本發明專利技術涉及一種自驅動機械振動傳感器及機械振動監測方法，其中，自驅動機械振動傳感器包括：電磁發電模塊，用于收集一個方向的機械振動產生的能量；倍壓整流儲能模塊，用于將電磁發電模塊輸出的交流電轉化成直流電并儲存；摩擦發電模塊，用于檢測電磁發電模塊對應機械振動方向的正交方向的機械振動并輸出電信號；脈沖觸發模塊，由摩擦發電模塊輸出的電信號觸發，并由倍壓整流儲能模塊供能。本發明專利技術耦合了電磁發電模塊和摩擦發電模塊，二者緊密有效耦合，分工明確且互不影響，充分發揮了其在能量收集和主動傳感方面獨特的優勢；倍壓整流儲能模塊和脈沖觸發模塊減少了不必要的能量損耗和滿足了實際應用的需求，實現了自供能和主動傳感報警功能。和主動傳感報警功能。和主動傳感報警功能。
【技術實現步驟摘要】
一種自驅動機械振動傳感器及機械振動監測方法
[0001]本專利技術屬于機械振動傳感器領域，涉及一種耦合多工作機制的自驅動機械振動傳感器及基于該自驅動機械振動傳感器的機械振動監測方法，其中，特別涉及機械振動的能量收集和振動檢測的主動傳感。
技術介紹
[0002]在城市的快速建設和穩定運行過程中，大型機械(比如高鐵、地鐵、貨梯、傳送帶)發揮著舉足輕重的作用。這些大型機械在運行過程中會不可避免地產生復合式振動，這種振動通常被認為是不利的。在對這種復合振動進行分解、分析時發現：通常一個方向的振動是由于機械自身特性產生的，不可避免；另一個方向(指正交方向)的振動是由外部因素引起的，比如運動沖擊、受力不均、設備老化、運行時間過長等，對機械自身穩定運行產生負面影響。如果無法對這種復合振動進行實時監測、傳感和反饋，機械在運行過程中可能會發生故障，從而造成巨大的人力、財力損失。
[0003]目前通常采用機械振動傳感器而非電子振動傳感器來對機械設備進行監測，其原因是：一方面，機械設備的運行環境通常涉及到交互的電場和磁場，會影響電子振動傳感器的穩定性和持久性，而依賴于機械結構的機械振動傳感器能更好地發揮作用；另一方面，電子振動傳感器一般需要外接電源，不可避免地會產生電池替換或廢棄帶來的環境污染和/或替換成本問題，無法滿足物聯網時代分布式微納能源的需求。但是，現有的機械振動傳感器只是籠統地對機械振動進行監測，很少考慮機械的混合振動和分解，由此會不可避免地出現誤判的情況，從而對機械設備的正常穩定運行產生干擾。
[0004]此外，為響應物聯網時代分布式能源的需求，如何有效收集環境中的機械能并就地用于傳感器供能是目前的研究熱點。摩擦發電機和電磁發電機均為可將機械能轉化為電能的技術，在能源收集方面都展現了巨大的優勢。其中，摩擦發電機是一種新興的技術，其理論來源于麥克斯韋位移電流方程，利用摩擦起電和靜電感應的耦合進行能量轉化。摩擦發電機在能量收集和主動傳感方面都展現出了巨大的潛能。作為能量收集裝置，摩擦發電機可以高效地收集環境中低頻、隨機、無序的機械能，比如人體運動機械能、風能和海洋能等。作為傳感器，摩擦發電機對外部刺激如壓力、速度、濕度、甚至是溫度等能夠產生靈敏響應。電磁發電機是一種成熟的技術，其理論源自法拉第電磁感應定律和/或楞次定律，利用電磁感應現象的原理進行發電，用于能量收集已經發展了快200年。
