CN106989850B - 一种具有高集成度的自供电压力传感器 - Google Patents
一种具有高集成度的自供电压力传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106989850B CN106989850B CN201710266746.0A CN201710266746A CN106989850B CN 106989850 B CN106989850 B CN 106989850B CN 201710266746 A CN201710266746 A CN 201710266746A CN 106989850 B CN106989850 B CN 106989850B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- amplifier
- resistance
- output
- energy management
- input terminal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000010354 integration Effects 0.000 title claims abstract description 22
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 71
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 14
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 9
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 3
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 description 2
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 description 2
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 description 2
- 206010034133 Pathogen resistance Diseases 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000003129 oil well Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
- G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
- G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/32—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from a charging set comprising a non-electric prime mover rotating at constant speed
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
本发明提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器，包括封装壳体，所述封装壳体内设有竖直通孔的圆柱体，所述圆柱体主要由上下堆叠在一起的压力传感单元和压电俘能器单元组成，所述压力传感单元和所述压电俘能器单元之间设置有非极化隔离层；所述竖直通孔内设有能量管理模块和信号处理模块，所述压电俘能器单元的输出电极与所述能量管理模块的输入端电气连接，所述压力传感单元的输出电极与所述信号处理模块的输入端电气连接，所述能量管理模块的输出端与所述信号处理模块的电源端电气连接；本具有高集成度的自供电压力传感器能够直接输出数字信号，进行自主工作，不会给外部电路带来任何负担，适用于压力传感领域。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器的技术领域，具体涉及一种具有高集成度的自供电压力传感器。
背景技术
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。同时，物联网传感器节点被广泛应用，通过改进传感器结构和功能，使得传感器更加适用于物联网传感器节点，是目前传感器领域研究的热题。
目前，常规的压力传感器或者其他传感器，都或多或少地需要相应的外部电源或者内部电池供电，也都或多或少地需要外部特殊的电路与传感器相匹配，来把传感器所产生的特殊信号转换为一般的数字信号。因此，物联网传感器节点技术的应用受到传感器依赖于外部复杂处理电路的问题及电路工作供电的问题等诸多限制。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种能够直接输出数字信号，进行自主工作，不会给外部电路带来任何负担的具有高集成度的自供电压力传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有高集成度的自供电压力传感器，包括封装壳体，所述封装壳体内设有竖直通孔的圆柱体，所述圆柱体主要由上下堆叠在一起的压力传感单元和压电俘能器单元组成，所述压力传感单元和所述压电俘能器单元之间设置有非极化隔离层；所述竖直通孔内设有能量管理模块和信号处理模块，所述压电俘能器单元的输出电极与所述能量管理模块的输入端电气连接，所述压力传感单元的输出电极与所述信号处理模块的输入端电气连接，所述能量管理模块的输出端与所述信号处理模块的电源端电气连接。
