用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器及使用方法，该装置采用该压力传感器的可旋转结构、嵌制性设计及强磁吸铁，保证该压力传感器能够稳定固定在输电铁塔角钢处；采用硅制敏感薄膜下方包裹的方式，保证MEMS压敏电阻不受恶劣环境影响，保证其正常工作效率；同时采用大面积、高功率太阳能充电板进行充电，保证传感器和信号发射器能够通过内部电路正常运行。内部电路正常运行。内部电路正常运行。

【技术实现步骤摘要】
用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器及使用方法


[0001]本专利技术涉及输电铁塔安全监测领域，特别涉及一种用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器及使用方法。

技术介绍

[0002]输电铁塔大多分布在恶劣环境区域，如强覆冰、软土质区域等。在恶劣的外界条件作用下，输电铁塔易发生基础倾移、角钢变形、角钢开裂等各种危险情况。为对上述危险情况进行有效的监测及预防，目前均采用倾角传感器及各种卫星监测技术在线监测铁塔运行情况。但上述技术只能间接进行输电铁塔整体受力的平衡性参数判定，无法准确获取输电铁塔具体角钢处受力情况；输电铁塔作为智能电力基建中电能传输的重要枢纽，对输电铁塔进行式的全生命周期监测是完成智能电力基建的关键一步。而完成输电铁塔式的全生命周期监测的重点在于，对其受力敏感点进行准确、实时、可靠的数据收集。因此，有必要设计一种用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器来解决上述问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器及使用方法，采用嵌构式及磁吸技术，保证压力传感器能够在暴雨、暴雪等各种恶劣环境下长期可靠运行；同时采用MEMS压组式压力传感器，并采用硅薄膜下方包裹的方式，保证MEMS压组式压力传感器能够为技术提供准确、可靠、实时的压力数据。
[0004]为实现上述技术效果，本专利技术所采用的技术方案是：
[0005]用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器，包括两块玻璃基底，玻璃基底一侧表面通过转轴相互铰接，玻璃基底另一侧表面通过转轴铰接有固定板；玻璃基底一侧表面连接有强磁吸铁与输电铁塔角钢磁力连接；玻璃基底另一侧表面连接有太阳能充电板和压敏电阻，压敏电阻外部覆盖有敏感薄膜。
[0006]优选地，玻璃基底内部压力腔中设置有太阳能电池充电模块、传感器电路模块、信号发射器模块和内部连接电路。
[0007]优选地，固定板表面螺纹连接有螺帽和螺杆组成的固定件与输电铁塔角钢连接。
[0008]优选地，太阳能电池充电模块通过内部连接电路分别与太阳能充电板、传感器电路模块及信号发射器模块电性连接；传感器电路模块及信号发射器模块通过内部连接电路进行数据传输。
[0009]优选地，上述用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0010]S1，将玻璃基底安装有强磁吸铁的一侧表面朝向输电铁塔角钢，然后转动转轴，使玻璃基底转动至与输电铁塔角钢角度相同，并通过强磁吸铁与输电铁塔角钢磁力吸附；
[0011]S2，转动固定板至与输电铁塔角钢表面贴合，然后通过螺帽和螺杆组成的固定件与输电铁塔角钢表面的螺纹孔固定连接；
[0012]S3，启动传感器进行监测。
[0013]进一步地，所述的玻璃基底采用Pyrex7740型号玻璃，该型号玻璃由硼、硅等材料组成，具有极低的热膨胀系数，抗断裂性能更强。其工作温度与MEMS压敏电阻的工作温度极为契合，在
‑
50
‑
150℃时与硅的热匹配性能极好。同时Pyrex7740型号玻璃与硅制传感器芯片的化学键键合效能高，传感器应力数据测量准确且其工作时间更长。
[0014]进一步地，所述的太阳能电池板采用多晶硅柔性薄膜材质，额定充电电压为5V，额定充电功率为7W，为大功率及大光照面积的太阳能电池板，保证在极端阳光不足的情况下，保证传感器的基本电力充足。
[0015]进一步地，所述的转轴、螺杆和螺帽采用的为UNS S32760的双相不锈钢钢制材料。该材料主要由铁、铬、镍等元素组成。该钢制材料在极低温度可以保持高冲击强度、在酸性条件下可保持奥氏体等级的耐腐蚀性，适合输电铁塔所处的低温、强酸性恶劣环境。
