[发明专利]一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种土木工程的结构健康监测装置，尤其是涉及一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置。

背景技术

大型土木工程结构和基础设施，如水坝、大型桥梁、高层建筑等，它们的使用期都长达几十年、甚至上百年。在其服役过程中，由于环境载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化以及其它使用不当的人为因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累，从而导致抗力衰减，甚至导致突发事故，给人民的生命和财产造成巨大的损失，甚至带来极坏的社会影响。例如，20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了一些桥梁结构的突然断裂倒塌事故。因此，对上述大型结构和设施进行结构健康监测，采取有效的手段实时地监测和预报结构的性能，及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。

在土木结构健康监测系统中，土木结构的自身参数及影响土木结构的因素参数等数据是依靠各种传感器采集的，传感器感知的信号经过数据采集系统，转换成计算机所需的数据，然后在经过融合、整理、存储、处理等相应的处理，最后诊断出结构的状况。

无线传感器及其组成的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)技术也在迅速地发展，无线传感器网络成为综合了传感器、嵌入式计算及无线通信等三大技术的新兴技术。由于无线传感器及其网络本身所具有的优点，使得它在很多方面得到了应用，主要应用领域有航天航空、军事、医疗、科学研究、野生监测、结构健康监测、车辆跟踪等。广阔的应用前景掀起了国内外对WSN的研究热潮。尤其在结构健康监测中，与有线数据采集系统相比，无线传感器网络具有无需大量布线、安装便捷、更换容易、维护费用低、节约成本等优点，同时由于受外界环境干扰小，无线传感器还具有较高的信噪比和测量精度。

在传感器中，无论是传感单元还是处理单元，为它们提供能量的电源是一项关键，甚至决定了整个传感器的使用服役状态和寿命。

在过去的十几年里，处理、存储和通信技术得到了飞速发展，与之相比电源技术进步的速度要小得多，能量密度上没有明显的提高。传感器和交互节点网络方面已经取得了很大的研究成果，但由于网络节点在数量上的增加和在尺寸上的减少，对电源的体积、寿命和能量密度要求越来越严格，传统的供电方式已经不能满足传感器网络节点的发展要求，因此，新的供电技术研究就显得十分关键。新的供电方法可以采用以下2种途径：一是采用核电池等长寿命电源；二是利用可以再生的环境能源，主要包括微波、光照、振动、热和气流等产生的能量。第二种途径可以提供安全、低成本和理论上无寿命限制的自供电技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种安装便捷、更换容易且使用寿命较长的用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，包括传感组件和给所述的传感组件供电的电源装置，其特征在于所述的传感组件包括传感器、滤波放大电路、信号处理电路和无线通讯电路，所述的电源装置包括蓄电池、电源接口电路、转化光能为电能的太阳能光伏电池和转化机械能为电能的压电振子，所述的电源接口电路包括压电供能电路和充放电管理电路，所述的太阳能光伏电池通过所述的充放电管理电路与所述的蓄电池连接，所述的压电振子通过所述的压电供能电路与所述的蓄电池连接，所述的蓄电池分别与所述的传感器、所述的滤波放大电路、所述的信号处理电路和所述的无线通讯电路连接。

所述的压电振子包括一个质量块和至少一个压电组件，所述的压电组件包括固定块和基片，所述的基片上设置有压电片。

所述的基片沿轴向的宽度相等，为等面积梁式压电振子。

所述的基片沿轴向的宽度呈棱形变化，为等强度梁式压电振子。

所述的压电片的材料为PZT压电陶瓷，所述的基片的材料为铍青铜。