优选地，所述压力传感单元包括：多个上下堆叠在一起的第一极化压电片，每一个第一极化压电片的上下两端均设置有第一金属片，相邻两个第一极化压电片共用一个第一金属片，且相邻两个第一极化压电片的极化方向相反，所有第一极化压电片的正极并接在一起形成所述压力传感单元的输出正电极，所有第一极化压电片的负极并接在一起形成所述压力传感单元的输出负电极；所述压电俘能器单元包括：多个上下堆叠在一起的第二极化压电片，每一个第二极化压电片的上下两端均设置有第二金属片，相邻两个第二极化压电片共用一个第二金属片，且相邻两个第二极化压电片的极化方向相反，所有第二极化压电片的正极并接在一起形成所述压电俘能器单元的输出正电极，所有第二极化压电片的负极并接在一起形成所述压电俘能器单元的输出负电极；所述圆柱体的上下两端均设置有封装陶瓷片。
优选地，所述第一极化压电片的制作材料为PZT-5H，所述第二极化压电片的制作材料为PMN-PT。
优选地，所述竖直通孔内还设有无线传输模块，所述无线传输模块的输入端与所述信号处理模块的输出端电气连接，所述无线传输模块的输出天线设置于所述封装壳体的表面上。
优选地，所述信号处理模块包括：电荷放大电路、低通滤波电路和MCU处理电路，所述电荷放大电路包括：放大器U1、放大器U2、放大器U3、放大器U4和放大器U5，所述低通滤波电路包括：放大器U6，所述MCU处理电路包括：MCU控制芯片U7；所述压力传感单元的一个输出电极通过电阻R1与所述放大器U1的反相输入端相连，所述压力传感单元的另一个输出电极通过电阻R2与所述放大器U2的反相输入端相连，所述放大器U1的反相输入端还通过电阻R3与所述放大器U1的输出端相连，所述电阻R3的两端并接有电容C1，所述放大器U2的反相输入端还通过电阻R4与所述放大器U2的输出端相连，所述电阻R4的两端并接有电容C2，所述放大器U1的同相输入端通过电阻R5接地，所述放大器U2的同相输入端通过电阻R6接地；所述放大器U3的同相输入端通过电阻R7与所述放大器U1的输出端相连，所述放大器U4的同相输入端通过电阻R8与所述放大器U2的输出端相连，所述放大器U3的输出端依次通过电阻R9、电阻R10和电阻R11与所述放大器U4的输出端相连，所述放大器U3的反相输入端与所述电阻R9和所述电阻R10之间的连线相连，所述放大器U4的反相输入端与所述电阻R10和所述电阻R11之间的连线相连，所述放大器U3的输出端通过电阻R12与所述放大器U5的反相输入端相连，所述放大器U4的输出端通过电阻R13与所述放大器U5的同相输入端相连，所述放大器U5的同相输入端还通过电阻R14接地，所述放大器U5的反相输入端还通过电阻R5与所述放大器U5的输出端相连；所述放大器U5的输出端依次通过电阻R16、电阻R18与所述放大器U6的同相输入端相连，所述电阻R16和所述电阻R18之间的连线通过电容C3接地，所述放大器U6的同相输入端还通过电容C4接地，所述放大器U6的反相输入端通过电阻R17接地，所述放大器U6的反相输入端还通过电阻R19与所述放大器U6的输出端相连，所述放大器U6的输出端与所述MCU控制芯片U7的输入端P_A/D相连；所述放大器U6的输入输出端口DIO_7为所述MCU控制芯片U7的输入端P_A/D，所述MCU控制芯片U7的第一无线输出端RX_TX通过电容C5接地，所述MCU控制芯片U7的第二无线输出端RF_N通过电感L1与第一无线输出端RX_TX相连，所述第二无线输出端RF_N还通过电感L2与第三无线输出端RF_P相连，所述第三无线输出端RF_P还通过电容C7接地，所述第二无线输出端RF_N还依次通过电容C6、电感L4、电感L5与所述输出天线相连，所述电容C6和所述电感L4之间的连线通过电容C8接地，所述电感L4和所述电感L5之间的连线通过电容C9接地，所述电容C6和所述电感L4之间的连线还通过电感L3与所述第三无线输出端RF_P相连，所述MCU控制芯片U7的输入输出端口DIO_5、输入输出端口DIO_6分别为所述自供电压力传感器的有线输出端JTAG_TDO、有线输出端JTAG_TDI，所述MCU控制芯片U7的电源端VCC与3.3V电源相连。
优选地，所述MCU控制芯片U7为CC2650芯片。
优选地，所述能量管理模块105包括：能量管理芯片U31和锂电池BAT；所述能量管理芯片U31的交流输入端AC1与所述压电俘能器单元103的一个输出电极相连，所述能量管理芯片U31的交流输入端AC2与所述压电俘能器单元103的另一个输出电极相连，所述能量管理芯片U31的电压输入端Vin通过电容C31与所述能量管理芯片U31的电容连接端CAP相连，所述能量管理芯片U31的电压输入端Vin还通过电容C32接地，所述能量管理芯片U31的电压输入端Vin2通过电容C33接地，所述能量管理芯片U31的电池充电使能端CHARGE依次通过电阻R31、电容C34接地，所述能量管理芯片U31的变压输入端BB_IN与所述电阻R31和所述电容C34之间的连线相连，所述能量管理芯片U31的变压输入端BB_IN还与所述能量管理芯片U31的电池隔离开关输出端BAT_OUT相连，所述能量管理芯片U31的备用电源输入端BAT_IN通过所述锂电池BAT接地，所述锂电池BAT的两端并接有电容C35；所述能量管理芯片U31的降压变压器开关端SW串接电感L1后与所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout相连，所述能量管理芯片U31的SWA端子通过电感L2与所述能量管理芯