CN108802426A - 加速度传感器和传感方法、位移监测系统和监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加速度传感器和传感方法、位移监测系统和监测方法，其中，加速度传感器，包括：振动信号采集模块，用于将待监测目标振动的加速度转化为电压信号输出；模拟数字转换模块，用于将所述振动信号采集模块输出的电压信号经过模数转换变为数字电压信号；线性变换模块，用于将所述数字电压信号线性变换为数字加速度信号。本发明提供的振动加速度传感器和振动位移监测系统，利用了摩擦纳米发电机的将机械能转变为电信号的技术，实现了振动加速度和位移的实时监测，具有成本低廉、信号鲁棒、灵敏度高、覆盖广泛等特点，在物联网、智慧城市中具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及位移监测领域，特别涉及一种自供能的加速度传感器和传感 方法、位移监测系统和监测方法。
背景技术
随着城镇化的快速发展，高楼、立交桥等越来越多的城市基础设施被部 署，在为日常生活带来便利的同时，如何高效、低成本地实现基础设施健康 状态的实时监控并对潜在的危险进行预警，具有非常重要的经济和社会意 义。
现有解决方案一般利用振动位移来监测设施的健康状态。传统的直接测 量法通过部署特定的设备，如线性可变差分传感器(Linear Variable DifferentialTransducer，LVDT)或者便携式激光多普勒测振仪(Laser Doppler Vibrometer，LDV)，来直接测量位移。这类直接测量方法尽管精确度较高， 但是往往需要架设昂贵的测量设备，无法做到低成本、大规模部署。另一种 解决方案是基于加速度或者速度传感器通过积分来获得位移估计值的间接 测量方法。这类间接测量方法成本低、部署难度小。特别是随着基于压电材 料的加速度传感器的商用化，这类间接测量方法已经实现了大规模部署。然 而，基于压电效应的加速度传感器输出电压较小，特别是在低频、乃至超低 频的应用场景中，很容易湮没在环境或者电路的背景噪声中，而且输出的信 号存在较多的谐波分量，不利于有用信号的检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用频率范围宽的加速度传感器，可以在低频 范围自驱动采集待监测目标的振动加速度和位移监测系统及其方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种加速度传感器，包括：
振动信号采集模块，用于将待监测目标振动的加速度转化为电压信号输 出；
模拟数字转换模块，用于将所述振动信号采集模块输出的电压信号经过 模数转换变为数字电压信号；
线性变换模块，用于将所述数字电压信号线性变换为数字加速度信号。
优选的，所述振动信号采集模块包括摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发 电机包括静止部分、移动部分以及弹性连接部件。当外界有振动加在摩擦电 纳米发电机上时，静止部分与外界待监测目标保持相对静止，移动部分在外 界振动能和弹性连接部分的协同作用下，在相对于静止部分往返运动，进而 在静止部分设置的电极间产生电信号。
优选的，所述摩擦纳米发电机的共振频率为大于100Hz。
优选的，所述振动信号采集模块设置在与待监测目标固定的管状支撑部 件内，包括：沿着待监测目标振动方向设置的第一电极层和第二电极层，上 下排列附着在管状支撑部件内壁上，形成所述摩擦纳米发电机的静止部分， 可以跟随待监测目标振动；摩擦层，设置在圆柱形质量块的表面，形成摩擦 纳米发电机的移动部分；弹性连接部件，将质量块与管状支撑部件的顶部连 接。
优选的，所述摩擦层表面初始带有的电荷通过与第一电极层或第二电极 层接触获得，或者通过注入方式获得。
优选的，在监测过程中所述摩擦层与第一电极层或第二电极层不接触。
相应的，本发明还提供一种加速度传感方法，包括步骤：
S1，振动信号采集模块将待监测目标振动的加速度转化为电压信号输 出；
S2，模拟数字转换模块将所述振动信号采集模块输出的电压信号经过模 数转换变为数字电压信号；
S3，线性变换模块将所述数字电压信号线性变换为数字加速度信号。
