[发明专利]加速度传感器和传感方法、位移监测系统和监测方法

说明书

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。

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；