片U31的SWB端子相连，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout通过电容C36与所述能量管理芯片U31的超级电容公共端BAL相连，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout通过电容C37接地，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout与所述能量管理芯片U31的超级电容平衡器输入端SCAP相连，所述能量管理芯片U31的超级电容公共端BAL还通过电容C38接地，所述能量管理芯片U31的逻辑参考点Vin3通过电容C39接地，所述能量管理芯片U31的接地端GND接地，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout输出3.3V电压。
优选地，所述能量管理芯片U31为LTC3331芯片。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中的压力传感器，主要由压力传感单元、压电俘能器单元、能量管理模块和信号处理模块组成，且上述压力传感单元、压电俘能器单元、能量管理模块和信号处理模块被集成在一个封装壳体内。当受到外部压力时，由于产生压电效应，一方面，压力传感单元产生的电荷通过其输出电极输送给信号处理模块，信号处理模块将该电荷转化为标准的数字信号后输出至传感器外部；另一方面，压电俘能器单元产生的电荷通过其输出电极输送给能量管理模块，能量管理模块将电能进行存储，并控制着对其他电路部分的电能输出。本发明利用了压电测压和发电的特性，把传感器部分、处理电路部分、自供电部分集成为一体，能够直接输出数字信号，使得压力传感器能够独立自主地工作，不会给外部电路带来任何负担，解决了传统压力传感器集成度低、不能自供电及不能独立工作的问题，迎合了物联网节点技术对传感器的要求，因此必将有很大的应用前景。
2、本发明中的第一极化压电片作为测压压电片，其制作材料选为PZT-5H，由于其具有大的电压输出且内阻较大，输出电压与所受压力有较好的线性关系，能表现出很好的灵敏度；而第二极化压电片作为俘能器压电片，其制作材料选为PMN-PT，因其内阻小，能量密度大，从而更有利于能量的采集。
3、本发明还在传感器内部集成了无线传输模块，可使传感器将采集到的压力信号通过有线和无线两种方式传输出去。
4、在信号处理模块中，电荷放大电路将压力传感单元产生的电荷量转化为便于测量的电压信号，低通滤波电路将这个电压信号进行滤波和变压处理，再通过MCU处理电路中的MCU控制芯片U7的AD转换功能将电压信号转换为数字信号，并通过MCU控制芯片U7的计算处理得出压力信息，然后将压力信息通过无线或有线的方式输出。其中，MCU控制芯片U7可选用CC2650芯片，此芯片具有AD转换及Zigbee无线通信的功能，再加上CC2650本身具有低功耗及超低功耗休眠的特点，很适合作为此传感器的MCU。
5、在能量管理模块中，能量管理芯片可选用LTC3331芯片，此芯片同时连接着压电俘能器单元和锂电池BAT。在压电俘能器单元产生电能充足的情况下，可以在利用压电俘能器单元获得的能量为整个电路系统供电的同时，给锂电池BAT充电；在压电俘能器单元产生电能不充足的情况下，能量管理芯片U31会调用锂电池BAT来为整个电路系统供电。其中，能量管理芯片U31的引脚Vout为电压输出端口，为整个系统提供电能。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器中压电片的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器中信号处理模块的电路原理图；
图4为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器中能量管理模块的电路原理图；
图中：101为竖直通孔，102为压力传感单元，103为压电俘能器单元，104为非极化隔离层，105为能量管理模块，106为信号处理模块，107为封装陶瓷片，108为无线传输模块，1021为第一极化压电片，1022为第一金属片，1031为第二极化压电片，1032为第二金属片，1061为电荷放大电路，1062为低通滤波电路，1063为MCU处理电路，1081为输出天线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器的结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种具有高集成度的自供电压力传感器中压电片的结构示意图，如图1、图2所示，一种具有高集成度的自供电压力传感器，包括封装壳体，所述封装壳体内设有竖直通孔101的圆柱体，所述圆柱体主要由上下堆叠在一起的压力传感单元102和压电俘能器单元103组成，所述压力传感单元102和所述压电俘能器单元103之间设置有非极化隔离层104；所述竖直通孔101内设有能量管理模块105和信号处理模块106，所述压电俘能器单元103的输出电极与所述能量管理模块105的输入端电气连接，所述压力传感单元102的输出电极与所述信号处理模块106的输入端电气连接，所述能量管理模块105的输出端与所述信号处理模块106的电源端电气连接。