优选的，还包括，线性变换模块中预先储存电压与加速度关系。
本发明还提供一种振动位移监测系统，包括：
权利要求1-6中任一项所述的加速度传感器；
积分模块，用于对所述数字加速度信号进行二重数值积分获得待监测目 标振动位移的估计结果S；
状态判断模块，将位移估计结果S与预先设定的阈值V进行比较，判 定待监测目标状态。
优选的，还包括：高通滤波模块，用于消除电压信号的基线漂移和二重 数值积分带来的基线漂移。
优选的，所述待监测目标状态包括危险、预警和安全，其中：
如果固定观测时间T内位移估计结果S超过阈值V规定次数m，则判 定待监测目标状态为危险；如果超过阈值V次数在1-m次之间，则判定待 监测目标状态为预警；如果没有超过阈值V，则判定待监测目标状态为安全。
优选的，还包括报警模块，用于在所述状态判断模块判定待监测目标状 态为危险时发出警报信息。
优选的，所述报警模块采用鸣笛方式报警。
相应的，还提供一种振动位移监测方法，包括步骤：
上述任一项所述的传感步骤；
还包括，
S4，通过积分模块对数字加速度信号进行二重数值积分，获得待监测目 标振动位移的估计结果S；
S5，状态判断模块将位移估计结果S与预先设定的阈值V进行比较， 判定待监测目标状态。
优选的，在步骤S5前还包括步骤：高通滤波,消除电压信号的基线漂 移和二重数值积分带来的基线漂移。
优选的，判定待监测目标状态具体为：
如果固定观测时间T内位移估计结果S超过阈值V规定次数m，则判 定待监测目标状态为危险；如果超过阈值V次数在1-m次之间，则判定待 监测目标状态为预警；如果没有超过阈值V，则判定待监测目标状态为安全。
优选的，还包括步骤：
待监测目标状态为危险时，发出警报信息。
优选的，采用鸣笛方式发出警报信息。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明基于摩擦电子学原理提出了一种采用摩擦纳米发电机的自供能 的加速度传感器，并利用该传感器实现了位移和加速度的实时监测，具有成 本低廉、信号鲁棒、灵敏度高、覆盖广泛等特点，在物联网、智慧城市、基 础设施安全监测中具有广泛的应用前景。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在 附图中：
图1为本发明提供的加速度传感器的结构示意图；
图2为本发明采用摩擦纳米发电机进行振动传感的工作原理示意图；
图3至图5为摩擦纳米发电机在不同条件的输出信号；
图6是对比本发明的加速度传感器与商用加速度传感器的加速度单边功 率谱图；
图7为本发明的振动位移监测系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发 明。
实施例一：
本发明提供的加速度传感器，可以应用在桥梁等基础设施的振动监测方 面，其结构参见图1，包括：振动信号采集模块1，用于将待监测目标如振 动的加速度转化为电压信号输出；模拟数字转换模块2，用于将振动信号采 集模块1输出的电压信号经过模数转换变为数字电压信号；线性变换模块3， 用于将所述数字电压信号线性变换为数字加速度信号。
本发明中，所述摩擦纳米发电机包括静止部分、移动部分以及弹性连接 部件。当外界有振动加在摩擦电纳米发电机上时，静止部分与外界待监测目 标保持相对静止，移动部分在外界振动能和弹性连接部件的协同作用下，在 相对于静止部分往返运动，进而在静止部分设置的电极间产生电信号。
振动信号采集模块可以采用现有的任意结构的摩擦纳米发电机，利用摩 擦纳米发电机包括在外力作用下可以相对运动的两部分，由于静电摩擦和/ 或静电感应作用，在电极部分有电信号(如电压)输出。本发明就是利用了 待监测目标振动，使摩擦发电机中一个部分相对另一个部分弹性振动，产生 电信号输出。下面以感应式摩擦纳米发电机为例进行详细说明。
参见图2，振动信号采集模块设置在与待监测目标固定的管状支撑部件 10内，包括：沿着待监测目标振动方向设置的第一电极层21和第二电极层 22，如图3中上下排列附着在管状支撑部件10内壁上，形成摩擦纳米发电 机的静止部分，可以跟随待监测目标振动；摩擦层，设置在圆柱形质量块50 的表面，形成摩擦纳米发电机的移动部分；弹性连接部件50，将质量块50 与管状支撑部件10的顶部连接，即将摩擦纳米发电机的静止部分与移动部 分通过弹性结构连接。摩擦层、第一电极层21和第二电极层22共同构成摩 擦纳米发电机的发电核心部件。
