[发明专利]一种通过收集无线能量实现自供电的应力监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过收集无线能量实现自供电的应力监测装置，属于信息技术领域。该装置一种无需电源供电的、通过收集周围的无线电信号并转化为供电能源的、可长时间工作的应力监测装置。

背景技术

应力测量在桥梁监测、矿井监测、结构健康监测等众多领域有着广泛的应用。基于测量的应力数据，可以对结构的健康状态进行评估，从而避免灾难事故的发生。

目前，比较成熟的应力监测装置多采用外接电源供电、或者选用大容量电池供电，在很多应用场合，比如：桥梁监测、隧道监测等，很难获取外接电源，同时，采用电池供电存在电池耗尽问题，需要经常更换电池。因此，人们一直在探索一种可以不用更换电池的、长时间工作的、方便布设的应力监测装置。

研究人员尝试利用振动产生的能量，将振动能转化为电能，设计了基于振动发电的自供电型应力监测装置。相关工作，如“发明专利CN201310677175.1基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置”，该装置利用多方向的压电振动能量收集装置收集各个方向的振动能量，并将其转化为电能为监测的传感器提供持续的电源，该装置成本较之于更换电池的人力成本或布设电线的建设成本较为低廉。但是，振动并不是普遍存在的，很多应用场合并没有持续的振动信号。

如何利用更加普适的方法实现传感器自供电具有重要的研究价值和应用前景。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明提供了一种通过收集无线能量实现自供电的应力监测装置，该装置可以高效的将自然空间无线信号的能量转化为直流能量，进而为应力采集电路供电，实现对应力的采集。与已有技术方案相比，本发明采用电容、电感、零压降肖特基二极管、电荷泵等实现无线信号能量到直流能量的转换，使得应力监测装置可以在无线信号覆盖的区域内长时间不间断工作。

一种通过收集无线能量实现自供电的应力监测装置，由全向天线、π型阻抗匹配电路、升压电路、电荷泵、供电开关、低功耗微处理电路、并行接口模数转换器、铁电存储器、以及运行在微处理电路上的控制软件组成；该装置的所有电路元器件均采用超低电压、超低功耗设计，同时，电容均采用超低等效串联电阻、超低漏电流的电容，二极管均采用零压降肖特基二极管；该装置基于智能调度策略实现在充电与工作两种状态的自动切换。

π型阻抗匹配电路由两个电容与一个电感组成，实现由天线阻抗到升压电路阻抗的变换，实现能量的最大传输；

升压电路由多个零压降肖特基二极管以及多个电容组成，通过零压降肖特基二极管的单向导通作用，实现对各个电容的持续充电，使升压电路的输出电压持续升高；

电荷泵实现对直流电压的进一步提升，为负载大容量电容充电，从而为应力采集电路存储足够的电荷；

供电开关在充电模式处于断开状态，在工作模式处于导通状态，确保了充电时应力采集电路不消耗电能；

低功耗微处理电路采用超低电压供电、具有极低的能量消耗，其上运行控制软件，实现对并行接口模数转换器的控制，采集应力数据，并存储到铁电存储器中；

并行接口模数转换器采用并行接口与低功耗微处理电路连接，保障数据的快速传输；

铁电存储器采用并行接口与低功耗微处理电路连接，保障数据的快速传输，同时，保障数据掉电不丢失；

运行在微处理电路上的控制软件实现对采集、存储过程的调度与控制；

该装置采用电容、电感、零压降肖特基二极管、电荷泵等实现无线信号能量到直流能量的转换，采用智能调度策略实现充放电的控制，采用快速采集存储策略实现低功耗、快速的应力数据采集与存储；

无线信号能量到直流能量的转换过程如下：

1）无线信号首先被全向天线接收，之后，通过由电容、电感组成的π型阻抗匹配电路送入升压电路；

2）升压电路由多个电容和零压降肖特基二极管组成，实现电荷的积累与电压的抬升；

3）抬升后的电压送入电荷泵，进一步实现电压的抬升与电荷的积累，电荷泵将收集的电荷存入一个大容量电容中。

智能调度策略的工作流程如下：

1）无线信号能量不断地转化为直流能量并存储到大容量电容中，此时，用于连接能量收集电路与应力采集电路的供电开关处于关闭状态，整个装置不耗电；

2）当大容量电容的电压大于高压阈值时，供电开关导通，应力采集电路上电工作，装置进入工作模式，低功耗处理器控制模数转换电路进行应力采集，并将结果存入铁电存储器中；