[0005]近來，有許多研究致力于耦合摩擦發電機和電磁發電機進行高效的能量收集和穩定的能源供應，以響應物聯網時代分布式能源的需求。但是，在二者結合過程中，由于要兼顧整體輸出性能，摩擦發電機能量收集的優勢沒有被充分利用，主動傳感的能力也沒有得到體現，而電磁發電機自身也只在較高頻率下才能更有效收集機械能。在實際中，如何更加合理地耦合多種工作機制，適應實際的需求和需要，同時最大化發揮各自的優勢具有重大的現實意義和研究意義。
技術實現思路
[0006]本專利技術針對目前對摩擦發電機和電磁發電機耦合進行能量收集的過程中，摩擦發電機能量收集的優勢沒有被充分利用，主動傳感的能力也沒有得到體現的情況，提供了一種自驅動機械振動傳感器及機械振動監測方法。
[0007]本專利技術提供了一種自驅動機械振動傳感器，具有這樣的特征，包括：電磁發電模塊，用于收集一個方向的機械振動產生的能量，并輸出交流電；倍壓整流儲能模塊，包括倍壓整流電路和儲能單元，倍壓整流電路與電磁發電模塊電連接，用于將電磁發電模塊輸出的交流電轉化成直流電，儲能單元與倍壓整流電路電連接，用于儲存倍壓整流電路轉化的直流電；摩擦發電模塊，包括至少兩個摩擦發電單元，兩個摩擦發電單元呈與電磁發電模塊對應的機械振動方向正交布置，用于檢測電磁發電模塊對應機械振動方向的正交方向的機械振動，并輸出電信號；以及脈沖觸發模塊，包括脈沖觸發電路，脈沖觸發電路與各個摩擦發電單元電連接，并分別由各個摩擦發電單元輸出的電信號觸發，脈沖觸發電路與儲能單元電連接，并由儲能單元供能。
[0008]在本專利技術提供的自驅動機械振動傳感器中，還可以具有這樣的特征：電磁發電模塊包括第一磁鐵、多根立柱、第二磁鐵、兩塊基板、以及線圈。第一磁鐵位置固定，多根立柱分布在第一磁鐵的周側，第二磁鐵在重力和磁性斥力作用下懸浮于第一磁鐵的正上方，兩塊基板分別連接在第二磁鐵的上表面和下表面，每塊基板分別滑動安裝在多根立柱上，線圈設置于第一磁鐵和多個立柱的周側。
[0009]其中，優選地，第一磁鐵和第二磁鐵均呈圓形。更優選地，立柱的數量為四根，四根立柱呈方形布置，兩塊基板均呈方形且四角開有供立柱穿過的孔，線圈呈方形且為多層平繞式結構。
[0010]其中，優選地，電磁發電模塊有一固有共振頻率，該固有共振頻率僅由第一磁鐵和第二磁鐵的尺寸決定。
[0011]在本專利技術提供的自驅動機械振動傳感器中，還可以具有這樣的特征：每個摩擦發電單元為單擺式單電極摩擦發電機。
[0012]其中，優選地，每個摩擦發電單元包括單擺組件和軌道組件；單擺組件用于在機械振動觸發下做單擺運動，單擺組件包括支撐軸、擺臂、質量塊、以及第一摩擦層，支撐軸位置固定且其軸線與電磁發電模塊對應的機械振動方向垂直，兩個摩擦發電單元的支撐軸的軸線呈正交布置，擺臂的上端與支撐軸轉動連接，擺臂的下端安裝質量塊，第一摩擦層設置在質量塊的表面；軌道組件用于與單擺組件配合進行摩擦，軌道組件包括軌道、緩沖層、導電層、以及第二摩擦層，軌道具有與單擺組件運動配合的圓弧面，緩沖層、導電層、第二摩擦層由下至上依次層疊地設置于軌道的圓弧面上。
[0013]更優選地，第一摩擦層和第二摩擦層之間具有徑向間距。徑向間距為0.2～0.5mm。
[0014]更優選地，第一摩擦層由動物皮毛制成。
[0015]更優選地，第二摩擦層由聚四氟乙烯制成。
[0016]更優選地，支撐軸、擺臂、質量塊、軌道均由不受磁鐵影響的材料制成。
[0017]更優選地，每個摩擦發電單元有一固有共振頻率，該固有共振頻率僅由擺臂的長度決定。
[0018]在本專利技術提供的自驅動機械振動傳感器中，還可以具有這樣的特征：脈沖觸發電
