[实用新型]一种超低功耗无源结构应变监测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及结构健康监测技术，尤其涉及一种超低功耗被动式无源结构应变监测装置。

背景技术

城市基础设施的健康状况与社会公共安全与人民生命财产息息相关，这些重要的基础设施不可避免地要承受如环境侵蚀、地震、人为灾害等诸多因素带来的威胁，结构健康状况监测可以对建筑物结构状态进行长期监控分析，有效评估其安全性能，全面掌握结构健康状态并对突发情况进行预警。结构所受应力对结构健康关系重大。

通常结构健康监测是指利用集成在结构中的传感元件，实时获取与结构健康状况相关的信息，通过信号处理和力学建模提取结构损伤特征参数，识别结构状态，预测损伤，进行安全评定，提出使用和维护意见。目前，结构健康监测广泛使用无线传感器网络技术，能够实现实时监测建筑物结构的应力变化、位移变化、振动变化等等。现有的结构健康监测节点功耗、体积较大，且一般都由电池供电。要实现长期的频繁的结构健康监测数据采集与处理需要定期对电池进行维护，实际使用会有诸多不便。

射频识别技术通常用于物流跟踪、仓储管理领域，目前的RFID系统中的标签通常由专用的集成芯片构成，储存固定信息且存储容量有限。基于MSP430系列单片机实现的EPCC1G2通信协议平台摆脱电池束缚，相比一般的RFID标签具有传感、计算和通信功能，为无线传感信息采集与传输提供了新的思路。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有应变监测技术的不足，提供一种超低功耗被动式无源结构应变监测装置，以解决现有技术中传感器需要电池进行能量供给、后期需要维护电池不能长期工作的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种超低功耗无源应变监测装置，所述装置包括射频前端、超低功耗MCU、应变检测模块和储能电容，其中射频前端包括偶极子天线、整流倍压稳压模块、解调模块与发射模块；所述偶极子天线分别与整流倍压稳压模块、解调模块和发射模块相连，整流倍压稳压模块分别与储能电容和超低功耗MCU相连，解调模块、应变检测模块和发射模块均与超低功耗MCU相连；解调模块包括依次相连的整流倍压电路和运算放大器组成的包络检波电路。

进一步地，所述射频前端中的偶极子天线为板载的PCB天线，工作频段为920～925MHz，天线的输出端有LC匹配电路调整阻抗匹配，提高电磁波能量采集效率。

进一步地，所述整流倍压稳压模块包括依次相连的三阶Dickson电路和线性稳压器。

进一步地，所述解调模块包括整流电路以及由运算放大器组成的包络检波器。

进一步地，所述应变检测模块包含由箔式应变片组成的桥式电路及仪表放大器组成的电压放大模块，应力的大小以输出电压值来表征；其中，桥式电路由电阻Rb1～Rb4组成；将Rb1～Rb4任意一个电阻换成阻值相等的箔式应变片组成四分之一桥电路、或者将Rb1与Rb3换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路，或者将Rb2与Rb4换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路；电阻Rb1一端接参考电压Vreg，另一端接电阻Rb2；电阻Rb2与Rb1相连后接仪表放大器输入负极，电阻Rb2另一端接地；电阻Rb4一端接参考电压Vreg，另一端接Rb3；电阻Rb3另一端接地；电位计和电阻Rb5组成校零电路，电位计引脚1接参考电压Vreg，引脚3接地，引脚2接电阻Rb5一端，电阻Rb5另一端接仪表放大器输入正极；电阻R1一端接仪表放大器的第一放大倍数设置引脚，另一端接仪表放大器的第二放大倍数设置引脚，仪表放大器的正电源引脚接电容C4一端，电容C4另一端接参考电压Vreg，仪表放大器的使能引脚接超低功耗MCU的数字I/O控制引脚，仪表放大器的接地引脚接地，电阻R4一端接参考电平Vreg另一端分别连接电阻R5与电容C1的一端，电阻R5和电容C1并联，另一端接地；电阻R2和电容C2并联，一端接仪表放大器的偏置电压引脚，另一端与电阻R3的一端相连后接仪表放大器的输出引脚，电阻R3另一端分别接电容C3的一端、电阻C5的一端后作为应变检测模块的输出Vstrain接入超低功耗MCU的A/D引脚，电容C3的另一端、电阻C5的另一端均接地。

所述应变检测模块中，箔式应变片的阻值为120欧、350欧、1000欧或者2000欧，调节仪表放大器的放大倍数为50倍、100倍、500倍或者1000倍。

本实用新型的有益效果是：