CN110806281A - 一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，包括与放大器相连接的应变片，应变片的中部设计具有一定弧面的应变弧，两端设计有椭圆通孔，应变弧上设置有差分非对称双半桥，所述差分非对称双半桥包括左臂和右臂，左臂为对称多层应变电阻栅，固定在弧形结构的正反面；右臂为放置于同一个金属基片的两个高精密度电阻。本发明实现了压力传感器的超微功耗效果，其压力数据的采样和存储消耗的平均功率小于1微瓦甚至0.1微瓦，终端通过内部储能电容实现超过10小时的待机和数据采集存储，对目前超微功耗传感器芯片技术和功能应用实现了较大突破。

Description

一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器

技术领域

本发明涉及一种射频识别领域(RFID)的超微功耗传感器，尤其是涉及一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器。

背景技术

传统的压力或形变传感器一般原理为两大类：

一、扩散硅压阻效应原理

如图1所示，在单晶硅片上扩散一个惠斯通电桥，形成扩散硅压力传感器，所述压力传感器用于检测作为压力源的被测介质，对被测介质进行施压使惠斯通电桥的桥壁电阻值发生变化，进而产生一个差动电压信号，此信号经信号处理电路中的专用放大器，将量程相对应信号转化成标准模拟信号，然后输出模拟量或数字信号。

但是，扩散硅压力传感器只能测量气体或液体介质，无法内置于混凝土结构物中去测量结构物的压力和形变。

二、应变片变阻原理

如图2所示，应变片式压力传感器的主要电路也为惠斯通电桥，当应变片收到压力产生形变后，电桥臂的电阻发生改变，产生一个差动电压信号，此信号经专用放大器，将量程相对应信号转化成标准模拟信号。

但是这类压力传感器功耗较高，电桥单臂的功耗较大，双臂损耗加倍，一般功耗为毫瓦级别。

一般单臂电阻R＝1KΩ，假设电压Vi＝3V，电桥电流为I，则：

I＝(Vi/R)*2＝6mA

所以这类传感器同样无法直接内置于混凝土结构物中。

因为内置混凝土结构物的压力和形变传感器需要解决以下几个问题：

(1)压力敏感件和混凝土之间需要很好的力学结合，也就是敏感件的适应性问题，从而达到较高的测量准确度和精度；

(2)需要解决高灵敏度问题，混凝土结构物局部形变量较小，需要压力敏感件有较高的灵敏度；

(3)需要解决压力敏感件的塑形失效问题，传感器内置于混凝土，无法后期维护，当形变过大时容易产生塑性形变，造成传感器损坏；

(4)需要解决压力敏感件的超微功耗问题，在射频识别相关技术领域，由于射频装置的终端天线采集的能量是无线远场辐射电波，到达终端后能量衰减较大，因此即使终端天线增益很高，能采集到的能量也极少，基本上以微瓦单位计量。特殊的，当射频装置的芯片和天线内置于混凝土结构物内部后，若混凝土结构物水泥标号超过60，则会造成较大的不利因素，包括信号屏蔽、中心频点偏移造成的带外衰减，另外混凝土结构物中钢筋的干扰也会改变天线的方向性，造成通讯距离减小。

而现有的传感器处理器芯片，即使是最精简的处理器和最优的低功耗生产工艺，实现压力数据采集一般需要毫瓦功率，无法实现传感器芯片和电路通过保护封装后植入钢筋混凝土结构物后长时间持续工作，因此本发明可以解决上述应用场景下在无线电波采集和存储能源的应用场景中实现超级微功耗的长时间待机和工作。

发明内容

本发明提供了一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，作为一种无源的电路架构和敏感元件，可以植入混凝土结构物中，能解决在极低的电能采集和电能存储量情况下定时采样混凝土结构物的微小形变和内部压力，并实现数据解算和数据存储的问题；其压力敏感件能很好适应混凝土结构物，能达到混凝土结构物微小形变检测要求并防止塑性变形，从而满足在内置混凝土结构物中，根据一定的外部条件，例如外部无线电波的激励和辐射，或者内部定时装置一小时间隔自动采样数据并存储，而这样的电路架构和敏感元件最长使用寿命能够达到50年。其技术方案如下所述：

一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，包括与放大器相连接的应变片，应变片的中部设计具有一定弧面的应变弧，两端设计有椭圆通孔，应变弧上设置有差分非对称双半桥，所述差分非对称双半桥包括左臂和右臂，左臂为对称多层应变电阻栅，固定在弧形结构的正反面；右臂为放置于同一个金属基片的两个高精密度电阻。

