CN108711953B - 由建筑材料制成的块 - Google Patents
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Abstract
一种建筑结构，包括建筑材料块和掩埋于建筑材料块中的磁回路。该结构还包括掩埋于建筑材料块中的多个感测设备。每个感测设备可以包括与磁回路磁耦合的无接触功率供应电路，以在磁回路承受可变磁场时生成供应电压。
Description
本申请是于申请日2013年9月25日提交的、申请号为201310454033.9、发明名称为“由建筑材料制成的块”的分案申请。
技术领域
本发明涉及建筑结构中的监视设备并且更具体地涉及一种由建筑材料制成的块，该块包括建筑材料的至少一种物理特性的感测设备磁耦合到的磁回路。
背景技术
用于实施机械结构的损坏检测和表征的策略常称为结构健康监视(SHM)。定义损坏为结构系统的材料和/或几何性质的使系统的性能恶化的修改，这些修改包括系统的边界条件和连接的修改。SHM过程意味着定期地使用以下各项随时间观测机械系统：
-来自传感器阵列的动态响应的测量，
-从这些测量感测的损坏特性的数据的提取，以及
-用于确定系统的健康状态的对这些特性数据的统计分析(也称为结构分析)。
考虑工作环境中的不可避免的老化和退化，这一过程的(定期地更新的)结果提供关于用于执行它的功能的结构容量的信息。在极端事件、比如地震或者爆炸之后，SHM用于快速筛选结构的条件用于几乎实时提供关于结构本身的完整性的可靠信息。
如今，SHM系统使用放置于待控制的表面上的传感器。例如用于监视桥梁的传感器(用于计算风速的风力计、加速度计、伸长计、运动换能器、温度传感器、用于检测重物的运动的传感器等)放置于横梁、钢索或者支柱的外表面上以便：
-估计负荷对桥梁的影响，
-评估桥梁的弱化，以及
-预见桥梁的可能演变及其预计寿命。
已经设计SHM系统具有适配于掩埋于待监视的结构中的传感器(这些传感器例如可以测量压强、湿度、温度等)。这些设备如在以下文章中举例说明的(无传感器的)RFID设备中那样具有用于将测量值发送到建筑材料块之外的至少一个远程供电和发送天线：A.Finocchiaro,G.Ferla,G,Girlando,F.Carrara,e G.Palmisano,“A900-MHz RFIDSystem with TAG-Antenna Magnetically-Coupled to the Die”,2008 IEEE RadioFrequency Integrated Circuits Symposium,pages 281-284。这一种感测设备例如在通过引用而结合于此的美国专利申请号2004/0153270、2012/0161789和2009/0033467中以及PCT公开WO 2012/084295中公开并且在图1、2、3和4中所描绘。
为了甚至在大尺寸的结构中供应掩埋的传感器，已知使用配备有接收天线和发送天线的功率供应屏蔽式电线或者设备，这些电线或者设备充当用于以无接触方式远距离发送为了向掩埋的传感器供电而需要的电磁能的连接。充当无接触连接的这些屏蔽式电线和设备掩埋于保护部分(混凝土保护层(cover)或者拱座石(abutment stone))中，因为电磁波甚至被相对薄的混凝土层以及被掩埋于加固混凝土的建筑结构中的加固条强阻尼。没有它们，可能没有可能允许掩埋于建筑材料块中的感测设备的远程供电天线以接收用于操作感测设备的充分强度的电磁场。
与使用这些掩埋的设备有关的不便之处在于用于向它们供电的电连接的有限可靠性。具体而言，在大尺寸的建筑结构、比如桥梁中，掩埋的传感器的电或者无接触功率供应连接可能随时间退化或者可能在灾难性事件期间受损。
如图5中示意地所示，该图涉及以相同申请人的名义的PCT申请WO 2012/084295和美国专利公开号2009/0033467中公开的传感器和无接触功率供应连接的移位，这些无接触连接通常掩埋于保护部分中。保护部分是建筑结构的最可能在火灾或者地震中损坏的部分。因此，掩埋于其中的电连接和/或无接触设备可能恰在灾难性事件之时损坏，而在灾难性事件之后，重要的可能是让它们恰当工作以便向掩埋的传感器供电并且因此具有关于结构的损坏的信息。
发明内容
