CN107121222A - 一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，包括：传感器本体和传感器金属头，所述传感器本体包括：具有空腔的封装壳体，封装壳体的空腔内设有过渡膜，过渡膜将空腔分隔为油液腔和绝缘腔，绝缘腔内设有电路板和压电模块，压电模块呈圆柱体状且横置在绝缘腔内，呈圆柱形的压电模块的一端紧贴过渡膜；油液腔内设有过滤元件，传感器金属头开有阻尼孔，阻尼孔通过过滤元件与封装壳体的空腔相连通；电路板上设有能量管理模块、信号处理模块和无线传输模块，压电模块包括压力传感单元和压电俘能器单元；本发明既不需要信号线进行信号传输，又不需要电源线进行供电，适用于压力传感领域。
Description
技术领域
本发明涉及液压用压力传感器的技术领域，具体涉及一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器。
背景技术
随着采煤技术的发展，液压支架得到广泛应用。而在综采工作面生产过程中，液压支架容易出现自动降架、死架、倒架等故障，这就需要通过实时监测液压缸液体压力的变化来了解液压支架与顶板的相互作用情况，以判断支架是否处于良好的工作状态。因此液压用压力传感器在保证生产安全中起着重要作用。
同时，由于在生产过程中，矿山开采的工作面会不断地进行移动和变化，这就增加了有线传输电缆布线的复杂度，而有线电缆的存在又限制了液压支架的动作范围，使得电缆损坏和扯断的现象经常发生，给采煤工作带来很多安全隐患。
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：提供一种既不需要信号线进行信号传输，又不需要电源线进行供电的基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，包括：传感器本体和传感器金属头，所述传感器本体包括：具有空腔的封装壳体，所述封装壳体的空腔内设有过渡膜，所述过渡膜将所述空腔分隔为油液腔和绝缘腔，所述绝缘腔内设有电路板和压电模块，所述压电模块呈圆柱体状且横置在所述绝缘腔内，所述呈圆柱形的压电模块的一端紧贴所述过渡膜；所述油液腔内设有过滤元件，所述传感器金属头开有阻尼孔，所述阻尼孔通过所述过滤元件与所述封装壳体的空腔相连通；所述电路板上设有能量管理模块、信号处理模块和无线传输模块，所述压电模块包括压力传感单元和压电俘能器单元，所述压力传感单元和所述压电俘能器单元均由多个上下堆叠在一起的压电片组成，所述压电片呈圆柱体状；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，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；所述呈圆柱形的压电模块的上下两端均设置有封装陶瓷片，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。
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，所述封装壳体上开有泄压孔，所述泄压孔内设有弹簧和弹簧座，所述封装壳体的空腔内设有阀芯，所述弹簧的一端固定在所述弹簧座上，所述弹簧的另一端与所述阀芯相连。
优选地，所述绝缘腔内设有电气保护壳和连接体，所述电路板位于所述电气保护壳内，所述连接体位于所述电气保护壳和所述压电模块之间，所述连接体内具有通孔，所述通孔内设有导线，所述电路板通过所述导线与所述压电模块电气连接。
优选地，所述传感器金属头的外圆周面上设有密封圈。
优选地，所述油液腔内设有空心细堵头，所述过滤元件通过所述空心细堵头固定在所述油液腔内。
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10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，所述能量管理模块包括：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。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中的液压用压力传感器，将压力传感单元、压电俘能器单元、能量管理模块、信号处理模块和无线传输模块集成在一个封装壳体内，使用时，将传感器金属头放入液压支架上的测压孔内，被测油液从传感器金属头上的阻尼孔进入封装壳体的空腔内，经过过滤元件滤除油液里的杂质后到达过渡膜，过渡膜将油液压力传递给压电模块；当受到外部压力时，压电模块会产生压电效应，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通过无线传输模块输出至传感器外部，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，具有结构简单、集成度高等优点；而且，利用了压电材料良好的测压和俘能特性，制作出了自供电的无线液压传感器，保证了液压传感器既不需要信号线进行信号传输，又不需要电源线进行供电，从根本上解决了传输线给被监测设备的移动带来的限制及减少了一定的安全隐患。
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、本发明可在封装壳体上开设泄压孔，在封装壳体的空腔内设置阀芯，泄压孔内设有弹簧和弹簧座，弹簧的一端固定在弹簧座上，弹簧的另一端与阀芯相连；当油压变化时，弹簧由于受力会发生一定的形变，压力过大时，阀芯回缩至打开状态，封装壳体空腔内的油液从泄压孔流出，空腔内的压力得到一定的宣泄，防止了液压过大损坏传感器。
4、在封装壳体内，可将整个传感器的电气部分放置在单独的电气保护壳体中，起到电气隔离的作用，提高了整个压力传感器的工作精度。
5、可在传感器金属头的外圆周面上设置密封圈，在密封圈的作用下，可将传感器本体与液压支架上的测压孔进行很好的连接，提高了压力传感器的工作稳定性。