应变弧在弧面的正面和背面为对称形变。

左臂包括都为多层应变电阻栅的左上臂和左下臂，左上臂和左下臂置于同温环境中，抵消了温差产生的误差，

右上臂和右下臂都采用高精密度电阻。

多层应变电阻栅为正反面各4层串联。

应变弧的弧度所在圆最小半径r为：r>(H/FS)/2，其中，H为应变片厚度，FS为应变片最大形变量。

应变片两端设计的椭圆通孔对称设置，所述椭圆通孔的长轴平行于应变弧。

椭圆通孔占用应变片面积不小于二分之一。

所述内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器实现了压力传感器的超微功耗效果，其压力数据的采样和存储消耗的平均功率小于1微瓦甚至0.1微瓦，远远小于传统的压力传感器。进而实现了压力敏感件和电路通过保护封装后形成射频终端植入钢筋混凝土结构物，仅仅利用外部远场无线电波激励源情况下的能量采集后，终端通过内部储能电容实现超过10小时的待机和数据采集存储，对目前超微功耗传感器芯片技术和功能应用实现了较大突破。

附图说明

图1是所述扩散硅压力传感器的结构原理示意图；

图2是所述应变片式压力传感器的结构原理示意图；

图3是本发明的应变片结构示意图；

图4是图3的侧视图；

图5是应变弧发生弧度形变的示意图；

图6是左臂安装位置图(侧面)；

图7是所述差分非对称双半桥电桥的结构示意图；

图8是小信号放大系统的示意图；

图9是图8的信号放大示意图；

图10是所述形变压力传感器的整体结构示意图；

图11是整个压力和形变采样系统的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，设计为一种无源的电路架构和敏感装置，用于植入在混泥土结构物中，能满足在极低的电能采集和电能存储量情况下，定时采样混凝土结构物的微小形变和内部压力，并实现数据解算和数据存储。同时压力传感器能很好适应混凝土结构物，能达到混凝土结构物微小形变检测要求并防止塑性变形。

如图3和图4所示，设计一种应变片1，应变基材采用306不锈钢，使用这种材料，应变片能很好适应混凝土结构物；图3中，应变片为长方形，具有2MM厚度。

实施例中，应变基材应考虑抗锈蚀，并同时做表面氧化等处理，应变基材可以采用306不锈钢材料，能适应混凝土，并具备大致相同的温度膨胀系数和较好的粘合性。

表1：不锈钢和混凝土物理特性

可以看出，混凝土和不锈钢的线膨胀系数相近。另外，考虑到混凝土和不锈钢弹性模量相差较大，因此本发明的设计是不锈钢屈服于混凝土的形变，因此不锈钢的厚度不能太厚，本实施例的设计为2mm厚，相对于300mm厚的钢筋混凝土结构物，能够完全满足混凝土的抗拉强度。

应变片1的中部设计有一定弧面，作为应变弧2，可以在弧面的正面和背面产生对称形变；应变弧2用钢模冲压而成，具有较高的弧度精度，其弧长为L，形成如图6所示的L弧。

应变片1两端设计有2个椭圆通孔3，用于在混凝土浇筑后生成水泥柱，起到固定作用，并且能抗较大的拉力，混凝土结构物的变动会使应变片1产生微小形变。通孔的面积为应变片面积的三分之二，呈左右对称分布，达到力矩平衡。

设计时，一般通孔的面积不超过应变片面积的四分之三。

如图5和图6所示，在应变弧2的正面和背面各固定一个4串联康铜电阻栅(连接位置)，当应变片1在X轴被拉伸或压缩时，应变弧2发生弧度形变。

所述X轴是指应变片1底面所在的方向，当在X轴发生非常微小的形变时，由于有L长的弧度存在，因此在X轴上首先在L弧上发生形变，而在L弧两端由于不锈钢的弹性模量值非常大(200GPa)，基本不发生形变或者忽略不计，以下分析计算L弧的形变量和贴在L弧上的电阻栅的形变量之间的数学关系。

应变弧2的弧度为θ，半径为r；前面的弧度长度为L1，对应X轴上的距离d1，后面的弧度长度为L2，对应X轴上的距离d2；正常情况下，混凝土结构物没有发生变动时，L1与L2长度相同，d1与d2长度相同。由于θ角很小，且r很大，因此这里采用极限分析法来分析形变的数学关系，并且分析中考虑到形变量很微小，因此形变近似按照线性来分析；

L1＝2πr·sinθ

L2＝2π(r+H)·sinθ

当应变片受到拉伸时，假设应变弧2拉伸为平面，此时设距离d：

d＝(L1+L2)/2

d＝π(2r+H)·sinθ

应变片1的正反弧面微小形变为：

ΔL1＝L1-d

ΔL1＝2πr·sinθ-π(2r+H)·sinθ

ΔL1＝-πH·sinθ

同理：

ΔL2＝πH·sinθ

应变片1的正反面的形变量两者仅相差正负符号，那么应变片最大形变量FS为：

FS＝ΔL1/L1

FS＝-H/(2·r)

由于电阻栅最大形变范围为2％，应变片厚度H＝1.5mm，因此设计弧度最小半径r：

r>(H/FS)/2＝37.5mm

如图7所示，在应变片1的基础上，设计一种独特的差分非对称双半桥电桥，不同于普通惠斯通电桥，差分非对称双半桥既解决了温漂、膨胀等共模噪声，同时又解决了微功耗的问题。

