一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器制造技术

本发明专利技术属于结构健康监测及能量采集领域，公开了一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，包括无线传感器组件和能量采集组件，无线传感器组件包括信号处理集成电路板、无线信号发射模块及贴附于监测物体表面的压电薄片，信号处理集成电路板上设置传感器芯片模块和储存单元模块，能量采集组件包括振动放大器和锆钛酸铅压电梁。本发明专利技术创新性地将电压阀值处理方法应用于无线传感器中，提高了结构监测持续性、效率性；本发明专利技术创新型地结合两种压电形式，首次实现了压电材料自发电与机电信号转变的两用性；本发明专利技术较其他结构监测无线传感技术具有更加优秀的测量灵敏性，准确性和能耗节约性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器
本专利技术属于结构健康监测及能量采集领域，具体涉及一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器。
技术介绍
无线传感器因其采用低功耗设计、无线传输的优点可以作为结构健康监测技术手段。把传感器网络安置到监测结构（如桥梁、建筑和飞机）中，利用无线传感器进行结构健康监测是一种可靠且不昂贵的做法，可以在第一时间检测到缺陷的形成。这种网络可以提早监测出结构中出现的缺陷，从而避免灾难性事故。然而如果没有有效的数据处理方法，无线传感器在进行结构监测时产生的庞大、复杂的电信号就无法被计算终端及时而准确的识别。由此可知，无线传感器数据处理的灵活性成为限制无线传感器应用性的影响因素，该问题成为领域内亟待解决的关键技术问题。利用压电效应制造的压电材料可以利用其自发电特性用于产生电能。其优点是利用压电原理收集结构产生的微弱振动机械能，转化为电能，为传感器提供电源，保证整套装置自供给。有效规避了传统监测设备需使用电池或外接电路的局限性，保证设备长期持久工作并节约能源。目前，压电材料已经被开发应用于压电传感器制造，利用其机电转换特性,在机械激励下产生电学响应。这部分的电学相应被信号网络处理成可被计算终端识别的电信号，通过应变与电信号的联系，计算终端即反映出结构产生的实时形变。与现有的结构健康监测技术相比，基于压电效应的自能量式无线传感器在自能量的前提下更有效、更精确地监测结构的动态机械响应过程，提前做出预警，以便技术人员采取预防措施，减轻结构损坏造成的生命财产安全。因为所提出的传感器信号网络数据处理方法用于简化由特定形变引起的电信号，与现有的长期监测技术相比，大大减少了监测数据量。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器的技术方案。所述的一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，其特征在于包括无线传感器组件和能量采集组件，无线传感器组件包括信号处理集成电路板、无线信号发射模块及贴附于监测物体表面的压电薄片，信号处理集成电路板上设置传感器芯片模块和储存单元模块，能量采集组件包括振动放大器和锆钛酸铅压电梁。所述的一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，其特征在于压电薄片通过导线与信号处理集成电路板连接。所述的一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，其特征在于信号处理集成电路板上设置无线信号设备外接口，无线信号设备外接口上设置有无线信号发射模块插槽，无线信号发射模块插槽通过排线与无线信号发射模块连接。所述的一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，其特征在于锆钛酸铅压电梁用于将机械振动转化电能，锆钛酸铅压电梁上设置有压电陶瓷片。所述的一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，其特征在于能量采集组件通过导线为无线传感器部分供电。本专利技术创新性地将电压阀值处理方法应用于无线传感器中，提高了结构监测持续性、效率性；本专利技术创新型地结合两种压电形式，首次实现了压电材料自发电与机电信号转变的两用性；本专利技术较其他结构监测无线传感技术具有更加优秀的测量灵敏性，准确性和能耗节约性。