具体地，所述压力传感单元102包括：多个上下堆叠在一起的第一极化压电片1021，每一个第一极化压电片1021的上下两端均设置有第一金属片1022，相邻两个第一极化压电片1021共用一个第一金属片1022，且相邻两个第一极化压电片1021的极化方向相反，所有第一极化压电片1021的正极并接在一起形成所述压力传感单元102的输出正电极，所有第一极化压电片1021的负极并接在一起形成所述压力传感单元102的输出负电极；所述压电俘能器单元103包括：多个上下堆叠在一起的第二极化压电片1031，每一个第二极化压电片1031的上下两端均设置有第二金属片1032，相邻两个第二极化压电片1031共用一个第二金属片1032，且相邻两个第二极化压电片1031的极化方向相反，所有第二极化压电片1031的正极并接在一起形成所述压电俘能器单元103的输出正电极，所有第二极化压电片1031的负极并接在一起形成所述压电俘能器单元103的输出负电极；所述圆柱体的上下两端均设置有封装陶瓷片107。
本实施例中，所述压电俘能器单元103堆叠在所述压力传感单元102的上方，所述第一极化压电片1021和所述第二极化压电片1031的数量均为三个，图中的箭头方向为压电片的极化方向，内部电路的信号输出线可通过封装壳体的底座通孔引出。
本实施例中的压力传感器，主要由压力传感单元102、压电俘能器单元103、能量管理模块105和信号处理模块106组成，且上述压力传感单元102、压电俘能器单元103、能量管理模块105和信号处理模块106被集成在一个封装壳体内。当受到外部压力时，由于产生压电效应，一方面，压力传感单元102产生的电荷通过其输出电极输送给信号处理模块106，信号处理模块106将该电荷转化为标准的数字信号后输出至传感器外部；另一方面，压电俘能器单元103产生的电荷通过其输出电极输送给能量管理模块105，能量管理模块105将电能进行存储，并控制着对其他电路部分的电能输出。本发明利用了压电测压和发电的特性，把传感器部分、处理电路部分、自供电部分集成为一体，能够直接输出数字信号，使得压力传感器能够独立自主地工作，不会给外部电路带来任何负担，解决了传统压力传感器集成度低、不能自供电及不能独立工作的问题，迎合了物联网节点技术对传感器的要求，因此必将有很大的应用前景。
具体地，所述第一极化压电片1021的制作材料可为PZT-5H，所述第二极化压电片1031的制作材料可为PMN-PT。
本实施例中的第一极化压电片1021作为测压压电片，其制作材料选为PZT-5H，由于其具有大的电压输出且内阻较大，输出电压与所受压力有较好的线性关系，能表现出很好的灵敏度；而第二极化压电片1031作为俘能器压电片，其制作材料选为PMN-PT，因其内阻小，能量密度大，从而更有利于能量的采集。
具体地，所述竖直通孔101内还可设有无线传输模块108，所述无线传输模块108的输入端与所述信号处理模块106的输出端电气连接，所述无线传输模块108的输出天线1081设置于所述封装壳体的表面上。
本实施例在传感器内部集成了无线传输模块108，可使传感器将采集到的压力信号通过有线和无线两种方式传输出去。
具体地，所述信号处理模块106可包括：电荷放大电路1061、低通滤波电路1062和MCU处理电路1063，所述电荷放大电路1061包括：放大器U1、放大器U2、放大器U3、放大器U4和放大器U5，所述低通滤波电路1062包括：放大器U6，所述MCU处理电路1063包括：MCU控制芯片U7；所述压力传感单元102的一个输出电极通过电阻R1与所述放大器U1的反相输入端相连，所述压力传感单元102的另一个输出电极通过电阻R2与所述放大器U2的反相输入端相连，所述放大器U1的反相输入端还通过电阻R3与所述放大器U1的输出端相连，所述电阻R3的两端并接有电容C1，所述放大器U2的反相输入端还通过电阻R4与所述放大器U2的输出端相连，所述电阻R4的两端并接有电容C2，所述放大器U1的同相输入端通过电阻R5接地，所述放大器U2的同相输入端通过电阻R6接地；所述放大器U3的同相输入端通过电阻R7与所述放大器U1的输出端相连，所述放大器U4的同相输入端通过电阻R8与所述放大器U2的输出端相连，所述放大器U3的输出端依次通过电阻R9、电阻R10和电阻R11与所述放大器U4的输出端相连，所述放大器U3的反相输入端与所述电阻R9和所述电阻R10之间的连线相连，所述放大器U4的反相输入端与所述电阻R10和所述电阻R11之间的连线相连，所述放大器U3的输出端通过电阻R12与所述放大器U5的反相输入端相连，所述放大器U4的输出端通过电阻R13与所述放大器U5的同相输入端相连，所述放大器U5的同相输入端还通过电阻R14接地，所述放大器U5的反相输入端还通过电阻R5与所述放大器U5的输出端相连；所述放大器U5的输出端依次通过电阻R16、电阻R18与所述放大器U6的同相输入端相连，所述R16和所述电阻R18之间的连线通过电容C3接地，所述放大器U6的同相输入端还通过电容C4接地，所述放大器U6的反相输入端通过电阻R17接地，所述放大器U6的反相输入端还通过电阻R19与所述放大器U6的输出端相连，所述放大器U6的输出端与所述MCU控制芯片U7的输入端P_A/D相连；所述放大器U6的输入输出端口DIO_7为所述MCU控制芯片U7的输入端P_A/D，所述MCU控制芯片U7的第一无线输出端RX_TX通过电容C5接地，所述MCU控制芯片U7的第二无线输出端RF_N通过电感L1与第一无线输出端RX_TX相连，所述第二无线输出端RF_N还通过电感L2与第三无线输出端RF_P相连，所述第三无线输出端RF_P还通过电容C7接地，所述第二无线输出端RF_N还依次通过电容C6、电感L4、电感L5与所述输出天线1081相连，所述电容C6和所述电感L4之间的连线通过电容C8接地，所述电感L4和所述电感L5之间的连线通过电容C9接地，所述电容C6和所述电感L4之间的连线还通过电感L3与所述第三无线输出端RF_P相连，所述MCU控制芯片U7的输入输出端口DIO_5、输入输出端口DIO_6分别为所述自供电压力传感器的有线输出端JTAG_TDO、有线输出端JTAG_TDI，所述MCU控制芯片U7的电源端VCC与3.3V电源相连。