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基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中压电模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中压电片的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中信号处理模块的电路原理图；
图6为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中能量管理模块的电路原理图；
图7为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中无线传感器网络节点示意图；
图中：1为传感器本体，2为传感器金属头，10为封装壳体，20为阻尼孔，21为密封圈，101为过渡膜，102为电路板，103为压电模块，104为过滤元件，105为弹簧，106为弹簧座，107为阀芯，108为电气保护壳，109为连接体，110为空心细堵头，1021为能量管理模块，1022为信号处理模块，1023为无线传输模块，1031为压力传感单元，1032为压电俘能器单元，1033为封装陶瓷片，1034为非极化隔离层，10221为电荷放大电路，10222为低通滤波电路，10223为MCU处理电路，10231为输出天线，10311为第一极化压电片，10312为第一金属片，10321为第二极化压电片，10322为第二金属片。
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基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器的结构示意图，图2为图1的俯视图，如图1、图2所示，一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，包括：传感器本体1和传感器金属头2，所述传感器本体1包括：具有空腔的封装壳体10，所述封装壳体10的空腔内设有过渡膜101，所述过渡膜101将所述空腔分隔为油液腔和绝缘腔，所述绝缘腔内设有电路板102和压电模块103，所述压电模块103呈圆柱体状且横置在所述绝缘腔内，所述呈圆柱形的压电模块103的一端紧贴所述过渡膜101；所述油液腔内设有过滤元件104，所述传感器金属头2开有阻尼孔20，所述阻尼孔20通过所述过滤元件104与所述封装壳体10的空腔相连通。
所述电路板102上设有能量管理模块1021、信号处理模块1022和无线传输模块1023，所述压电模块103包括压力传感单元1031和压电俘能器单元1032，所述压力传感单元1031和所述压电俘能器单元1032均由多个上下堆叠在一起的压电片组成，所述压电片呈圆柱体状；所述压电俘能器单元1032的输出电极与所述能量管理模块1021的输入端电气连接，所述压力传感单元1031的输出电极与所述信号处理模块1022的输入端电气连接，所述能量管理模块1021的输出端与所述信号处理模块1022的电源端电气连接，所述无线传输模块1023的输入端与所述信号处理模块1022的输出端电气连接，所述无线传输模块1023的输出天线10231设置于所述封装壳体10的表面上。
本实施例中的液压用压力传感器，将压力传感单元1031、压电俘能器单元1032、能量管理模块1021、信号处理模块1022和无线传输模块1023集成在一个封装壳体内，使用时，将传感器金属头2放入液压支架上的测压孔内，被测油液从传感器金属头2上的阻尼孔20进入封装壳体10的空腔内，经过过滤元件104滤除油液里的杂质后到达过渡膜101，过渡膜101将油液压力传递给压电模块103；当受到外部压力时，压电模块103会产生压电效应，一方面，压力传感单元1031产生的电荷通过其输出电极输送给信号处理模块1022，信号处理模块1022将该电荷转化为标准的数字信号后通过无线传输模块1023输出至传感器外部，另一方面，压电俘能器单元1032产生的电荷通过其输出电极输送给能量管理模块1021，能量管理模块1021将电能进行存储，并控制着对其他电路部分的电能输出；本发实施例把传感器部分、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，具有结构简单、集成度高等优点；而且，利用了压电材料良好的测压和俘能特性，制作出了自供电的无线液压传感器，保证了液压传感器既不需要信号线进行信号传输，又不需要电源线进行供电，从根本上解决了传输线给被监测设备的移动带来的限制及减少了一定的安全隐患。
具体地，所述封装壳体10上可开有泄压孔，所述泄压孔内设有弹簧105和弹簧座106，所述封装壳体10的空腔内设有阀芯107，所述弹簧105的一端固定在所述弹簧座106上，所述弹簧105的另一端与所述阀芯107相连。
本实施例中，当油压变化时，弹簧105由于受力会发生一定的形变，压力过大时，阀芯107回缩至打开状态，封装壳体10空腔内的油液从泄压孔流出，空腔内的压力得到一定的宣泄，防止了液压过大损坏传感器。
具体地，所述绝缘腔内可设有电气保护壳108和连接体109，所述电路板102位于所述电气保护壳108内，所述连接体109位于所述电气保护壳108和所述压电模块103之间，所述连接体109内具有通孔，所述通孔内设有导线，所述电路板102通过所述导线与所述压电模块103电气连接。
本实施例中，将整个传感器的电气部分放置在单独的电气保护壳体中，起到电气隔离的作用，提高了整个压力传感器的工作精度。
具体地，所述传感器金属头2的外圆周面上可设有密封圈21。
本实施例中，在密封圈的作用下，可将传感器本体与液压支架上的测压孔进行很好的连接，提高了压力传感器的工作稳定性。
具体地，所述油液腔内设有空心细堵头110，所述过滤元件104通过所述空心细堵头110固定在所述油液腔内。
