比，电池技术进步缓慢。虽然电池可以持续稳定产生电源，但 其寿命非常有限，通常几个月到一年就需要更换。然而一个健康监测系统通常要服务十几 年甚至几十年，在实际工程中频繁更换电池不仅工作量大，成本也很高；另外在很多应用场 合，无线传感器的节点常被安装在有毒、辐射等恶劣环境中，更换电池极不方便，甚至也不 可能。这样，如果能够获取周围环境中的能量，就可以用来替代电池或对电池充电。通常 把利用一种系统从周围环境中获取能量并将其转化为可利用的能量的过程叫做能量回收。 与太阳能、热能能量回收相比，机械振动能不易受环境因素变化影响，普遍存在，而且易于 微机电系统集成。目前，将振动的机械能进行回收主要有三种方式电磁式、静电式和压电 式能量回收。电磁能量的取得是通过磁场把机械能转化为电能。这种方式产生的感应电压量很 小，使用变压器、提高线圈圈数和提高磁场强度可以提高感应电压，但这些方法都受到尺寸 的限制。静电能量的取得是通过变容二极体因振动造成的容量变化来实现，这种方法最吸 引人的特性是具有IC相容性，可以通过硅微加工技术制造，并进行批量生产。与电磁式相 比，静电的方式在同等尺寸具有更高的输出电压，为了实现电容两端的电压约束或电容的 电荷约束，需要独立的电源支持。压电能量的取得则是通过压电效应把机械能转换为电能， 因其具有较高的机电耦合性能和无需外部供电、结构简单、不发热、无电磁干扰、寿命几乎 无限等优势，近年来得到了人们更多的关注。麻省理工学院早期曾研究并证实了利用压电陶瓷收集人行走时产生能量的可行性。专利号为200710048553. 4、名称为“基于压电振动发电的自供电微型无线传感网 络节点”的中国发明专利公开了一种可进行能量加收的微型无线传感网络节点，其技术方 案的无线传感网络节点采用压电换能器作为将机械能转换为电能的装置，再采用一储能电 容储能以对其他部件供电。该专利技术方案中的压电换能器采用的是一般结构的悬臂梁。专利号为200610041132. 4、名称为“用于工程结构健康监测的智能无线传感网络 节点”的中国发明专利公开了一种针对工程结构健康监测的智能化无线传感网络节点，用 于组建大型工程结构的健康监测网络。虽然该技术方案的智能无线传感网络节点也为低功 耗设计，但是其需要额外的电源进行供电。

发明内容
1、技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种用于工程结构健康监测的能量 自给的无线传感网络节点，以组建面向实际工程结构健康监测的无线传感节点，该无线传 感网络节点可以利用结构振动能对本身进行能理供给，无需外界另设电源；同时，本发明提 供了一种与外界机械振能耦合效果更好的压电换能器。2、技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的用于工程结构健康监测的能量自给的无线传 感网络节点包括能量回收单元、电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理单元， 其中，所述的能量回收单元包括压电换能器、接口电路、储能电容和电源管理模块，所述的 压电换能器包括一端与外界结构连接的悬臂梁，悬臂梁另一端设有质量块，其中，悬臂梁与 外界结构连接的一端的厚度大于另一端的厚度；所述的电阻应变传感器信号调理单元包括 电阻应变传感器恒压电桥电路、电压放大及有源低通滤波器模块；所述的无线收发和数据 处理单元包括低功耗无线收发器、用于处理数据和无线通讯控制的微处理器、数据存储器、 输入/输出口、片内数模转换器和系统时钟，它们通过共享的内部总线相连接；系统时钟处 理器向无线收发器和用于处理数据和无线通讯控制的微处理器发送时钟信号；能量回收单 元向电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理单元提供能量。