路包括雙D觸發器、四雙向模擬開關、限流電阻、以及觸發指示LED燈。
[0019]在本專利技術提供的自驅動機械振動傳感器中，還可以具有這樣的特征：還包括：殼體，內部安裝電磁發電模塊、倍壓整流儲能模塊、摩擦發電模塊、以及脈沖觸發模塊。
[0020]本專利技術還提供了一種機械振動監測方法，具有這樣的特征，采用上述的自驅動機械振動傳感器收集機械設備振動過程中一個方向振動產生的能量及監測與該方向正交方向的振動。
[0021]專利技術的作用與效果
[0022]根據本專利技術所涉及的自驅動機械振動傳感器，與現有技術相比，因為耦合了電磁發電模塊和摩擦發電模塊，其中，電磁發電模塊能收集一個方向的高頻機械振動產生的能量，摩擦發電模塊能檢測其正交方向不正常的低頻機械振動，二者分工明確，各司其職且互不影響，所述本自驅動機械振動傳感器充分發揮了電磁發電模塊在能量收集方面和摩擦本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種自驅動機械振動傳感器，其特征在于，包括：電磁發電模塊，用于收集一個方向的機械振動產生的能量，并輸出交流電；倍壓整流儲能模塊，包括倍壓整流電路和儲能單元，所述倍壓整流電路與所述電磁發電模塊電連接，用于將所述電磁發電模塊輸出的交流電轉化成直流電，所述儲能單元與所述倍壓整流電路電連接，用于儲存所述倍壓整流電路轉化的直流電；摩擦發電模塊，包括至少兩個摩擦發電單元，兩個所述摩擦發電單元呈與所述電磁發電模塊對應的機械振動方向正交布置，用于檢測所述電磁發電模塊對應機械振動方向的正交方向的機械振動，并輸出電信號；以及脈沖觸發模塊，包括脈沖觸發電路，所述脈沖觸發電路與各個所述摩擦發電單元電連接，并分別由各個所述摩擦發電單元輸出的電信號觸發，所述脈沖觸發電路與所述儲能單元電連接，并由所述儲能單元供能。2.根據權利要求1所述的自驅動機械振動傳感器，其特征在于：其中，所述電磁發電模塊包括第一磁鐵、多根立柱、第二磁鐵、兩塊基板、以及線圈，所述第一磁鐵位置固定，多根所述立柱分布在所述第一磁鐵的周側，所述第二磁鐵在重力和磁性斥力作用下懸浮于所述第一磁鐵的正上方，兩塊所述基板分別連接在所述第二磁鐵的上表面和下表面，每塊所述基板分別滑動安裝在多根所述立柱上，所述線圈設置于所述第一磁鐵和多個所述立柱的周側。3.根據權利要求2所述的自驅動機械振動傳感器，其特征在于：其中，所述第一磁鐵和所述第二磁鐵均呈圓形。4.根據權利要求3所述的自驅動機械振動傳感器，其特征在于：其中，所述立柱的數量為四根，四根所述立柱呈方形布置，兩塊所述基板均呈方形且四角開有供所述立柱穿過的孔，所述線圈呈方形且為多層平繞式結構。5.根據權利要求2所述的自驅動機械振動傳感器，其特征在于：其中，所述電磁發電模塊有一固有共振頻率，該固有共振頻率僅由所述第一磁鐵和所述第二磁鐵的尺寸決定。6.根據權利要求1所述的自驅動機械振動傳感器，其特征在于：其中，每個所述摩擦發電單元為單擺式單電極摩擦發電機。7.根據權利要求6所述的自驅動機械振動傳感器，其特征在于：其中，每個所述摩擦發電單元包括單擺組件和軌...
【專利技術屬性】
技術研發人員：方林，陳翔宇，鄭莉，鄭啟偉，侯文馳，
申請(專利權)人：上海電力大學，
類型：發明
國別省市：
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