[发明专利]一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器

说明书

本发明提供一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，包括与放大器相连接的应变片，应变片的中部设计具有一定弧面的应变弧，两端设计有椭圆通孔，应变弧上设置有差分非对称双半桥，所述差分非对称双半桥包括左臂和右臂，左臂为对称多层应变电阻栅，固定在弧形结构的正反面；右臂为放置于同一个金属基片的两个高精密度电阻。本发明实现了压力传感器的超微功耗效果，其压力数据的采样和存储消耗的平均功率小于1微瓦甚至0.1微瓦，终端通过内部储能电容实现超过10小时的待机和数据采集存储，对目前超微功耗传感器芯片技术和功能应用实现了较大突破。

技术领域

本发明涉及一种射频识别领域(RFID)的超微功耗传感器，尤其是涉及一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器。

背景技术

传统的压力或形变传感器一般原理为两大类：

一、扩散硅压阻效应原理

如图1所示，在单晶硅片上扩散一个惠斯通电桥，形成扩散硅压力传感器，所述压力传感器用于检测作为压力源的被测介质，对被测介质进行施压使惠斯通电桥的桥壁电阻值发生变化，进而产生一个差动电压信号，此信号经信号处理电路中的专用放大器，将量程相对应信号转化成标准模拟信号，然后输出模拟量或数字信号。

但是，扩散硅压力传感器只能测量气体或液体介质，无法内置于混凝土结构物中去测量结构物的压力和形变。

二、应变片变阻原理

如图2所示，应变片式压力传感器的主要电路也为惠斯通电桥，当应变片收到压力产生形变后，电桥臂的电阻发生改变，产生一个差动电压信号，此信号经专用放大器，将量程相对应信号转化成标准模拟信号。

但是这类压力传感器功耗较高，电桥单臂的功耗较大，双臂损耗加倍，一般功耗为毫瓦级别。

一般单臂电阻R＝1KΩ，假设电压Vi＝3V，电桥电流为I，则：

I＝(Vi/R)*2＝6mA

所以这类传感器同样无法直接内置于混凝土结构物中。

因为内置混凝土结构物的压力和形变传感器需要解决以下几个问题：

(1)压力敏感件和混凝土之间需要很好的力学结合，也就是敏感件的适应性问题，从而达到较高的测量准确度和精度；

(2)需要解决高灵敏度问题，混凝土结构物局部形变量较小，需要压力敏感件有较高的灵敏度；

(3)需要解决压力敏感件的塑形失效问题，传感器内置于混凝土，无法后期维护，当形变过大时容易产生塑性形变，造成传感器损坏；

(4)需要解决压力敏感件的超微功耗问题，在射频识别相关技术领域，由于射频装置的终端天线采集的能量是无线远场辐射电波，到达终端后能量衰减较大，因此即使终端天线增益很高，能采集到的能量也极少，基本上以微瓦单位计量。特殊的，当射频装置的芯片和天线内置于混凝土结构物内部后，若混凝土结构物水泥标号超过60，则会造成较大的不利因素，包括信号屏蔽、中心频点偏移造成的带外衰减，另外混凝土结构物中钢筋的干扰也会改变天线的方向性，造成通讯距离减小。

而现有的传感器处理器芯片，即使是最精简的处理器和最优的低功耗生产工艺，实现压力数据采集一般需要毫瓦功率，无法实现传感器芯片和电路通过保护封装后植入钢筋混凝土结构物后长时间持续工作，因此本发明可以解决上述应用场景下在无线电波采集和存储能源的应用场景中实现超级微功耗的长时间待机和工作。

发明内容