可能希望能够对在相对大型建筑结构中掩埋的、例如在以相同申请人的名义的美国专利申请号US 2009/0033467或者意大利专利申请号ITMI20102365或者PCT申请WO2012/084295中公开的类型的、电流隔离的并且以无接触方式可供电的感测设备进行供电，而无需在保护部分中掩埋这些感测设备的无接触设备或者供电线路或者天线。
为了解决这一问题，已经实现一种建筑材料块，在该块中有由如下材料制成的磁回路，该材料适配成通过其传送感应的可变磁场。在该块中也有电流隔离的并且以无接触方式可供电的多个掩埋的感测设备，这些感测设备具有用于感测建筑材料的至少一种特性的传感器，所有感测设备配备有相应无接触功率供应电路，这些无接触功率供应电路被配置用于磁耦合到磁回路并且在磁回路传送可变磁场时通过感应生成传感器的供应电压。
利用外部激发线圈或者也利用在磁力计中所使用的工具类型，其中该激发线圈缠绕于成形为马蹄的该磁力计上，则有可能从该块外部在内部磁回路中感应可变磁场。沿着整个磁回路或者至少沿着其部分传送的这一可变磁场允许在从激发线圈的相对大的距离向掩埋的传感器供电。
根据一个实施例，磁回路包括钢条，这些钢条在它们之间被焊接并且最终涂覆有软磁材料层。
根据一个实施例，激发线圈缠绕于磁回路的向该块外突出的部分上并且被配置用于在磁回路中感应可变磁场。
根据另一实施例，磁回路被完全掩埋，并且激发线圈缠绕于磁回路的部分上并且掩埋于该块中而且具有从该块突出的连接端子。
附图说明
图1示出如在现有技术中的适配成在建筑材料中供应掩埋的传感器的屏蔽式线路。
图2示出如在现有技术中的适配成以无接触方式发送掩埋的传感器的运转所需要的电磁能的已知设备。
图3和4示出如在现有技术中的相互接连隔开布置的、适配成以无接触方式接收电磁能的已知传感器。
图5示出如在现有技术中的包含如下设备的建筑材料块的保护部分，该设备适配成以无接触方式接收用于操作掩埋的传感器所需的电磁能。
图6图示根据本公开内容的建筑材料块的一个实施例，该建筑材料块包含磁回路和磁耦合到该磁回路的传感器。
图7示出如何将美国专利申请号US 2009/0033467和PCT申请WO 2012/084295中所公开的设备磁耦合到掩埋的磁回路。
图8至12描绘用于在掩埋于块中的磁回路的磁材料中激发可变磁场的备选实施例。
图13图示通过连接掩埋于块中并且最终由外部磁材料层涂覆的钢条而实现的、根据本公开内容的磁回路的一个实施例。
图14示出适配成用于实现图13中所示磁回路的由外部磁材料层涂覆的钢条的实施例的横截面。
图15描绘用涂覆有磁材料的线螺纹所实现的、根据本公开内容的磁回路的一个实施例。
图16示出适配成用于实现图15中所示磁回路的钢螺纹的实施例。
图17和18示出用磁或者软磁材料分别完全或者条纹涂覆的隔离材料片，这些隔离材料片适配成被卷起用于提供根据本公开内容的、将掩埋于块中的磁回路。
图19示出根据本公开内容的磁回路，该磁回路包括由外部磁或者软磁材料层覆盖的钢条和磁耦合到该钢条的感测设备。
图20示出根据本公开内容的具有电磁扩展天线的感测设备的一个实施例。
图21至30示出根据本公开内容的、可以耦合到掩埋于块中的磁回路的感测设备的不同实施例。
具体实施方式
图6中描绘的一个实施例示出建筑材料块1，该建筑材料块包含磁回路2和建筑材料的至少一种物理特性的感测设备3，其中这些感测设备3磁耦合到磁回路2。磁回路2可以如图6中所示完全掩埋于建筑材料1中或者如下文将举例说明的那样仅被部分掩埋。
适配成掩埋于建筑材料块中的感测设备3、如例如在以相同申请人的名义的意大利专利申请ITMI20102365或者PCT专利申请WO 2012/084295中所公开的并且在图7中示出的感测设备与磁回路2磁耦合。通过贯穿磁电路2感应可变磁场，用于功率供应和用于无接触通信的电路4生成传感器IC 5的感应供应电压，该传感器IC 5可以在没有与外界电连接的情况下操作。
专利公开WO 2012/084295公开如下技术，该技术设想从保护部分开始在建筑材料中安装作为无接触连接4来操作的如下设备，这些设备适配成向掩埋感测设备3的传感器IC5发送供应电场的能量，这些感测设备由保护部分本身和由掩埋于建筑材料中的充当法拉第笼的加固金属结构所屏蔽。对照而言，根据本公开内容的技术，使用如下结构，该结构优选地、但是非唯一地闭合以形成用于向掩埋的感测设备3的传感器IC 5远程供电的磁回路2而未使用专利申请WO 2012/084295的充当掩埋于保护部分中的无接触连接的设备或者未使用感测设备的专用供电线路。