所述的能量回收单元中，电源管理模块包括一个低功耗的第五电压比较器、一个 第三场效应管、一个第六场效应管、一个低功耗的直流-直流转换器，以及第七电阻、第八 电阻和第九电阻，第八电阻一端与第五电压比较器的正向输入端连接，另一端与能量回收 单元中的储能电容的正端连接；第九电阻一端与第五电压比较器的正向输入端连接，另一 端接地；第五电压比较器的输出端出端与第六场效应管的基极连接，第六场效应管的发射 极接地，第六场效应管的集电极与第三场效应管的基极连接，第三场效应管的发射极与能 量回收单元中的储能电容的正端连接；第三场效应管的集电极能过电感与直流-直流转换 器连接，直流-直流转换器输出端与电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理 单元连接向其供电。上述的两个场效应管组成了 一个开关，第五电压比较器配合构成了一 个阀值开关电路，即当储能电容中的电能累积到一定程度时(电压超过某一设定值时)，第 五电压比较器发出信号打开两个场效应管组成的开关，使储能电容中的电能通过低功耗的 直流-直流转换器转化成稳定的直流电源，为电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和 数据处理单元供电。
本发明的能量回收单元中的压电换能器采用优化的悬臂梁结构，其包括一端与外界结构连接的悬臂梁，悬臂梁另一端设有质量块，悬臂梁上至少贴设一个压电片，悬臂梁与 外界结构连接的一端的厚度大于设有质量块的一端的厚度，一般地，悬臂梁与外界结构连 接的一端的厚度与设有质量块的一端的厚度比为？ _ 。该结构的压电换能器其与外界环 境中的振动有很好的机电耦合性，即此种梁在很大的一个长度范围应力都是变化不大的， 并且它的一阶共振频率可以通过改变梁末端的质量块的质量进行调节。该压电换能器采用 变截面的悬臂梁，悬臂梁的上、下两面各贴设一个并联连接的压电片。两个压电片组成，其 与单个压电片组成的换能器相比，输出电压不变，电流是后者的两倍。由于压电片上的电压 输出是交流信号，这就需要一个交流-直流(AC-DC)变换接口电路。本发明中采用的高效低 功耗的接口电路是基于ESSH技术(Enhanced Synchronized Switch Harvesting即增强型 同步开关回收技术)，该接口电路的技术方案记载于专利号为CN200910027730. X的发明专 利中，这种接口电路不仅与标准接口相比回收功率极大的提高，同时克服了原有串联同步 开关电感方法回收功率随负载变化而变化的缺点。通过ESSH接口电路转化的电能最终储 存在一个超级电容中，其为电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理单元供电。针对结构健康监测系统中采用的传感器极其信号特点，设计的无线传感网络节点 必须能够直接与现有广泛应用的应变传感器相配接。电阻应变传感器是结构健康监测中 常用的传感元件，具有一系列的优点⑴测量精度和灵敏度高；⑵频率响应好，可测量从 静态到数十万赫的动态应变；(3)测量数值范围广；(4)由于其体积小，采用表面粘贴的方 法易于结构结合；(5)可在恶劣环境下，如高温、低温、高压液下、高速旋转、强磁场和核辐 射等环境中进行可靠监测；因此这种电阻应变元件在结构健康监测中被广泛的使用。但是 由于这种电阻应变元件感测到的信号一般比较微小，一般mV级，所以需要调理电路进行放 大，并去除电磁干扰信号。然而现有的调理电路基本上用十几伏电源供电，而且体积较大， 不能满足无线传感网络节点微型化和低功耗的要求，所以本技术方案的无线传感网络节点 采用了低功耗的电阻应变传感器信号调理单元。电阻应变传感器信号调理单元将结构上的 结构应力变化通过恒压惠更斯电桥电路转变为电信号，然后通过电压放大和RC低通滤波 器电路将恒压电桥电路的输出信号放大并滤除干扰信号，最终将经过调理的信号输出到无 线收发与数据处理单元中的片内数模转换器。所述的电阻应变传感器信号调理单元包括一 个控制开关、惠更斯电桥电路、电压放大和低通滤波电路；电压放大和低通滤波电路由第一 运算放大器和第二运算放大器组成；其中，控制开关一端与能量回收单元的输出端连接，另 一端与惠更斯电桥电路的第一端连接；惠更斯电桥电路的第二端通过第一电阻与第一运算 放大器的反向输入端连接，第四端与第一运算放大器的正向输入端连接，惠更斯电桥电路 的第三端接地；第一运算放大器的的输出端通过第三电阻与第二运算放大器的正向输入端 相连，第二运算放大器的反向输入端通过第四电阻与输出端连接，第二运算放大器的正向 输入端通过第一电容接地，第二运算放大器的反向输入端通过第二电阻接地；第二运算放 大器的输出信号与无线收发和数据处理单元的片内数模转换器的输入端连接。所述的控制 开关由无线收发和数据处理单元中的微处处理器控制，在需要测量和采集传感信号的时候 打开，使能量回收单元对电阻应变传感器信号调理单元供电；在不需要测量和采集传感信 号的时候关闭，切断能量回收单元对电阻应变传感器信号调理单元的供电，从而降低系统 整体功耗。