[0016]进一步地，所述玻璃基底上层嵌制的敏感薄膜采用N型绝缘体硅晶片薄膜材料，其形状采用灵敏度更高的方形薄膜。薄膜边长及薄膜厚度由压力传感器的行业参数标准确定，即压敏电阻满量程变化率不小于2％时的薄膜边长及薄膜厚度；其中薄膜边长a及薄膜厚度h满足下列公式：
[0017][0018][0019][0020]式中：P型硅的π
44
＝138.1
×
10
‑
11
Pa
‑1；p＝0.7Mpa；a为薄膜边长；h为薄膜度。v为泊松比，单晶硅的泊松比为0.28；E为杨氏模量，单晶硅的杨氏模量为180GPa；σ
m
为屈服应力，单晶硅为2.0GPa。
[0021]根据式(1)～式(3)可得a/h范围为13.6～43.7。考虑到传感器所处的环境，以及薄膜设计因素，最终确定薄膜边长a为7.5cm，薄膜厚度h为0.2cm。
[0022]进一步地，所述玻璃基底中间压力层嵌制的MEMS压敏电阻采用氧化锌电阻材料。压敏电阻采用窄条形结构，共设置6窄条压敏电阻；为保证低温条件对压敏电阻的影响，其掺杂浓度为8
×
10
18
cm
‑3的铝离子，阻值设置为5000Ω。压敏电阻宽度为0.9375cm，长度为3.75cm。
[0023]进一步地，所述玻璃基底中间压力层嵌制的传感器采用P型硅硅片。采用热氧在硅片上制备传感器表层二氧化硅氧化层；采用温度、压力及高电压等技术实现传感器P型硅硅片与N型绝缘体硅晶片薄膜材料键合；采用敏感硅薄膜下方安装传感器的下安方式，保证传感器测量输电铁塔的应力高精度及在恶劣环境条件下防干扰能力。
[0024]进一步地，所述玻璃基底中间压力层嵌制的信号发射器采用CMT21578型号的单片OOK信号发射器；该信号发射器采用单芯片的制作方式，体积小，功耗低；同时该发射器附带可自由编码的OOK射频发射芯片，适合频率为240
‑
960MHz。在安装至传感器之前，可通过该发射器自带的CMOSTEK可视化操作页面自定义设置信号发射器的信号发射格式。
[0025]进一步地，所述玻璃基底中间压力层嵌制的内置电路包括两部分电路，第一部分
为太阳能电池板的充电电路，第二部分为应力传感器及信号发射器的综合电路；其中太阳能充电板的充电电路采用CN3052的微型锂电池芯片、太阳能充电板及USB电源的充电电路；应力传感器及信号发射器的综合电路采用STM32F407型号的ARM核心板，包括信号传输模块、电源连接模块、SD卡数据存储模块和RS
‑
485存储模块。
[0026]进一步地，所述玻璃基底采用的强磁吸铁为镀金汝铁硼磁铁；该磁铁耐低温、高温，表面镀金，增加了耐腐蚀性能；同时磁铁内部含镍元素，增加了该磁铁的吸磁性能，使得该磁铁能够在恶劣、极端天气下保持稳定的固定能力。
[0027]本专利技术存在以下有益效果：
[0028]1，该专利技术采用Pyrex7740型号的玻璃基底为主体制作输电铁塔压力传感器，并采用双面设计，对于输电铁塔角钢的压力检测范围更广、更全面且更准确。
[0029]2，该专利技术在传统贴片式压力传感器的基础本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器，其特征在于：包括两块玻璃基底（4），玻璃基底（4）一侧表面通过转轴（5）相互铰接，玻璃基底（4）另一侧表面通过转轴（5）铰接有固定板（51）；玻璃基底（4）一侧表面连接有强磁吸铁（7）与输电铁塔角钢（14）磁力连接；玻璃基底（4）另一侧表面连接有太阳能充电板（1）和压敏电阻（3），压敏电阻（3）外部覆盖有敏感薄膜（2）。2.根据权利要求1所述的用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器，其特征在于：所述玻璃基底（4）内部压力腔（9）中设置有太阳能电池充电模块（10）、传感器电路模块（11）、信号发射器模块（12）和内部连接电路（13）。3.根据权利要求1所述的用于输电铁塔应力监测的嵌构式压力传感器，其特征在于：所述固定板（51）表面螺纹连接有螺帽（6）和螺杆（8）组成的固定件与输电铁塔角钢（14）连接。4.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张龙斌，唐波，刘思煜，王玥，尚智宇，陈国庆，蔡晨林，姚宇珊，李恒博，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：