即使在其中保护部分可能受损的破坏性事件、比如火灾或者地震的情况下，将仍然有可能在磁回路中感应可变磁场并且因此向掩埋的传感器IC 5供电。对磁回路的最终损坏、如例如氧化或者甚至小的中断将最终引起细小间隙，该间隙将增加磁回路的总磁阻，但是它不会妨碍外部激发线圈感应充分强度的可变磁场以向掩埋的传感器中的至少一个传感器供电。在磁回路2以内生成可变磁场的不同方式是可能的。例如仅在图8至12中图示它们中的一些方式。
如果磁回路2的磁场未完全掩埋于建筑材料中，如图8中所示，则有可能将激发线圈6连接到单元7，该单元将通常包含被配置用于强制电流贯穿激发线圈6的发电机并且可选地包括从/向掩埋并且耦合到磁回路2的感测设备3收发信号的电路，并且可选地，它可以包含用于收集和分析来自感测设备3的数据的系统。
作为备选，如图9中所示，激发线圈6可以掩埋于建筑材料中并且通过如下接线与外部单元7连接，这些接线配备有向块外突出的电连接器8。
如图10和11中所示，为了向激发线圈6供电，有可能使用配备有天线20的电路9用于向包括磁回路2和感测设备3的系统远程供电以从由单元7的天线辐射并且由电路9的天线拾取的电磁场开始，强制电流贯穿线圈6。可选地，电路9可以配备有光伏电池单元10以即使在单元7不存在或者未产生任何电磁场或者未产生充分强的磁场时仍然强制电流贯穿线圈6。可选地，电路9可以配备有可以例如在夜间期间使用的用于存储能量的电池和/或蓄电池。可选地，电路9可以配备有用于收集来自掩埋的传感器IC 5的、也向单元8相继发送的数据的电路。
根据本公开内容的一个方面，可以如图12中所示通过使用包括例如成形为马蹄的磁材料12的激发设备11来向感测设备3供电，在该磁材料中，可变磁场被由单元7供电的线圈6激发。通过朝着磁回路2移动马蹄形磁材料12，在磁回路2中感应可变磁场、因此允许向至少一个感测设备3供电。这可以对执行建筑结构的局部的参数测量以便评估它在具体区域中的健康状态有用。这些激发设备11被用于测磁学中以用于测量磁回路的磁阻变化以及用于金属检测器中。任何技术人员能够使用以上描述和本领域公知的知识来实现这样的激发设备11，并且出于这一原因，不会进一步描述它的实际实现。
可以通过如图13中所示在磁回路2之间连接掩埋于块中的钢加固条来实现磁回路2。可以通过在它们之间焊接已经存在于加固混凝土的结构中的钢条来容易实施这一实施例。由于条的磁阻物理特性，所示实施例可以方便地用于在相对低的频率传送可变电磁场。
为了减少磁场在中/高频率的磁阻，可以如图14中所示方便地用磁材料、优选为软磁材料(也就是具有相对窄的磁滞循环而残留磁化可忽略不计的材料)的薄表层来涂覆条。以这一方式，将有可能通过使用在中/高频率的可变磁场来向在相对大的距离掩埋的感测设备供电并且与这些感测设备通信。
方便地，为了减少寄生电流和有关损耗，可以用抗磁材料层涂覆钢条，该抗磁材料层又涂覆有磁或者软磁材料表层。抗磁材料减少贯穿钢条的磁通量并且贯穿覆盖抗磁材料的磁材料传送这一磁通量。
仅作为示例，可以在钴、镍、铁及其合金之中选择磁或者软磁材并且可以通过使用传统技术将其沉积在限定磁回路2的铁条上。在这一磁或者软磁材料为颗粒形式的情况下，可以例如用涂绘或者喷涂沉积它。
为了进一步减少由于寄生电流所致的损耗并且因此允许使掩埋的传感器IC 5在相对高的频率工作，根据一个实施例，磁回路2将如图15中示意地所示由磁材料的线螺纹或者如图16中所示由涂覆有磁材料的线螺纹提供。这将使柔性磁回路适配成甚至沿着可以非常复杂的弯曲路径形成磁回路以甚至在特定区段中执行建筑结构的参数测量。
可选地，螺纹可以涂覆有隔离材料层以便减少涡电流，并且最终可以扭曲线螺纹以形成钢索。
根据特别适配成在高频率传送可变磁场的图17和18中所示其它实施例，可以通过卷起隔离材料片13，并且通过在浇灌混凝土之时在建筑材料中掩埋这样卷起的片来实现磁回路2，其中在该隔离材料片上有磁或者软磁材料14的均匀(图17)或者条纹(图18)涂层。优选地但是并非仅用薄膜技术沉积的涂层14优选地具有低磁阻，因为它包括磁或者软磁材料并且将由于如下涡电流而表现损耗，这些涡电流由于它的减少的厚度而相对小。
隔离材料13可以是树脂、纤维材料或者甚至聚合物、如例如Teflon、Kapton、PEN、PET、聚酰胺(Polymide)或者Arylite。优选地，软磁材料层将具有在100nm与1mm之间、更优选地在0.5μm与2μm之间、甚至更优选地为1μm的厚度。