本实施例仅就上下振动情况进行描述，加速度传感器可以应用在任意方 向的振动监测中。原理相同，在这里不重复说明。
弹性连接部件50可以采用任意弹性可回复的材料，例如弹簧等，优选 采用可拉伸的硅胶。
为了避免摩擦纳米发电机的移动部分与静止部分共振，影响监测准确 度，摩擦纳米发电机的共振频率为最好大于100Hz。
在本实施例中，为了提高振动监测的灵敏度，优选摩擦层与任何部分特 别是第一电极层21和第二电极层22均不接触，如图2中d图中所示，摩擦 层与第一电极层或第二电极层之间保持距离d，该距离的范围不做特别限定， 只要保证在质量块50上下振动过程中，摩擦层不与第一电极层和第二电极 层接触即可。
摩擦层的材料可以选择氟化乙烯丙烯薄膜等具有负电性的聚合物材料， 可以为柔性也可以为硬性材料，还可以在摩擦层的表面设置纳米结构进一步 增大表面带电量。为了保护器件延长寿命，摩擦层优选材料柔性材料。摩擦 层表面初始带有的电荷可以通过与第一电极层或第二电极层接触获得，也可 以通过注入方式获得。第一电极层与第二电极层可以为图形化结构设计，例 如均为叉指电极结构，可以进一步提高振动监测的灵敏度。
图2图a至d显示了摩擦纳米发电机的工作原理，随着待监测目标的振 动，质量块50带动摩擦层上下振动，由于静电感应，电荷在第一电极层与 第二电极层之间流动，形成电压信号输出。
下面以一个具体摩擦纳米发电机证明其在振动监测方面应用时的输出, 管状支撑部件10采用圆柱形(套筒)结构，由Acrylic板制作，内外直径分 别为18mm和25mm；支撑部件10的内壁设置有两片大小为56mm*35mm 的镀铜尼龙薄膜作为第一电极层和第二电极层，构成静止部分；移动部分的 质量块50为圆柱形的金属铜，其质量为32g，其横截面直径为15mm；质量 块50的表面包裹了一层氟化乙烯丙烯薄膜，构成摩擦层；弹性连接部件50 采用了可拉伸的硅胶构成。在第一电极层和第二电极层之间连接检测装置 40，检测电信号。该结构固定在待监测目标上，可以将待监测目标的振动加 速度信息线性地转换为电压信号输出。图3为在不同振动加速度下的电压信 号输出，加速度a＝1.4g时，输出电压约为8V，加速度a＝5.0g时，输出电压 约为22V。图4是不同加速度下最大输出电压关系模拟结果，从图中可以看 出，电压输出信号与加速度成线性关系，可以将加速度信号转变为电压信号 输出。实验证明，采用摩擦纳米发电机的振动加速度灵敏度高达0.391 V·s2/m。
同时，在固定加速度a＝29.4m/s2的情况下，不同振动频率对摩擦纳米发 电机的输出进行了测量，见图5，在频率低值2.5Hz-4.3Hz时，仍有明细的 电流信号输出，频率越高输出电流越大。这证明本发明提出的基于摩擦纳米 发电机的加速度传感器可以在低频振动中具有优越的性能。这是由于商业加 速度计使用压电材料是由高阶谐波,这可能会导致计算机数据分析混乱,相比 之下,采用摩擦纳米发电机的加速度传感器只是由基础振动模式引起。
图6中显示了本发明的加速度传感器(图中基于摩擦电子学加速度传感 器)和市售的商用加速度传感器的加速度单边归一化功率谱，很明显本发明 的加速度传感器具有很好的信号鲁棒性。
实施例二：
与实施例一相对应，本发明还提供一种加速度传感方法，对桥梁、建筑 物等待监测目标的振动进行监测，包括步骤：
S1，振动信号采集模块将待监测目标振动的加速度转化为电压信号输 出。
该步骤中，振动信号采集模块可以采用现有的摩擦纳米发电机，例如图 2中的摩擦纳米发电机结构采集振动的加速度信号。
S2，模拟数字转换模块将所述振动信号采集模块输出的电压信号经过模 数转换变为数字电压信号。
摩擦纳米发电机输出的电压信号为模拟信号，经过模拟数字转换模块转 换变为数字电压信号，采样频率可以为100Hz，量化精度为10bit。
S3，线性变换模块将所述数字电压信号线性变换为数字加速度信号。
线性变换模块中可以预先储存电压与加速度关系，对模拟数字转换模块 获得的数字电压信号进行线性变换，得到数字加速度信号。
实施例三：
本实施例提供一种待监测目标如桥梁等的振动位移监测系统,参见图7 包括：实施例一中的加速度传感器，采集待监测目标振动的加速度；