本发明中的高性能低功耗的无线收发和数据处理单元，以低功耗的硬件资源为基 础，辅以简单高效的核心软件算法，能够实现数据的实时采样，处理和与其它节点或上位机 的通讯。为了有效的利用能量，达到低功耗、自供电的要求，本发明中的无线收发和数据处 理单元采用了低功耗的软硬件设计。从低功耗的硬件设计出发，硬件控制器和无线通讯模 块无疑直接影响功耗的主要部分，对于硬件控制器选用了低功耗的单片机芯片，利用其片 上集成的丰富资源，如片上集成的数模转换器，这样可以直接通过数据总线共享数据，使予 实现低功耗的系统；对于无线通讯模块选用了单芯片、低功耗的无线收发器，其具有集成度 高、体积小、功耗低等特点。由于微处理器的运行时间对系统的功耗影响极大，应尽可能缩 短其工作时间，较长的处于睡眠方式是软件设计降低单片机系统功耗的关键。因此从低功 耗的软件设计出发，采用了简单高效的核心软件算法，使用于处理数据和无线通讯控制的 微处理器大部分处于睡眠状态，简单来说，即用两个系统时钟交替进行工作，其中一个高速 系统时钟使采集或者发射程序实时准确的运行，当数据处理完毕后进入另一个时钟，而另 一个低速系统时钟使处理器处于睡眠方式并定时触发采集或者发射程序。这样，简单高效 的核心软件算法让微处理器工作时快速有效的进行，一旦工作完毕即处理完数据就进入睡 眠。同时采集或者发射程序等主程序的定时触发，保证了系统采样的等间隔性，即确保了系 统实时准确的采集并发射数据。另外，无线收发芯片内部集成了更多的功能和外围部件协议，可以兼容多种通讯 协议。芯片具有直接工作模式和ShockBurst工作模式，为进一步降低模块功耗，本发明采 用ShockBurst工作模式。ShockBurst收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速 从微控制器送入，但高速(IMbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也 能得到很高的射频数据发射速率。3、有益效果(1)其利用压电能量回收实现了自供电无线传感系统，无需外界能量和电池更换， 免维护。(2)其系统功耗低，最低仅为4. 9mff,同时也保证了实时监测性能。这样，基于本发明的能量自给的智能无线传感网络节点组建的工程结构健康监测 无线传感网络，可以取代传统的电池供给监测网络系统，具有重量轻、体积小、不污染环境、 无需电池更换等优点。本发明的压电换能器采用变厚度梁，与外界结构的振动有更好的机电耦合性能， 与一般结构的压电换能器相比，能更多地回收结构振动能转化为电能。
四

图1是本发明的无线传感网络节点的结构示意图；图2是本发明压电换能器结构示意图。图3是本发明压电换能器的变厚度梁的表面应力图；图4是电阻应变传感器信号调理单元原理图；图5是电源管理模块及外围电路的电路原理图；图6是ESSH接口电路示意图；图7是本发明的一个实施例的软件程序流程图
图8是本发明的一个实施例的无线传感网络节点的功耗示意图。五、具体实施例方式