可以卷起隔离材料片13从而保持涂覆有磁或者软磁材料层的表面朝着内部或者外部定向。
申请人进行的测试表明根据图17和18的实施例的磁回路允许也在数十米的距离在高频率向感测设备供电并且从/向它们收发数据。
如图19中所示，将耦合到磁回路2的感测设备3可以具有所谓电磁扩展或者集中电路，该电路被配置使得与磁回路2和传感器IC 5或者感测设备IC二者级联。在图19中所示示例实施例中，钢条涂覆有磁或者软磁材料层以具有减少的磁阻。这允许通过减少传送的可变磁场的损耗来增强磁回路的性能并且因此允许甚至在相对高频率与感测设备IC交换信息。
在图20中所示实施例中，根据美国专利公开号2009/0033467和PCT公开WO 2012/084295中的公开内容，感测设备3配备有两个电磁扩展或者集中电路。以这一方式，传感器IC 5可以被供电并且可以通过磁回路2或者通过天线21通信。
在图21至30中示出功率供应电路的、与磁回路2级联的感测设备3的不同示例实施例。为了简化，将参照其中这些设备耦合到包括加固混凝土块的钢条的磁回路的情况，但是它们也可以与如图17和18中所示由涂覆有磁或者软磁材料的隔离材料片13所提供、或者如图14中所示由涂覆有表面磁层的加固条所提供、或者另外如图16中所示由金属螺纹所提供的磁回路2组合使用。
传感器IC 5可以在将它装配于磁回路之后直接掩埋于块中(图21)或者可以装入建筑材料封装中(图22)，以形成嵌入电子电路的相对减少的尺寸的固体块中。这一固体块将在浇灌混凝土之前装配于磁回路上。在特别适配于低频通信的图21和22中所示实施例中，可以例如通过缠绕传导线以离散形式实现将传感器IC耦合到磁回路的线圈COIL。
根据一个实施例，传感器IC 5可以在非传导磁材料(图23)、例如铁素体的块内。根据一个实施例，传感器IC可以掩埋于建筑材料22的封装中，该封装又嵌入于磁材料块中。包围传感器IC 5的磁材料块将用绕组向级联的磁场赋予低磁阻，从而增强来自掩埋于块中的磁回路2和对传感器IC供电的线圈的能量传送。
具有电磁扩展或者集中电路的感测设备3可以实现于柔性支撑物上并且可以如图24中成形成具有内部孔15(该内部孔的尺寸被适配成容纳在建筑材料块中掩埋的加固条)并且配备有用于将设备固定到加固条的柔性翼23而无需焊接或者无需使用螺栓。图24中所示设备将在最终焊接之前安装于钢条上用于形成闭合磁回路。
在图25中示出掩埋的感测设备3的一个备选实施例。在这一实施例中，电磁扩展或者集中电路的衬底由柔性材料制成并且基本上为C形以限定具有切口16的孔15、该孔的尺寸被适配成与磁回路交叉。这样成形的设备可以在浇灌建筑材料之前的任何时间、由此不必在实现磁回路(例如通过在它们之间焊接钢条)之前，简单地通过弹性扩大切口16以强制磁回路的材料进入孔15而被固定到该块的磁回路。在衬底上限定电磁扩展电路以承受与纹合(threaded)入孔15中的至少一部分磁回路2级联的磁场通量(图26)。
电磁扩展电路可以具有例如如图27中所示任何形状，只要它与磁场的通量相交。
根据图28和29中所示备选实施例，电磁扩展电路可以绕着包含最终图案化的抗磁材料、比如铋、石墨或者热解石墨(pyrolithic graphite)的衬底的区闭合。抗磁材料的功能是增加从磁回路2向感测设备3传送的能量这样的功能。
根据一个实施例，可以图案化抗磁材料以减少涡电流。
根据又一实施例(图30)，电磁扩展电路的衬底配备有最终开螺纹的孔，最终通过旋拧磁或者软磁材料块而在这些孔中插入磁或者软磁材料块。这些块允许减少与磁扩展电路耦合的磁通量所见的磁阻。这一特性允许更密集磁通量并且因此增强与掩埋于建筑材料中的磁回路2的磁耦合、因此允许增加向掩埋的传感器IC 5的能量传送的效率。
这些块可以由塑料或者其中有磁材料颗粒的聚合物制成。例如这些块可以成形为如下螺钉(screw)，该螺钉具有它的相对的螺栓(bolt)。
Claims (20)
1.一种建筑结构，包括：
建筑材料块；
磁回路，其至少部分地设置在所述建筑材料块内，所述磁回路包括设置在磁隔离材料上的磁材料的卷，所述磁回路被配置成生成可变磁场；以及
传感器，其至少部分地设置在所述建筑材料块内，所述传感器被配置成确定所述建筑材料块的至少一种物理特性，所述传感器被配置成由所述可变磁场供电。
2.根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述建筑材料块包括混凝土。