图3为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中压电模块的结构示意图，图4为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中压电片的结构示意图，如图3、图4所示，所述压力传感单元1031可包括：多个上下堆叠在一起的第一极化压电片10311，每一个第一极化压电片10311的上下两端均设置有第一金属片10312，相邻两个第一极化压电片10311共用一个第一金属片10312，且相邻两个第一极化压电片10311的极化方向相反，所有第一极化压电片10311的正极并接在一起形成所述压力传感单元1031的输出正电极，所有第一极化压电片10311的负极并接在一起形成所述压力传感单元1031的输出负电极。
所述压电俘能器单元1032可包括：多个上下堆叠在一起的第二极化压电片10321，每一个第二极化压电片10321的上下两端均设置有第二金属片10322，相邻两个第二极化压电片10321共用一个第二金属片10322，且相邻两个第二极化压电片10321的极化方向相反，所有第二极化压电片10321的正极并接在一起形成所述压电俘能器单元1032的输出正电极，所有第二极化压电片10321的负极并接在一起形成所述压电俘能器单元1032的输出负电极。
所述呈圆柱形的压电模块103的上下两端均设置有封装陶瓷片1033，所述压力传感单元1031和所述压电俘能器单元1032之间设置有非极化隔离层1034。
更具体地，所述第一极化压电片10311的制作材料可为PZT-5H，所述第二极化压电片10321的制作材料可为PMN-PT。
本发实施例中的第一极化压电片10311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10321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。
本实施例中，所述压电俘能器单元1032堆叠在所述压力传感单元1031的上方，所述第一极化压电片10311和所述第二极化压电片10321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10的底座通孔引出。
图5为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中信号处理模块的电路原理图，如图5所示，所述信号处理模块1022可包括：电荷放大电路10221、低通滤波电路10222和MCU处理电路10223，所述电荷放大电路10221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10222包括：放大器U6，所述MCU处理电路10223包括：MCU控制芯片U7；所述压力传感单元1031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1031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10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10231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1022中，电荷放大电路10221将压力传感单元1031产生的电荷量转化为便于测量的电压信号，低通滤波电路10222将这个电压信号进行滤波和变压处理，再通过MCU处理电路10223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。
图6为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中能量管理模块的电路原理图，如图6所示，所述能量管理模块1021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1032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1032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1021负责把压电俘能器单元1032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。
更具体地，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1032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1032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1032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。
图7为本发明实施例提供的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器中无线传感器网络节点示意图，如图7所示，多个无线传感器节点可将数据发送到对应的路由节点；路由节点通过多跳的方式将这些数值传至Sink节点，路由节点同样负责将Sink节点收到的上位机命令传到传感器节点；Sink节点负责将网络内所有传感器节点采集到的监测数据通过协调器上传至上位机，通过计算机显示与控制，最终实现整个无线传感器网络的液压支架压力监测。
本发明作为一种基于压电效应的自供电无线液压用压力传感器，由于其具有结构简单、集成度高等特点，直接性解决了无线和自供电的问题，间接性解决了通信和供电线缆对设备移动的限制问题。此传感器可在物联网传感器节点等领域广泛使用，具有很大的利用价值。
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 (9)
1.一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，包括：传感器本体（1）和传感器金属头（2），所述传感器本体（1）包括：具有空腔的封装壳体（10），其特征在于：所述封装壳体（10）的空腔内设有过渡膜（101），所述过渡膜（101）将所述空腔分隔为油液腔和绝缘腔，所述绝缘腔内设有电路板（102）和压电模块（103），所述压电模块（103）呈圆柱体状且横置在所述绝缘腔内，所述呈圆柱形的压电模块（103）的一端紧贴所述过渡膜（101）；所述油液腔内设有过滤元件（104），所述传感器金属头（2）开有阻尼孔（20），所述阻尼孔（20）通过所述过滤元件（104）与所述封装壳体（10）的空腔相连通；