如图1所示，本实施例的基于压电能量回收的智能无线传感网络节点包括能量回 收单元、电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理单元，其中，所述的能量回收 单元包括压电换能器、接口电路、储能电容和电源管理模块，所述的压电换能器包括一端与 外界结构连接的悬臂梁，悬臂梁另一端设有质量块，其中，悬臂梁与外界结构连接的一端的 厚度大于另一端的厚度；所述的电阻应变传感器信号调理单元包括电阻应变传感器恒压电 桥电路、电压放大及有源低通滤波器模块；所述的无线收发和数据处理单元包括低功耗无 线收发器、用于处理数据和无线通讯控制的微处理器、数据存储器、输入/输出口、片内数 模转换器和系统时钟，它们通过共享的内部总线相连接；系统时钟处理器向无线收发器和 用于处理数据和无线通讯控制的微处理器发送时钟信号；能量回收单元向电阻应变传感器 信号调理单元、无线收发和数据处理单元提供能量。如图2所示，本实施例的智能无线传感网络节点中，压电换能器包括一端与外界 结构连接的悬臂梁1，悬臂梁另一端设有质量块2，其中，悬臂梁1与外界结构连接的一端11 的厚度大于另一端12的厚度，其与外界环境中的振动有很好的机电耦合性。其一阶共振频 率可以通过改变梁末端的质量块进行调节。如图3所示的ANSYS应力分析，变厚度梁近似 可以达到等强度梁的效果，即此种梁在很大的一个长度范围应力都是变化不大的。本实例 的悬臂梁采用了铜材料，机械尺寸长为90mm，宽为22mm，厚端即与结构连接的一端厚度为 2mm，薄端即设置质量块的一端的厚度为1mm。经测试，梁的共振频率为163Hz，加上约重5g 的质量块在末端后，机械结构的共振频率为120Hz。经过调查，在环境当中如工业上机械装 置或加工设备、小型家用设施上，60Hz到200Hz频率的振动能量最大，因此本实施的压电换 能器的耦合共振频率选择该范围的值。由于能量转化的关键是压电元件，因此本实施例选 择的压电陶瓷材料为C91系列的压电片，其机电耦合系数较高。结合本实施例的机械部分 和电路部分，当悬臂梁的首末端相对振动的位移为Imm时，能量回收的功率约为20mW。如图4所示，本实施例中，电阻应变传感器信号调理单元包括一个控制开关Si、惠 更斯电桥电路、电压放大和低通滤波电路；电压放大和低通滤波电路由第一运算放大器Al 和第二运算放大器A2组成；其中，控制开关Sl —端与能量回收单元的输出端连接，另一端 与惠更斯电桥电路的第一端连接；惠更斯电桥电路的第二端通过第一电阻Rl与第一运算 放大器Al的反向输入端连接，第四端与第一运算放大器Al的正向输入端连接，惠更斯电桥 电路的第三端接地；第一运算放大器的Al的输出端通过第三电阻R3与第二运算放大器A2 的正向输入端相连，第二运算放大器A2的反向输入端通过第四电阻R4与输出端连接，第二 运算放大器A2的正向输入端通过第一电容Cl接地，第二运算放大器A2的反向输入端通过 第二电阻R2接地；第二运算放大器A2的输出信号与无线收发和数据处理单元的片内数模 转换器的输入端连接。控制开关Sl由无线收发和数据处理单元中的微处理器控制，在需 要测量和采集传感信号的时候打开，使能量回收单元对电阻应变传感器信号调理单元供电 (以S-VCC表示)；在不需要测量和采集传感信号的时候关闭，切断能量回收单元对电阻应 变传感器信号调理单元的供电，从而降低系统整体功耗。如图2所示，贴在变厚度梁两侧的压电陶瓷有两个电极，从这两个电极引出的两 根导线与基于ESSH技术的接口电路相连，最终将转换成的电能储存在一个储能电容Cl中，该储能电容为一超级电容，基于ESSH技术的接口电路的电路原理图如图6所示。如图5所示，能量回收单元中，电源管理模块包括一个低功耗的第五电压比较器U5、一个P型的第三 场效应管Q3、一个N型的第六场效应管Q6、一个低功耗的直流-直流转换器U3，以及第七电 阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9，第八电阻R8 —端与第五电压比较器U5的正向输入端连 接，另一端与能量回收单元中的储能电容的正端连接；第九电阻R9 —端与第五电压比较器 U5的正向输入端连接，另一端接地；第五电压比较器U5的输出端出端与第六场效应管Q6 的基极连接，第六场效应管Q6的发射极接地，第六场效应管Q6的集电极与第三场效应管Q3 的基极连接，第三场效应管Q3的发射极与能量回收单元中的储能电容的正端连接；第三场 效应管Q3的集电极能过电感Ll与直流-直流转换器U3连接，直流-直流转换器U3输出 端与电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理单元连接向其供电。本实施例的 直流_直流转换器选用了 MAX1724转换芯片，提供稳定的3. 