在信号处理模块106中，电荷放大电路1061将压力传感单元102产生的电荷量转化为便于测量的电压信号，低通滤波电路1062将这个电压信号进行滤波和变压处理，再通过MCU处理电路1063中的MCU控制芯片U7的AD转换功能将电压信号转换为数字信号，并通过MCU控制芯片U7的计算处理得出压力信息，然后将压力信息通过无线或有线的方式输出。
更具体地，所述MCU控制芯片U7可为CC2650芯片。
CC2650芯片具有AD转换及Zigbee无线通信的功能，再加上CC2650本身具有低功耗及超低功耗休眠的特点，很适合作为此传感器的MCU。
具体地，所述能量管理模块105可包括：能量管理芯片U31和锂电池BAT；所述能量管理芯片U31的交流输入端AC1与所述压电俘能器单元103的一个输出电极相连，所述能量管理芯片U31的交流输入端AC2与所述压电俘能器单元103的另一个输出电极相连，所述能量管理芯片U31的电压输入端Vin通过电容C31与所述能量管理芯片U31的电容连接端CAP相连，所述能量管理芯片U31的电压输入端Vin还通过电容C32接地，所述能量管理芯片U31的电压输入端Vin2通过电容C33接地，所述能量管理芯片U31的电池充电使能端CHARGE依次通过电阻R31、电容C34接地，所述能量管理芯片U31的变压输入端BB_IN与所述电阻R31和所述电容C34之间的连线相连，所述能量管理芯片U31的变压输入端BB_IN还与所述能量管理芯片U31的电池隔离开关输出端BAT_OUT相连，所述能量管理芯片U31的备用电源输入端BAT_IN通过所述锂电池BAT接地，所述锂电池BAT的两端并接有电容C35；所述能量管理芯片U31的降压变压器开关端SW串接电感L1后与所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout相连，所述能量管理芯片U31的SWA端子通过电感L2与所述能量管理芯片U31的SWB端子相连，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout通过电容C36与所述能量管理芯片U31的超级电容公共端BAL相连，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout通过电容C37接地，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout与所述能量管理芯片U31的超级电容平衡器输入端SCAP相连，所述能量管理芯片U31的超级电容公共端BAL还通过电容C38接地，所述能量管理芯片U31的逻辑参考点Vin3通过电容C39接地，所述能量管理芯片U31的接地端GND接地，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout输出3.3V电压。
本实施例中的能量管理模块105负责把压电俘能器单元103获得的能量经过整流、滤波、变压等处理将电能存储起来，还负责控制对其他电路的供电。
具体地，所述能量管理芯片U31可为LTC3331芯片。
LTC3331芯片同时连接着压电俘能器单元103和锂电池BAT。在压电俘能器单元103产生电能充足的情况下，可以在利用压电俘能器单元103获得的能量为整个电路系统供电的同时，给锂电池BAT充电；在压电俘能器单元103产生电能不充足的情况下，能量管理芯片U31会调用锂电池BAT来为整个电路系统供电。其中，能量管理芯片U31的引脚Vout为电压输出端口，为整个系统提供电能。
本发明作为一种基于压电效应的可独立工作的压力传感器，由于其具有体积小，可直接输出压力的数字信号，不需要匹配相应的外部处理电路，可在复杂环境下工作，可编程升级等特点，此传感器可在物联网传感器节点等领域广泛使用，具有很大的应用前景。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种具有高集成度的自供电压力传感器，包括封装壳体，其特征在于：所述封装壳体内设有竖直通孔（101）的圆柱体，所述圆柱体主要由上下堆叠在一起的压力传感单元（102）和压电俘能器单元（103）组成，所述压力传感单元（102）和所述压电俘能器单元（103）之间设置有非极化隔离层（104）；
所述竖直通孔（101）内设有能量管理模块（105）和信号处理模块（106），所述压电俘能器单元（103）的输出电极与所述能量管理模块（105）的输入端电气连接，所述压力传感单元（102）的输出电极与所述信号处理模块（106）的输入端电气连接，所述能量管理模块（105）的输出端与所述信号处理模块（106）的电源端电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有高集成度的自供电压力传感器，其特征在于：所述压力传感单元（102）包括：多个上下堆叠在一起的第一极化压电片（1021），每一个第一极化压电片（1021）的上下两端均设置有第一金属片（1022），相邻两个第一极化压电片（1021）共用一个第一金属片（1022），且相邻两个第一极化压电片（1021）的极化方向相反，所有第一极化压电片（1021）的正极并接在一起形成所述压力传感单元（102）的输出正电极，所有第一极化压电片（1021）的负极并接在一起形成所述压力传感单元（102）的输出负电极；