3.根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述磁回路还包括设置在所述磁隔离材料上的磁材料的均匀涂层。
4.根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述磁回路还包括设置在所述磁隔离材料上的磁材料的条纹涂层。
5.根据权利要求1所述的建筑结构，其中所述磁隔离材料包括树脂、纤维材料、聚合物、Teflon、Kapton、PEN、PET、聚酰胺、Arylite中的至少一种。
6.一种建筑结构，包括：
建筑材料；
感测设备，其设置在所述建筑材料内，所述感测设备包括开口和供电电路，所述供电电路被配置成响应于可变磁场向所述感测设备供电；以及
磁结构，其延伸穿过所述建筑材料的至少一部分和所述感测设备的所述开口，所述磁结构被配置成生成用于向所述感测设备供电的可变磁场。
7.根据权利要求6所述的建筑结构，其中所述磁结构被布置成延伸穿过所述建筑材料的至少一部分的多个线螺纹。
8.根据权利要求7所述的建筑结构，其中所述多个线螺纹中的每个线螺纹涂覆有磁材料。
9.根据权利要求7所述的建筑结构，其中所述多个线螺纹扭曲形成钢索。
10.根据权利要求6所述的建筑结构，其中所述感测设备被配置成确定所述建筑材料的至少一种物理特性。
11.根据权利要求6所述的建筑结构，其中所述磁结构包括磁材料的卷片。
12.根据权利要求6所述的建筑结构，其中所述磁结构的针对所述感测设备的表面与所述感测设备的开口的内圆周分离开。
13.根据权利要求12所述的建筑结构，其中所述磁结构被配置成通过所述可变磁场无接触地耦合到所述供电电路。
14.一种系统，包括：
多个感测设备，其被配置成确定待测量材料的至少一种物理特性；以及
电路，其包括磁材料的卷片，所述电路被配置成与所述多个感测设备无接触地耦合，所述电路还被配置成适于向所述多个感测设备供电的可变磁场。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述待测量材料包括建筑材料，其中所述多个感测设备和所述电路至少部分地掩埋在所述建筑材料内，并且其中所述多个感测设备被配置成确定所述建筑材料的至少一种物理特性。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述磁材料的卷片包括在磁隔离材料上的所述磁材料的均匀涂层。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述磁材料的卷片包括在磁隔离材料上的所述磁材料的条形涂层。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述磁隔离材料包括树脂、纤维材料、聚合物、Teflon、Kapton、PEN、PET、聚酰胺、Arylite中的至少一种。
19.根据权利要求14所述的系统，还包括围绕所述电路的至少一部分的激励线圈，所述激励线圈包括供电端子，所述供电端子适配成连接到用于强制电流通过所述激励线圈的系统。
20.根据权利要求14所述的系统，其中所述磁材料包括钴、镍、铁及其合金中的至少一种。
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Legal Events
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| 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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Effective date of registration: 20220712 Address after: Geneva, Switzerland Patentee after: STMicroelectronics International N.V. Address before: Agrabrianza Patentee before: STMicroelectronics S.R.L. |
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