3V直流电源；两个场效应管即 Q3和Q6，组成了一个开关S2，其与电压比较器U5配合构成了一个阀值开关电路，即当超级 电容Cl中的电能累积到一定程度时(电压超过某一预先设定值时)，电压比较器TO发出 信号打开开关Q3和Q6，使超级电容Cl中的电能通过MAX1724转换芯片转化成稳定的3. 3V 电源，为电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理单元供电。本发明的电阻应变传感器信号调理单元中的惠更斯恒压电桥电路将电阻应变片 传感器上的电阻变化转化为电压变化信号。由于从惠更斯恒压电桥直接输出的电压信号 很小(一般mV量级)，这样需要放大电路将其电压信号放大，并且放大倍数也需可调。在 实施例中，考虑到模块的功耗问题，放大电路部分采用TI公司生产的低功耗零漂移仪表放 大器INA333，它具有75uA静态电流，25uV漂移电压，具有较高的线性度、准确度与稳定性。 INA333是由三个运算放大器组成的差分放大结构，其放大增益为1-1000，可通过调节Re的 阻值来改变增益。具体的放大公式为G = Ι+αΟΟΚΩ/。，其中G为放大倍数，Rg为可调电 阻。这样可以根据信号放大的需要，例如增益选择为1000，通过调节Rg到100欧姆可以满 足应变片电桥的放大要求。仪器放大器IN333的输出与低通滤波电路相连，以便滤除传感 信号中的高频干扰。滤波电路是由一个低功耗的运算放大器A2和电容R2、R3、R4和电阻 Cl组成一阶有源低通滤波器，其截止频率为158Hz。本实施例的无线收发和数据处理单元包括低功耗无线收发器、用于处理数据和无 线通讯控制的微处理器、数据存储器、输入/输出口、片内数模转换器和系统时钟，它们通 过共享的内部总线相连接；系统时钟向无线收发器和用于处理数据和无线通讯控制的微处 理器发送时钟信号；它们按功能可以分为数据采集处理部分和无线通讯部分。如图5所示， 数据采集处理部分包括以Microchip公司的PIC16F833芯片为核心的数据采集处理模块和 无线发射接口。PIC16F883芯片采用了纳瓦技术，待机电流在2. OV供电环境下通常为50nA， 在4MHz的晶振，2. OV供电环境下的工作电流约220 μ A，同时当主要时钟由一个外部的4MHz 的晶振提供，处理速度可以达到1百万条指令每秒(MIPS)。PIC16F883属于Microchip公司 开发的PIC16系列单片机中性能优越的8位微控制器，它集成了 4kb的FLASH程序存储器、 512b静态RAM，14通道的10位片内模数转换器、三个硬件时钟、24根可单独进行方向控制 的I/O引脚、一个通用异步收发器(UART)。模数转换部分可以将信号由模拟量转化为数字 量，它是信号采集与存储的必要环节。这里采用了 PIC16F883芯片内部集成的模数转化模 块，该模块可以利用逐次逼近法将模拟输入信号转换为表示该信号的一个10位二进制数。传感信号与PIC16F883芯片的RAO/ANO引脚相连，该芯片通过RB1-RB5这五个I/O 口与无 线通讯部分连接。无线通讯部分采用了 NORDIC公司的nRF2402为核心芯片。nRF系列是北欧NORDIC 公司新推出的无线收发芯片，采用zigbee核心技术设计，芯片内部集成了更多的功能和外 围部件协议，使用比较方便。riRF2402为单发芯片，具有集成度高、体积小、功耗低等特点，符 合本发明无线节点通讯的要求。芯片具有直接工作模式和ShockBurst工作模式，为进一步 降低模块功耗，本发明采用ShockBurst工作模式。ShockBurst技术采用片上先进先出堆 栈，进行时钟同步的低数据速率输入和高数据速率传输，大大降低了功耗。芯片的工作电压 为1.9-3. 6V，待机工作状态下电流在微安级别；发射状态下电流在毫安级别。 如图7所示，为了有效的利用能量，达到低功耗、自供电的要求，整个信号调理与 采集模块采用了低功耗的程序流程。当程序进入循环后，每完成一次循环的工作就让模块 进入睡眠模式，此模式的电流很低(通常电流在纳安级别)。当时间到达设定的时间后，单 片机自动唤醒，进入下一次循环中。这种方法保证了采样的等间隔性而且大大降低了功耗。具体说来，本发明的能量自给的无线传感节点工作循环可以由以下几个步骤来完 成步骤1 微处理器在“睡眠”模式，其中除了监测电路(定时器1)以外，所有的内部 处理为暂停，用于监测微处理器“唤醒”要求。在这个实施步骤中，监测电路(定时器1)由 外部的晶振控制，使定时器1的计数不断累加。步骤2 当定时器1的计数溢出后，即监测电路“唤醒”微处理器。当“唤醒”时， 微处理器的系统时钟从外部的晶振转换到内部电阻电容振荡器形式的内部时钟。这样，系 统时钟由慢速的外部系统时钟转换为快速的内部时钟，可以满足模数转化和数据处理的要 求。步骤3 —旦微处理器被“唤醒”，微处理器就高速处理主程序，首先开启电阻应变 传感器信号调理单元供电，其次采集和存储应力数据，再次关闭电阻应变传感器信号调理 单元供电，再次判断数据是否达到25个，如果达到25个，建立数据包，同时将设定控制线逻 辑为高，使nRF2402芯片从空闲模式“唤醒”，将数据通过I/O 口传输到nRF2402芯片中，这 时射频(RF)就利用外部的石英晶体作为系统时钟，其保证了绝对频率精确度，即满足了通 讯要求。步骤4 当RF芯片接收了 25个数据的数据包，微控制器设定控制线逻辑为低， 激发nRF2401进行ShockBurst发射，这时nRF2402芯片自动产生前导码和循环沉余校验 (CRC)校验码，高速发射数据包。传输的数据被调制到2. 4GHz无线电波用于传输到其他节 点或者上位接收机。当发射完成，nRF2402又进入空闲状态，以降低发射部分的整体功耗。步骤5 当采集到的数据没有达到25个，或者利用I1RF2402芯片发射完数据后，微 处理器重新进入“睡眠模式”，使系统功耗降到最低。这样，通过利用上述1-5步骤的工作循环，本发明的无线传感节点只使用了来自 能量回收单元供给的最少量电能消耗，满足了利用压电能量回收产生的少量电能监测结构 健康的要求，而不需要提供备用电池。在对本实施例的节点试验中，采用梁式微型传感器模拟结构应变变化，对能量自 给的无线收发和处理单元进行了测试。测试实验主要对功耗进行了测试。实验中采用的梁式微型传感器型号为Q45X8X6，其上下表面各贴有两个1000欧姆的应变片，可构成四臂全 桥电路。首先将一个供电电容(2200uF)充上一定的电压(2. 4V)，再去掉供电系统，如图8 所示，供电电容两端电压随时间衰减。第一个点到第二个点是传感器初始化的时间，第二个点到第三个点是传感器正常
工作的时间。根据公式ρ可以算出，无线传感器部分在初始化时
52AT (2.252 -2.132)χ2200χ10"6P1 = A-L-= 0.5mJV
2 χ (2.130-1.000)正常工作时
(2.132 -1.092)χ2200Χ10"6尸丨=A-L-= A.9mW
11 2χ(2.88 -2.130)这完全可以满足能量自给的要求。实施例二 如图2所示，本实施例为一种压电换能器，其包括一端与外界结构连接 的悬臂梁2，悬臂梁另一端设有质量块3，其中，悬臂梁2与外界结构连接的一端的厚度大于 另一端的厚度，其与外界环境中的振动有很好的机电耦合性。悬臂梁纵截面为等腰梯形，其 中，等腰梯形两边夹角为0. 82度。其一阶共振频率可以通过改变梁末端的质量块进行调 节。本实例的悬臂梁采用了铜材料，机械尺寸长为90mm，宽为22mm，厚端即与结构连接的一 端厚度为2mm，薄端即设置质量块的一端的厚度为1mm。如图3所示，通过ANSYS应力分析可见，这种变厚度梁近似可以达到等强度梁的效 果，即此种梁在很大的一个长度范围应力都是变化不大的。
权利要求
一种压电换能器，包括一端与外界结构连接的悬臂梁，悬臂梁另一端设有质量块，悬臂梁上贴设至少一个压电片，其特征在于，悬臂梁与外界结构连接的一端的厚度大于设有质量块的一端的厚度。
2.如权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，悬臂梁纵截面为等腰梯形，并且等腰 梯形两边夹角为0. 75-0. 9度。
3.如权利要求1所述的压电换能器，其特征在于，悬臂梁的上、下两面各贴设一个压电片。