所述压电俘能器单元（103）包括：多个上下堆叠在一起的第二极化压电片（1031），每一个第二极化压电片（1031）的上下两端均设置有第二金属片（1032），相邻两个第二极化压电片（1031）共用一个第二金属片（1032），且相邻两个第二极化压电片（1031）的极化方向相反，所有第二极化压电片（1031）的正极并接在一起形成所述压电俘能器单元（103）的输出正电极，所有第二极化压电片（1031）的负极并接在一起形成所述压电俘能器单元（103）的输出负电极；
所述圆柱体的上下两端均设置有封装陶瓷片（107）。
3.根据权利要求2所述的一种具有高集成度的自供电压力传感器，其特征在于：所述第一极化压电片（1021）的制作材料为PZT-5H，所述第二极化压电片（1031）的制作材料为PMN-PT。
4.根据权利要求1所述的一种具有高集成度的自供电压力传感器，其特征在于：所述竖直通孔（101）内还设有无线传输模块（108），所述无线传输模块（108）的输入端与所述信号处理模块（106）的输出端电气连接，所述无线传输模块（108）的输出天线（1081）设置于所述封装壳体的表面上。
5.根据权利要求4所述的一种具有高集成度的自供电压力传感器，其特征在于：所述信号处理模块（106）包括：电荷放大电路（1061）、低通滤波电路（1062）和MCU处理电路（1063），所述电荷放大电路（1061）包括：放大器U1、放大器U2、放大器U3、放大器U4和放大器U5，所述低通滤波电路（1062）包括：放大器U6，所述MCU处理电路（1063）包括：MCU控制芯片U7；
所述压力传感单元（102）的一个输出电极通过电阻R1与所述放大器U1的反相输入端相连，所述压力传感单元（102）的另一个输出电极通过电阻R2与所述放大器U2的反相输入端相连，所述放大器U1的反相输入端还通过电阻R3与所述放大器U1的输出端相连，所述电阻R3的两端并接有电容C1，所述放大器U2的反相输入端还通过电阻R4与所述放大器U2的输出端相连，所述电阻R4的两端并接有电容C2，所述放大器U1的同相输入端通过电阻R5接地，所述放大器U2的同相输入端通过电阻R6接地；所述放大器U3的同相输入端通过电阻R7与所述放大器U1的输出端相连，所述放大器U4的同相输入端通过电阻R8与所述放大器U2的输出端相连，所述放大器U3的输出端依次通过电阻R9、电阻R10和电阻R11与所述放大器U4的输出端相连，所述放大器U3的反相输入端与所述电阻R9和所述电阻R10之间的连线相连，所述放大器U4的反相输入端与所述电阻R10和所述电阻R11之间的连线相连，所述放大器U3的输出端通过电阻R12与所述放大器U5的反相输入端相连，所述放大器U4的输出端通过电阻R13与所述放大器U5的同相输入端相连，所述放大器U5的同相输入端还通过电阻R14接地，所述放大器U5的反相输入端还通过电阻R5与所述放大器U5的输出端相连；
所述放大器U5的输出端依次通过电阻R16、电阻R18与所述放大器U6的同相输入端相连，所述电阻R16和所述电阻R18之间的连线通过电容C3接地，所述放大器U6的同相输入端还通过电容C4接地，所述放大器U6的反相输入端通过电阻R17接地，所述放大器U6的反相输入端还通过电阻R19与所述放大器U6的输出端相连，所述放大器U6的输出端与所述MCU控制芯片U7的输入端P_A/D相连；
所述放大器U6的输入输出端口DIO_7为所述MCU控制芯片U7的输入端P_A/D，所述MCU控制芯片U7的第一无线输出端RX_TX通过电容C5接地，所述MCU控制芯片U7的第二无线输出端RF_N通过电感L1与第一无线输出端RX_TX相连，所述第二无线输出端RF_N还通过电感L2与第三无线输出端RF_P相连，所述第三无线输出端RF_P还通过电容C7接地，所述第二无线输出端RF_N还依次通过电容C6、电感L4、电感L5与所述输出天线（1081）相连，所述电容C6和所述电感L4之间的连线通过电容C8接地，所述电感L4和所述电感L5之间的连线通过电容C9接地，所述电容C6和所述电感L4之间的连线还通过电感L3与所述第三无线输出端RF_P相连，所述MCU控制芯片U7的输入输出端口DIO_5、输入输出端口DIO_6分别为所述自供电压力传感器的有线输出端JTAG_TDO、有线输出端JTAG_TDI，所述MCU控制芯片U7的电源端VCC与3.3V电源相连。
6.根据权利要求5所述的一种具有高集成度的自供电压力传感器，其特征在于：所述MCU控制芯片U7为CC2650芯片。
7.根据权利要求1所述的一种具有高集成度的自供电压力传感器，其特征在于：所述能量管理模块（105）包括：能量管理芯片U31和锂电池BAT；
所述能量管理芯片U31的交流输入端AC1与所述压电俘能器单元（103）的一个输出电极相连，所述能量管理芯片U31的交流输入端AC2与所述压电俘能器单元（103）的另一个输出电极相连，所述能量管理芯片U31的电压输入端Vin通过电容C31与所述能量管理芯片U31的电容连接端CAP相连，所述能量管理芯片U31的电压输入端Vin还通过电容C32接地，所述能量管理芯片U31的电压输入端Vin2通过电容C33接地，所述能量管理芯片U31的电池充电使能端CHARGE依次通过电阻R31、电容C34接地，所述能量管理芯片U31的变压输入端BB_IN与所述电阻R31和所述电容C34之间的连线相连，所述能量管理芯片U31的变压输入端BB_IN还与所述能量管理芯片U31的电池隔离开关输出端BAT_OUT相连，所述能量管理芯片U31的备用电源输入端BAT_IN通过所述锂电池BAT接地，所述锂电池BAT的两端并接有电容C35；