所述电路板（102）上设有能量管理模块（1021）、信号处理模块（1022）和无线传输模块（1023），所述压电模块（103）包括压力传感单元（1031）和压电俘能器单元（1032），所述压力传感单元（1031）和所述压电俘能器单元（1032）均由多个上下堆叠在一起的压电片组成，所述压电片呈圆柱体状；所述压电俘能器单元（1032）的输出电极与所述能量管理模块（1021）的输入端电气连接，所述压力传感单元（1031）的输出电极与所述信号处理模块（1022）的输入端电气连接，所述能量管理模块（1021）的输出端与所述信号处理模块（1022）的电源端电气连接，所述无线传输模块（1023）的输入端与所述信号处理模块（1022）的输出端电气连接，所述无线传输模块（1023）的输出天线（10231）设置于所述封装壳体（10）的表面上。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，其特征在于：所述压力传感单元（1031）包括：多个上下堆叠在一起的第一极化压电片（10311），每一个第一极化压电片（10311）的上下两端均设置有第一金属片（10312），相邻两个第一极化压电片（10311）共用一个第一金属片（10312），且相邻两个第一极化压电片（10311）的极化方向相反，所有第一极化压电片（10311）的正极并接在一起形成所述压力传感单元（1031）的输出正电极，所有第一极化压电片（10311）的负极并接在一起形成所述压力传感单元（1031）的输出负电极；
所述压电俘能器单元（1032）包括：多个上下堆叠在一起的第二极化压电片（10321），每一个第二极化压电片（10321）的上下两端均设置有第二金属片（10322），相邻两个第二极化压电片（10321）共用一个第二金属片（10322），且相邻两个第二极化压电片（10321）的极化方向相反，所有第二极化压电片（10321）的正极并接在一起形成所述压电俘能器单元（1032）的输出正电极，所有第二极化压电片（10321）的负极并接在一起形成所述压电俘能器单元（1032）的输出负电极；
所述呈圆柱形的压电模块（103）的上下两端均设置有封装陶瓷片（1033），所述压力传感单元（1031）和所述压电俘能器单元（1032）之间设置有非极化隔离层（1034）。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，其特征在于：所述第一极化压电片（10311）的制作材料为PZT-5H，所述第二极化压电片（10321）的制作材料为PMN-PT。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，其特征在于：所述封装壳体（10）上开有泄压孔，所述泄压孔内设有弹簧（105）和弹簧座（106），所述封装壳体（10）的空腔内设有阀芯（107），所述弹簧（105）的一端固定在所述弹簧座（106）上，所述弹簧（105）的另一端与所述阀芯（107）相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，其特征在于：所述绝缘腔内设有电气保护壳（108）和连接体（109），所述电路板（102）位于所述电气保护壳（108）内，所述连接体（109）位于所述电气保护壳（108）和所述压电模块（103）之间，所述连接体（109）内具有通孔，所述通孔内设有导线，所述电路板（102）通过所述导线与所述压电模块（103）电气连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，其特征在于：所述传感器金属头（2）的外圆周面上设有密封圈（21）。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，其特征在于：所述油液腔内设有空心细堵头（110），所述过滤元件（104）通过所述空心细堵头（110）固定在所述油液腔内。
8.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，其特征在于：所述信号处理模块（1022）包括：电荷放大电路（10221）、低通滤波电路（10222）和MCU处理电路（10223），所述电荷放大电路（10221）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（10222）包括：放大器U6，所述MCU处理电路（10223）包括：MCU控制芯片U7；
所述压力传感单元（1031）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（1031）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10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（10231）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。
9.根据权利要求1所述的一种基于压电技术的自供电无线液压用压力传感器，其特征在于：所述能量管理模块（1021）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（1032）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（1032）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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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