[发明专利]一种适用于混凝土结构健康监测的无线传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于混凝土结构健康监测的无线传感器，属土建结构技术领域。

背景技术

随着我国经济持续发展，各种大型复杂工程结构层出不穷，这些建筑工程结构在国民生产生活中占据着重要的地位。当今土木工程结构中使用最广泛的一种建筑材料是混凝土，因此，混凝土结构的健康监测就显得尤为重要。现有的混凝土检测大多采用不破坏混凝土内部结构和使用性能的无损检测方法，但这些方法均无法直接测得所需物理量，实时性差；而且，无损检测方法过程复杂，成本高，检测过程中常常需要实施封闭，给群众生产生活带来极大不便。

国内外大多数的混凝土健康实时监测采用埋入有线传感器方式，但由于有线传感器的加入导致前期布局布线结构复杂，安装成本高且周期长，后期维护成本也甚高，这些都限制了此类监测技术的大规模应用。随着物联网技术的发展，基于无线传感器的混凝土实时监测技术引起了国内外广泛研究。现有的无线传感器都采用无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）节点技术，工作于有源模式，而混凝土实时监测需要将WSN节点埋入混凝土中，后期无法更换电池，因此，混凝土结构健康监测迫切需要一种具有寿命长、成本低、能快速定位特点的无线现场监测方式。

随着科学技术的发展，低成本无源无线传感器设计成为可能。相比于现有的WSN节点技术，无源传感器的无线传输距离短，速率低，这就大大限制了其应用范围。但是基于雷达反向散射调制原理的反向散射调制技术具有零功耗调制、电路结构简单和功耗低等特点，增加了无源传感器的无线传输距离，提高了传输速率。因此，无源传感标签尤其适合构建长期的，大规模应用的混凝土结构健康实时监测系统。

发明内容

本发明的目的是，为了解决现有混凝土结构健康监测存在的问题，提出一种适用于混凝土结构健康监测的无线传感器。

实现本发明的技术方案如下：一种适用于混凝土结构健康监测的无线传感器包括通信天线、取能天线、可变匹配网络、解调器、反向散射调制器、控制器、物理取能模块、电源管理模块、存储器和传感器。

所述通信天线与可变匹配网络的输入端相连；所述可变匹配网络的输出端与解调器输入端相连；所述解调器输出端与控制器的输入端相连；所述取能天线、物理取能模块的输出端与电源管理模块的输入端相连；所述电源管理模块的输出端分别与解调器输入端、可变匹配网络输入端、反向散射调制器输入端和控制器输出端相连；所述存储器的输出端、传感器输出端与控制器输入端相连；所述控制器的输出端与反向散射调制器输入端相连；所述反向散射调制器的输出端与可变匹配网络的输入端相连。

所述可变匹配网络包含可调匹配网络、振荡器和锁相环：锁相环输入端接通信天线；振荡器输出端接锁相环输入端；锁相环输出端接可调匹配网络输入端；可调匹配网络的输出端接解调器输入端和通信天线；振荡器和锁相环构成频率数字转换器，频率数字转换器可以将天线接收信号频率转换为相应数字信号并自动反馈控制可调匹配网络的中心频率。

所述可变匹配网络中，数字锁相环利用外部输入的无线信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，从而使可调匹配网络可以自动调节中心频率，完成不同输入信号频率下的自适应功率匹配。

所述通信天线用于完成接收无线通信信号和发送反向散射调制信号。

所述可变匹配网络用于完成不同输入信号频率下的功率匹配，达到最佳功率接收状态。

所述取能天线和物理取能模块用于为电源管理模块提供所需的能量；所述物理取能模块为振动取能器；所述取能天线可以捕获空间中的电磁波为电源管理模块提供能量，所述物理取能模块可以通过振动取能或者温差取能等物理取能方式为电源管理模块提供能量。

所述电源管理模块用于将获取的能量转换为稳定的直流电压为其他各部分供电。

所述传感器用于完成各种物理量的检测及数字转换；包括温度传感器、加速度传感器和湿度传感器。

所述反向散射调制器，用于控制器输出信号的反向散射调制。

所述反向散射调制器基于雷达反向散射调制原理，具有零功耗调制、电路结构简单和功耗低的特点，适合工作在高损耗的混凝土环境中。