所述能量管理芯片U31的降压变压器开关端SW串接电感L1后与所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout相连，所述能量管理芯片U31的SWA端子通过电感L2与所述能量管理芯片U31的SWB端子相连，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout通过电容C36与所述能量管理芯片U31的超级电容公共端BAL相连，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout通过电容C37接地，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout与所述能量管理芯片U31的超级电容平衡器输入端SCAP相连，所述能量管理芯片U31的超级电容公共端BAL还通过电容C38接地，所述能量管理芯片U31的逻辑参考点Vin3通过电容C39接地，所述能量管理芯片U31的接地端GND接地，所述能量管理芯片U31的电压输出端Vout输出3.3V电压。
8.根据权利要求7所述的一种具有高集成度的自供电压力传感器，其特征在于：所述能量管理芯片U31为LTC3331芯片。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710266746.0A CN106989850B (zh) | 2017-04-21 | 2017-04-21 | 一种具有高集成度的自供电压力传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710266746.0A CN106989850B (zh) | 2017-04-21 | 2017-04-21 | 一种具有高集成度的自供电压力传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106989850A CN106989850A (zh) | 2017-07-28 |
| CN106989850B true CN106989850B (zh) | 2019-07-16 |
Family
ID=59417962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710266746.0A Active CN106989850B (zh) | 2017-04-21 | 2017-04-21 | 一种具有高集成度的自供电压力传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106989850B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107862779A (zh) * | 2017-12-15 | 2018-03-30 | 中国计量大学 | 一种低功耗的动态二维码电子锁 |
| CN109781335B (zh) * | 2019-02-28 | 2020-05-19 | 华中科技大学 | 一种基于电化学原理的自发电型压力传感器及其制备方法 |
| CN110726497B (zh) * | 2019-09-26 | 2022-08-16 | 翰群科技有限公司 | 自供电压力传感器垫及其加工方法以及出入口监视装置 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101431303A (zh) * | 2007-11-08 | 2009-05-13 | 上海市卢湾区东南医院 | 微压力传感发电方法 |
| CN101895232A (zh) * | 2010-08-06 | 2010-11-24 | 武汉钢铁(集团)公司 | 具有弹性元件连接的压电俘能器 |
| CN201868918U (zh) * | 2010-11-30 | 2011-06-15 | 武汉理工大学 | 基于压电自发电的无线传感器网络节点电源管理系统 |
| CN102749158A (zh) * | 2012-04-13 | 2012-10-24 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 一种自供电压力传感器 |
| CN103016599A (zh) * | 2012-12-13 | 2013-04-03 | 浙江师范大学 | 集成式自供电液压阻尼器 |
| CN203443713U (zh) * | 2013-07-12 | 2014-02-19 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 基于摩擦发电的压力传感器 |
| CN203895415U (zh) * | 2014-05-08 | 2014-10-22 | 上海相友超声科技有限公司 | 一种用于检测键合压力的装置 |
| CN104180936A (zh) * | 2014-09-10 | 2014-12-03 | 天地科技股份有限公司 | 矿用本安型微功耗无线兼有线通信自供电压力传感器 |
| CN105099272A (zh) * | 2015-10-08 | 2015-11-25 | 北京理工大学 | 一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路 |
| CN105593794A (zh) * | 2013-12-18 | 2016-05-18 | 日本写真印刷株式会社 | 压力检测器以及具备压力检测器的触摸面板 |
| CN105781546A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-07-20 | 太原理工大学 | 一种无线无源煤岩界面识别装置 |
-
2017