4.一种基于压电能量回收的智能无线传感网络节点，其特征在于，包括能量回收单元、 电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理单元，其中，所述的能量回收单元包括 压电换能器、接口电路、储能电容和电源管理模块，所述的压电换能器包括一端与外界结构 连接的悬臂梁，悬臂梁另一端设有质量块，其中，悬臂梁与外界结构连接的一端的厚度大于 另一端的厚度；所述的电阻应变传感器信号调理单元包括电阻应变传感器恒压电桥电路、 电压放大及有源低通滤波器模块；所述的无线收发和数据处理单元包括低功耗无线收发 器、用于处理数据 和无线通讯控制的微处理器、数据存储器、输入/输出口、片内数模转换 器和系统时钟，它们通过共享的内部总线相连接；系统时钟处理器向无线收发器和用于处 理数据和无线通讯控制的微处理器发送时钟信号；能量回收单元向电阻应变传感器信号调 理单元、无线收发和数据处理单元提供能量。
5.如权利要求4所述的基于压电能量回收的智能无线传感网络节点，其特征在于，所 述的电阻应变传感器信号调理单元包括一个控制开关(Si)、惠更斯电桥电路、电压放大和 低通滤波电路；电压放大和低通滤波电路由第一运算放大器(Al)和第二运算放大器(A2) 组成；其中，控制开关(Si) —端与能量回收单元的输出端连接，另一端与惠更斯电桥电路 的第一端连接；惠更斯电桥电路的第二端通过第一电阻(Rl)与第一运算放大器(Al)的反 向输入端连接，第四端与第一运算放大器(Al)的正向输入端连接，惠更斯电桥电路的第三 端接地；第一运算放大器的(Al)的输出端通过第三电阻(R3)与第二运算放大器(A2)的正 向输入端相连，第二运算放大器(A2)的反向输入端通过第四电阻(R4)与输出端连接，第二 运算放大器(A2)的正向输入端通过第一电容(Cl)接地，第二运算放大器(A2)的反向输入 端通过第二电阻(R2)接地；第二运算放大器(A2)的输出信号与无线收发和数据处理单元 的片内数模转换器的输入端连接。
6.如权利要求4所述的基于压电能量回收的智能无线传感网络节点，其特征在于，所 述的能量回收单元中，电源管理模块包括一个低功耗的第五电压比较器(U5)、一个第三场 效应管(Q3)、一个第六场效应管(Q6)、一个低功耗的直流-直流转换器(U3)，以及第七电阻 (R7)、第八电阻(R8)和第九电阻(R9)，第八电阻(R8) —端与第五电压比较器(U5)的正向 输入端连接，另一端与能量回收单元中的储能电容的正端连接；第九电阻(R9) —端与第五 电压比较器(U5)的正向输入端连接，另一端接地；第五电压比较器(U5)的输出端与第六场 效应管(Q6)的基极连接，第六场效应管(Q6)的发射极接地，第六场效应管(Q6)的集电极 与第三场效应管(Q3)的基极连接，第三场效应管(Q3)的发射极与能量回收单元中的储能 电容的正端连接；第三场效应管(Q3)的集电极能过电感(Li)与直流-直流转换器(U3)连 接，直流-直流转换器(U3)输出端与电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理 单元连接向其供电。
全文摘要
本发明公开了一种基于压电能量回收的智能无线传感网络节点，包括能量回收单元、电阻应变传感器信号调理单元、无线收发和数据处理单元。其利用压电能量回收实现了自供电无线传感系统，无需外界能量和电池更换，免维护；其系统功耗低，最低仅为4.9MW，同时也保证了实时监测性能。本发明的基于能量自给的智能无线传感网络节点组建的工程结构健康监测无线传感网络，可以取代传统的电池供给监测网络系统，具有重量轻、体积小、不污染环境、无需电池更换等优点。同时，本发明还公开了一种压电换能器，包括悬臂梁，悬臂梁另一端设有质量块，悬臂梁上贴设至少一个压电片，悬臂梁与外界结构连接的一端的厚度大于设有质量块的一端的厚度。
文档编号G01D5/16GK101839684SQ20101012038
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月9日 优先权日2010年3月9日
发明者吴一丰, 季宏丽, 张超, 徐姣, 朱孔军, 沈辉, 裘进浩 申请人:南京航空航天大学