积分模块4，用于对所述数字加速度信号进行二重数值积分获得待监测 目标振动位移的估计结果S；状态判断模块6，将位移估计结果S与预先设 定的阈值V进行比较，判定待监测目标状态。
见图7，还可以包括高通滤波模块5，用于消除电压信号的基线漂移和 二重数值积分带来的基线漂移。
待监测目标状态可以包括危险、预警和安全。如果固定观测时间T(如 20秒)内位移估计结果S超过阈值V(20mm)规定次数m(10次)，则判 定待监测目标状态为危险；如果超过阈值V次数在1次-10次之间，则判定 待监测目标状态为预警；如果没有超过阈值V，则判定待监测目标状态为安 全。
设定的阈值V的范围根据不同的待监测目标有所不同，可以为10-40mm 范围，桥梁振动的设定的阈值V范围可以为20mm-40mm。建筑物如高楼振 动的设定的阈值V范围可以为10mm-30mm。观测时间T的范围可以为10-40 秒。规定次数m的范围可以为5-20次。
在状态判断模块6判定待监测目标状态为危险时，可以通过报警模块7 发出警报信息。报警模块7可以采用鸣笛方式报警。
实施例四：
本实施例提供一种待监测目标如桥梁等的振动位移监测方法，通过实施 例二的方法获得待监测目标的数字加速度信号，具体包括下列步骤S1，振 动信号采集模块将待监测目标振动的加速度转化为电压信号输出。
S2，模拟数字转换模块将所述振动信号采集模块输出的电压信号经过模 数转换变为数字电压信号。
S3，线性变换模块将所述数字电压信号线性变换为数字加速度信号。
在获得待监测目标的数字加速度信号步骤后，包括步骤：
S4，通过积分模块对数字加速度信号进行二重数值积分，获得待监测目 标振动位移的估计结果S；
S5，状态判断模块将位移估计结果S与预先设定的阈值V进行比较， 判定待监测目标状态。待监测目标状态可以包括危险、预警和安全。
步骤S5中，如果固定观测时间T内位移估计结果S超过阈值V规定次 数m，则判定待监测目标状态为危险；如果超过阈值V次数在1-m次之间， 则判定待监测目标状态为预警；如果没有超过阈值V，则判定待监测目标状 态为安全。
步骤S5中,具体参数的设置可以根据待监测目标的不同而有所变化。桥 梁振动的设定的阈值V范围可以为20mm-40mm。建筑物如高楼振动的设定 的阈值V范围可以为10mm-30mm。观测时间T的范围可以为10-40秒。规 定次数m的范围可以为5-20次。
还可以在步骤S5前包括高通滤波步骤，消除电压信号的基线漂移和二 重数值积分带来的基线漂移。
还可以在步骤S5后包括危险报警步骤，在状态判断模块6判定待监测 目标状态为危险时，可以通过报警模块7发出警报信息。警报信息可以为鸣 笛等方式的报警信息。
本发明提供的振动加速度传感器和振动位移监测系统，利用了摩擦纳米 发电机的将机械能转变为电信号的技术，实现了振动加速度和位移的实时监 测，具有成本低廉、信号鲁棒、灵敏度高、覆盖广泛等特点，在物联网、智 慧城市、基础设置安全监测中具有广泛的应用前景。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明 的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例 如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特 征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必 要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各 种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想， 其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (19)
1.一种加速度传感器，其特征在于，包括：
振动信号采集模块，用于将待监测目标振动的加速度转化为电压信号输出；
模拟数字转换模块，用于将所述振动信号采集模块输出的电压信号经过模数转换变为数字电压信号；
线性变换模块，用于将所述数字电压信号线性变换为数字加速度信号。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述振动信号采集模块包括摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括静止部分、移动部分以及弹性连接部件，当外界有振动加在摩擦电纳米发电机上时，静止部分与外界待监测目标保持相对静止，移动部分在外界振动能和弹性连接部分的协同作用下，在相对于静止部分往返运动，进而在静止部分设置的电极间产生电信号。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电机的共振频率为大于100Hz。
4.根据权利要求2或3所述的传感器，其特征在于，所述振动信号采集模块设置在与待监测目标固定的管状支撑部件内，包括：沿着待监测目标振动方向设置的第一电极层和第二电极层，上下排列附着在管状支撑部件内壁上，形成所述摩擦纳米发电机的静止部分，可以跟随待监测目标振动；摩擦层，设置在圆柱形质量块的表面，形成摩擦纳米发电机的移动部分；弹性连接部件，将质量块与管状支撑部件的顶部连接。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述摩擦层表面初始带有的电荷通过与第一电极层或第二电极层接触获得，或者通过注入方式获得。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，在监测过程中所述摩擦层与第一电极层或第二电极层不接触。
7.一种加速度传感方法，其特征在于，包括步骤：
S1，振动信号采集模块将待监测目标振动的加速度转化为电压信号输出；
S2，模拟数字转换模块将所述振动信号采集模块输出的电压信号经过模数转换变为数字电压信号；
S3，线性变换模块将所述数字电压信号线性变换为数字加速度信号。
8.根据权利要求7所述的传感方法，其特征在于，还包括，线性变换模块中预先储存电压与加速度关系。
9.一种振动位移监测系统，其特征在于，包括：
权利要求1-6中任一项所述的加速度传感器；
积分模块，用于对所述数字加速度信号进行二重数值积分获得待监测目标振动位移的估计结果S；
状态判断模块，将位移估计结果S与预先设定的阈值V进行比较，判定待监测目标状态。
10.根据权利要求9所述的振动位移监测系统，其特征在于，还包括：
高通滤波模块，用于消除电压信号的基线漂移和二重数值积分带来的基线漂移。
11.根据权利要求10所述的位移监测系统，其特征在于，所述待监测目标状态包括危险、预警和安全，其中：
如果固定观测时间T内位移估计结果S超过阈值V规定次数m，则判定待监测目标状态为危险；如果超过阈值V次数在1-m次之间，则判定待监测目标状态为预警；如果没有超过阈值V，则判定待监测目标状态为安全。
12.根据权利要求10或11所述的位移监测系统，其特征在于，还包括报警模块，用于在所述状态判断模块判定待监测目标状态为危险时发出警报信息。
13.根据权利要求12所述的位移监测系统，其特征在于，所述报警模块采用鸣笛方式报警。
14.一种振动位移监测方法，其特征在于，包括步骤：
权利要求9或10任一项所述的步骤；
还包括，
S4，通过积分模块对数字加速度信号进行二重数值积分，获得待监测目标振动位移的估计结果S；
S5，状态判断模块将位移估计结果S与预先设定的阈值V进行比较，判定待监测目标状态。
15.根据权利要求14所述的监测方法，其特征在于，在步骤S5前还包括步骤：高通滤波,消除电压信号的基线漂移和二重数值积分带来的基线漂移。
16.根据权利要求14或15所述的位移监测方法，其特征在于，判定待监测目标状态具体为：
如果固定观测时间T内位移估计结果S超过阈值V规定次数m，则判定待监测目标状态为危险；如果超过阈值V次数在1-m次之间，则判定待监测目标状态为预警；如果没有超过阈值V，则判定待监测目标状态为安全。
17.根据权利要求16所述的位移监测方法，其特征在于，设定的阈值V的范围为10-40mm；或，观测时间T的范围为10-40秒；或，规定次数m的范围为5-20次。
18.根据权利要求16所述的位移监测方法，其特征在于，还包括步骤：
待监测目标状态为危险时，发出警报信息。
19.根据权利要求17所述的位移监测方法，其特征在于，采用鸣笛方式发出警报信息。
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