- 2017-04-21 CN CN201710266746.0A patent/CN106989850B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101431303A (zh) * | 2007-11-08 | 2009-05-13 | 上海市卢湾区东南医院 | 微压力传感发电方法 |
| CN101895232A (zh) * | 2010-08-06 | 2010-11-24 | 武汉钢铁(集团)公司 | 具有弹性元件连接的压电俘能器 |
| CN201868918U (zh) * | 2010-11-30 | 2011-06-15 | 武汉理工大学 | 基于压电自发电的无线传感器网络节点电源管理系统 |
| CN102749158A (zh) * | 2012-04-13 | 2012-10-24 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 一种自供电压力传感器 |
| CN103016599A (zh) * | 2012-12-13 | 2013-04-03 | 浙江师范大学 | 集成式自供电液压阻尼器 |
| CN203443713U (zh) * | 2013-07-12 | 2014-02-19 | 纳米新能源（唐山）有限责任公司 | 基于摩擦发电的压力传感器 |
| CN105593794A (zh) * | 2013-12-18 | 2016-05-18 | 日本写真印刷株式会社 | 压力检测器以及具备压力检测器的触摸面板 |
| CN203895415U (zh) * | 2014-05-08 | 2014-10-22 | 上海相友超声科技有限公司 | 一种用于检测键合压力的装置 |
| CN104180936A (zh) * | 2014-09-10 | 2014-12-03 | 天地科技股份有限公司 | 矿用本安型微功耗无线兼有线通信自供电压力传感器 |
| CN105099272A (zh) * | 2015-10-08 | 2015-11-25 | 北京理工大学 | 一种用于压电-电磁复合式俘能器的能量采集电路 |
| CN105781546A (zh) * | 2016-04-19 | 2016-07-20 | 太原理工大学 | 一种无线无源煤岩界面识别装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106989850A (zh) | 2017-07-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN208013131U (zh) | 一种基于多传感器的农业信息采集系统 | |
| CN106989850B (zh) | 一种具有高集成度的自供电压力传感器 | |
| Jin et al. | A novel design of water environment monitoring system based on WSN | |
| CN107727819A (zh) | 基于nb‑iot的自供电多参数水质监测仪 | |
| CN206470379U (zh) | 一种用于电池组电压监测的集成电路 | |
| CN106793176A (zh) | 一种基于升压电路的环境实时监控系统 | |
| Wang et al. | Hybridized energy harvesting device based on high-performance triboelectric nanogenerator for smart agriculture applications | |
| CN105937921A (zh) | 一种同步监测水流和水质的浮动式系统 | |
| CN104062685B (zh) | 用于水下磁异常网络的感应式磁场传感器 | |
| CN103475260B (zh) | 基于变电站电场能量的电容式集能转换装置 | |
| CN206290980U (zh) | 一种燃气管网泄漏瞬变压力波实时采集模块 | |
| CN205785367U (zh) | 电磁水表 | |
| CN101902079A (zh) | 免电池再生电源无线数字传感器 | |
| CN202511940U (zh) | 一种物联网无线传输数字压力表 | |
| CN206725485U (zh) | 一种基于NB‑IoT的pH检测装置及其数据管理系统 | |
| CN206020363U (zh) | 二线制总线探测器 | |
| CN203481335U (zh) | 一种自监测智能蓄电池组 | |
| CN206237186U (zh) | 电子烟及其电源结构 | |
| CN206518565U (zh) | 一种自供电无线心音传感器 | |
| CN107121222A (zh) | 一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器 | |
| CN205882817U (zh) | 一种基于无线传感器网络的风能收集装置 | |
| CN107359691A (zh) | 一种便携式太阳能无线充电装置及方法 | |
| CN201708595U (zh) | 免电池再生电源无线数字传感器 | |
| CN106931948A (zh) | 一种水文遥测仪 | |
| CN208316682U (zh) | 一种基于物联网技术的光储能源运行参数监测装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |