基于复用式结构的自取能式无线振动传感器

本发明属于振动传感器，特别涉及基于复用式结构的自取能式无线振动传感器。

背景技术：

1、现有振动传感器作为感知终端之一广泛应用于1khz以下中低频微弱振动检测，但其多采用有线方式传输信号，不符合物联网无线智能化的发展要求。而无线传感网络又呈分布式特点，器件供电单元面临着电池定期更换、人工运维复杂且成本高的难题，因此物联网的普及对无线传感器提出了自取能的需求。

2、现有自取能传感器多采用额外附加取能装置的分立方式为传感器供电，进而组成某种自取能式状态监测系统，其整体体积较大、集成度不高且输出具有随机性和间断性。例如，中国专利申请cn202110936315.7提出了一种利用压电方式自取能的变压器振动监测系统，并通过lora通信将检测数据无线远传；以及专利申请号为cn202211728842.x的发明更是集成光伏、温差和振动三种取能方式为振动传感器供电，它们都十分有效地取能并储能，不过仍采用分立式“取能装置+传感器”的大体积结构，不适用于多元化灵活的应用场景。于是专利申请cn202211317208.7、专利申请cn202310205797.8、专利申请cn202311667240.2和专利申请cn201410346464.8分别从场源微源化、线圈平面化和高密度化、材料柔性化、取能技术复合化的角度优化了传感器的微型取能方法，但它们多关注于缩小取能装置的体积，没有有效和负载传感器的结构集成化。专利申请cn202110853183.1考虑到了将振动能量采集与振动检测功能集成在一起，实现了宽频振动情况下的能量有效转化，但方法是将振动加速度传感器与振动能量采集器简单封装在一起，没有深入探究两者原理和结构上的耦合复用。专利申请cn201610681232.7提出了一种利用mems技术将微电源与待供能传感器二次集成的方法，可为多类微传感器自供能；且专利申请cn201910851653.3进一步将磁电取能装置与磁阻传感器的封装技术集成到芯片级，实现了芯片内部的能量闭环，但两发明仍是利用微加工技术对分立器件体积的压缩集成。由此可见，鲜有研究关注磁电式传感器和振动能量采集器在原理和结构上的耦合利用，亟需一种复用式结构的微型自取能式振动传感器设计方法。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，通过双梁双线圈结构的功能复用，该结构既可作为振动测量元件又可复用为取能元件，实现输出响应与自取能一体化设计，即振动检测和振动能量采集集成化设计，从而在振动检测的同时解决无线信号传输的供电问题，且该复用式结构可实现自取能传感器的微型化研制。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，包括由异形磁铁8和两端的双拾振梁9构成的拾振单元1，双拾振梁9的两侧分别设置有绕制线圈10，绕制线圈10与异形磁铁8又构成换能单元2，拾振单元1和换能单元2共同组成双梁双线圈的复用式结构；振动信号测量和振动能量采集均由同一双梁双线圈的复用式结构分时完成实现功能复用。

4、所述换能单元2通过双梁双线圈结构的复用将振动机械能转化为电能和电压信号后，由其上方的储能单元3负责交流电能的倍压整流和存储，并通过电源充放电管理电路为无线信号传输单元4供电；无线信号传输单元4的信号调理电路负责电压信号的调理、采集和解算功能，再通过无线通信模组将测量数据发送并上传至监测平台；

5、所述拾振单元1、换能单元2、储能单元3和无线信号传输单元4均封装在封装外壳7内，封装外壳7上端设置天线接口5，天线接口5与无线信号传输单元4的无线通信模组实现电气连接，下端设置耦合螺孔6。

6、所述异形磁铁8中部为一个直径大的圆柱形大磁铁81，两端为两个直径小的扁平状圆柱形的小磁铁82。

7、所述双拾振梁9是一种平面柔性梁，包括多直梁91或多螺旋曲梁92结构；双拾振梁9组装在小磁铁82的表面，通过增加梁长的方式增大磁铁8与绕制线圈10的相对位移。

8、所述双拾振梁9采用三螺旋曲梁93结构，拾振梁93的螺旋结构由阿基米德螺线方程驱动实现，以在有限面积内有效增加梁长，所述驱动方程为：

9、x(θ)＝(a+bθ)cos(θ) (1)

10、y(θ)＝(a+bθ)sin(θ) (2)

11、式中，a表示起始点到笛卡尔坐标原点的距离，b表示螺旋线的单位步长，θ表示螺旋线旋转的弧度，x和y表示坐标。

12、所述双拾振梁9与其两侧的绕制线圈10的间距相等，呈对称分布。

13、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

14、1、本发明拾振单元1通过双拾振梁结构提高振动传感器的横向稳定性，减少拾振单元在非振动方向的摆甩，同时利用异形磁铁8和换能单元2的双线圈结构增加输出电压信号的幅值，进而获得高灵敏度并提高取能效率。

15、2、拾振单元1和换能单元2的双梁双线圈结构既用作振动信号的测量元件又复用为取能元件，分时工作实现振动检测和振动能量采集一体化的设计。

16、综上所述，本发明通过双梁双线圈结构的复用，集成了信号测量和自取能功能，为振动传感器提供了一种振动检测和振动能量采集一体化的设计方法，能在振动输出响应的同时解决无线传输的供电问题。所提出的振动传感器通过异形磁铁、双线圈和双拾振梁结构使器件具有高横向稳定性和高灵敏度，其频响误差更低、体积大幅压缩，对振动速度和冲击具备良好的检测能力，同时也进一步提升了取能效率。

技术特征：

1.一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，其特征在于，包括由异形磁铁(8)和两端的双拾振梁(9)构成的拾振单元(1)，双拾振梁(9)的两侧分别设置有绕制线圈(10)，绕制线圈(10)与异形磁铁(8)又构成换能单元(2)，拾振单元(1)和换能单元(2)共同组成双梁双线圈的复用式结构，振动信号测量和振动能量采集均由同一双梁双线圈的复用式结构分时完成实现功能复用。

2.根据权利要求1所述的一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，其特征在于，所述换能单元(2)通过双梁双线圈结构的复用将振动机械能转化为电能和电压信号后，由其上方的储能单元(3)负责交流电能的倍压整流和存储，并通过电源充放电管理电路为无线信号传输单元(4)供电；无线信号传输单元(4)的信号调理电路负责电压信号的调理、采集和解算功能，并通过信号传输单元(4)的无线通信模组将测量数据上传至监测平台。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，其特征在于，所述拾振单元(1)、换能单元(2)、储能单元(3)和无线信号传输单元(4)均封装在封装外壳(7)内，封装外壳(7)上端设置天线接口(5)，天线接口(5)与信号传输单元(4)的无线通信模组实现电气连接，下端设置耦合螺孔(6)。

4.根据权利要求1所述的一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，其特征在于，所述异形磁铁(8)中部为一个直径大的圆柱形大磁铁(81)，两端为两个直径小的扁平状圆柱形的小磁铁(82)。

5.根据权利要求1所述的一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，其特征在于，所述双拾振梁(9)是一种平面柔性梁，包括多直梁(91)或多螺旋曲梁(92)结构；双拾振梁(9)组装在小磁铁(82)的表面，通过增加梁长的方式增大磁铁(8)与绕制线圈(10)的相对位移。

6.根据权利要求1所述的一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，其特征在于，所述双拾振梁(9)采用三螺旋曲梁(93)结构，拾振梁93的螺旋结构由阿基米德螺线方程驱动实现，以在有限面积内有效增加梁长，所述驱动方程为：

7.根据权利要求1或6所述的一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，其特征在于，所述双拾振梁(9)与其两侧的绕制线圈(10)的间距相等，呈对称分布。

技术总结
一种基于复用式结构的自取能式无线振动传感器，包括：拾振单元、换能单元、储能单元、无线信号传输单元；拾振单元采用双拾振梁和异形磁铁的结构俘获振动能量，并通过具有双线圈的换能单元将振动机械能转化为电能，同时输出反映振动速度的电压信号，即双梁双线圈结构既作为测量元件又复用为取能元件；转换来的电能由储能单元负责倍压整流、存储，并通过电源管理电路为信号传输供电；无线信号传输单元承担电压信号的采集、解算和发送功能，通过无线通信模组将测量数据上传至监测平台；本发明通过双梁结构提高了横向稳定性，从而提升了器件灵敏度和取能效率；双线圈的复用结构为振动传感器提供了一种振动检测和振动能量采集一体化的设计方法。

技术研发人员：李运甲,王志飞,王心怡,高屹森,王曙东,周丹,蔡玲珑,姜烁,饶章权,马志钦
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23