[发明专利]超低功耗无源结构应变监测装置

说明书

技术领域

本发明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

本发明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。

本发明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；

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。

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。