[发明专利]超低功耗无源结构应变监测装置

权利要求书

1.一种超低功耗无源应变监测装置，其特征在于，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；

偶极子天线接收来自RFID阅读器的电磁波；

整流倍压稳压模块将偶极子天线接收到的电磁波转换为直流电，将能量存储在储能电容中，并对超低功耗MCU和应变检测模块进行供电；

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，将偶极子天线接收到的电磁波包络信息解调后输入超低功耗MCU；

超低功耗MCU监测储能电容储存的能量，当能量充足时通过AD接口采样应变检测模块输出电压值，并将其转换为EPC编码，当能量不足时关闭应变检测模块并使超低功耗MCU休眠；内部运行EPCC1G2通信协议，识别解调模块输出的包络信息，根据包络信息完成与RFID阅读器的握手、通信等过程并控制发射模块将EPC编码回复给RFID阅读器；完成传感控制、计算及通信功能；

应变检测模块在超低功耗MCU使能时工作，采集被测结构中应力检测点的应力值，输入到超低功耗MCU。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述应变检测模块中，R4、R5、C1构成仪表放大器的补偿电路，Vreg作为桥式电路和仪表放大器的基准电压，超低功耗MCU的的数字I/O控制引脚控制仪表放大器的工作状态，Vstrain输出当前的应力对应的电压值，不同的应力对应不同的输出电压。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，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。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，应变检测模块输出电压值U与结构所受应力F的关系为U＝k*U_AC*K_s*F,其中K_s为箔式应变片的灵敏度系数，U_AC为储能电容供给应变片桥式电路的基准电压，k为修正参数。