附图说明图1为本专利技术结构示意图；图2为本专利技术中的信号处理集成电路板与压电薄片连接结构示意图；图3为本专利技术中的信号处理集成电路板与能量采集组件连接结构示意图；图4为本专利技术中的信号处理集成电路板与无线信号发射模块连接结构示意图；图5为本专利技术的电路结构示意图；图中：1-信号处理集成电路板；2-传感芯片；3-存储单元组；4-无线信号外接口；5-无线信号发射模块；6-压电薄片；7-振动放大器；8-锆钛酸铅压电梁；9-压电陶瓷片；10-导线；11-排线。具体实施方式如图所示，一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，包括无线传感器组件和能量采集组件，无线传感器组件包括信号处理集成电路板1、无线信号发射模块5及贴附于监测物体表面的压电薄片6，信号处理集成电路板1上设置传感器芯片模块2和储存单元模块3，能量采集组件包括振动放大器7和锆钛酸铅压电梁8。作为本专利技术的优化结构：压电薄片6贴附于监测物体表面，通过导线10与信号处理集成电路板1连接。作为本专利技术的优化结构：存储单元组3用来记录监测电压发生的持续时间，存储单元组3与计算电路相邻放置。作为本专利技术的优化结构：信号处理集成电路板1上设置无线信号设备外接口4，无线信号设备外接口4上设置有无线信号发射模块插槽，无线信号发射模块插槽通过排线11与无线信号发射模块5连接。作为本专利技术的优化结构：能量采集组件上设置有振动放大器7、用于将机械振动转化电能的锆钛酸铅压电梁8及用于于储能的储能模块，锆钛酸铅压电梁8上设置有压电陶瓷片9。作为本专利技术的优化结构：能量采集组件通过导线10直接给无线传感器部分供电。本专利技术的电路结构为：压电陶瓷片9分别与振动放大器7和储能模块电连接，储能模块与无线信号发射模块5电连接，振动放大器7与传感器芯片模块2电连接，传感器芯片模块2与存储单元模块3及压电薄片6电连接。以图1为例解释一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器的使用过程。例如，结构发生形变时细微的振动经振动放大器7感应放大压迫锆钛酸铅压电梁8，在产生震动的情况下，通过压电陶瓷片9将机械能有效的转化为电能并被储能装置捕捉。储能装置再将电能送至集成电路板1给无线传感器供电，起到持续为无线传感器供电的作用。同时，若压电薄片6置于正在发生形变的结构表面，压电薄片6根据所受形变程度转换为相应的电压信号，通过导线10输送到无线传感器芯片2上。此时，传感器接收到电信号，并记录下监测电压发生的持续时间，当来自压电片的输入监测电压幅度超过预设的不同阈值时，存储单元记录下超过各个阀值电压总时间。通过转换，传感器输出栅级电压直方图信号，通过外接口4，接入无线信号发射模块发送到计算终端。通过对终端不同栅极上电压阈值的计算，进行反演而得出所监测的目标结构表面所发生的变形。最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本专利技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本专利技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本专利技术各实例技术方案的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，其特征在于包括无线传感器组件和能量采集组件，无线传感器组件包括信号处理集成电路板（1）、无线信号发射模块（5）及贴附于监测物体表面的压电薄片（6），信号处理集成电路板（1）上设置传感器芯片模块（2）和储存单元模块（3），能量采集组件包括振动放大器（7）和锆钛酸铅压电梁（8）。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，其特征在于包括无线传感器组件和能量采集组件，无线传感器组件包括信号处理集成电路板（1）、无线信号发射模块（5）及贴附于监测物体表面的压电薄片（6），信号处理集成电路板（1）上设置传感器芯片模块（2）和储存单元模块（3），能量采集组件包括振动放大器（7）和锆钛酸铅压电梁（8）。


2.如权利要求1所述的一种基于压电效应的自能量式结构监测无线传感器，其特征在于压电薄片（6）通过导线（10）与信号处理集成电路板（1）连接。


3.如权利要求1所述的一种基于压电效应的自...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦鹏程，杨旸，谢晓云，王海鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33