所述差分非对称双半桥电桥，是在普通惠斯通电桥基础上对电桥4臂进行改进，左臂4为对称多层应变电阻栅(左上臂5和左下臂6为多层应变电阻栅)，固定在弧形结构的正反面，左上臂5和左下臂6置于同温环境中，抵消了温差产生的误差，同时在应变片1正反面同一位置(左上臂5在应变片1正面，左下臂6在应变片1背面，结合图6所示，从俯视图看正反电阻栅应变片在相同位置)，抵消了应变片热胀冷缩产生的误差。

而电桥的右臂7用2个高精密度电阻放置于同一个电路位置上，即右上臂9和右下臂10都采用高精密度电阻，同样方法消除了温度产生的电阻误差和热胀冷缩产生的误差，额外的，由于电桥在测量过程中消耗了较大的电能，因此右臂的高精密度电阻采用了高阻值电阻，大大减少了电能损耗。

多层应变电阻栅增加了应变片的应变灵敏度，本发明设计了正反面各4层串联，理论上应变灵敏度增加到单层电阻栅电桥的8倍。

当在电桥施加电压后，电桥左臂和右臂中点输出差分信号，理论上应变片静止时输出0信号，当电桥平衡打破时将输出差动电压信号，这个电压信号被信号放大器放大。

可以计算差分非对称双半桥电路的静态电流如下：

多层电阻栅共4层串联，每层R＝1KΩ，正反面共8层，因此左臂静态电流IL：

IL＝Vi/RA＝3/(1*8)＝0.125mA；

右臂静态电流IR：

IR＝Vi/RB＝3/(100KΩ)＝0.03mA

因此电桥总静态电流IA：

IA＝IL+IR＝0.155mA

IA远小于普通应变传感器静态功耗，本发明设计以高时间周期占空比方式进一步把传感器平均功耗降低到纳安级别。

在差分非对称双半桥电桥后端，需要设计极低静态功耗的低噪声、低漂移、低失调电压的运算放大器，用于放大形变信号量。如图8所示，设计一个高灵敏度和低容抗的小信号放大系统，整个放大系统的最大时间常数τ＝RC，这里取R＝10KΩ(运放输出电阻)，C＝100PF，则

τ＝RC＝1us

因此小信号放大系统对上电后信号的反应速度在若干us左右，包括AD采样系统的信号保持时间Th和采样时间Ts(手册可查)

Th＝10us，Ts＝700us

总采样时间为：

Ta<750us

而放大电路静态电流为Ip＝20uA(手册查询)。

如图9所示，进一步的，设计一种逻辑控制电路，控制电桥、放大器、AD转换器电能和上电时序以及采样时序，把整个测量过程的时间t控制在5毫秒以内，从而达到极高的工作占空比，进一步减低电能损耗。根据全生命周期数据采样时间要求，约为10分钟采样一次，每次工作时间为小于5MS，因此平均功耗电流为Is：

Is＝(Ia+Ip)*5/(1000*10*60)＝1.5nA

因此模拟信号放大系统总平均电流控制在1.5nA左右；

同理数字信号处理系统总平均电流Id：

Id＝Ilp4*5/(1000*10*60)

Ilp4＝490uA，为数字处理系统在低功耗模式下的待机电流，而数字处理系统和模拟处理系统在能源管控芯片控制下工作模式结束后是完全关断的，因此

Id＝4nA

模拟和数字处理系统总平均功耗为5.5nA。

如图10所示，本发明提供的形变压力传感器，所述差分非对称双半桥电桥中，左臂4位于应变弧2上，右臂7放置电路基板11上，右上臂9和右下臂10下端都接触同一高导热铜12上，消除了温度产生的电阻误差和热胀冷缩产生的误差，所述电路基板11上，还可以安装有其他元件13。

如图11所示的整个压力和形变采样系统，201为无线电波能量采集和存储系统，301为微功耗采样存储和定时系统，401为模拟小信号放大和转换系统，其中401平均功耗如上述为5.5nA，301芯片工艺平均功耗为15nA(参考三级能源管控技术专利)，因此总平均功耗为小于20nA。

本发明提供的全生命周期管理的内置混凝土结构物的压力和形变检测和数据存储装置，本装置的平均功耗小于20nA，因此可以实现无源解决方案，只需要靠外部无线电波能量采集方式，从而达到使用年限50年的传感器装置。

Claims (8)

1.一种内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，其特征在于：包括与放大器相连接的应变片，应变片的中部设计具有一定弧面的应变弧，两端设计有椭圆通孔，应变弧上设置有差分非对称双半桥，所述差分非对称双半桥包括左臂和右臂，左臂为对称多层应变电阻栅，固定在弧形结构的正反面；右臂为放置于同一个金属基片的两个高精密度电阻。

2.根据权利要求1所述的内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，其特征在于：应变弧在弧面的正面和背面为对称形变。

3.根据权利要求1所述的内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，其特征在于：左臂包括都为多层应变电阻栅的左上臂和左下臂，左上臂和左下臂置于同温环境中，抵消了温差产生的误差。

4.根据权利要求1所述的内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，其特征在于：右上臂和右下臂都采用高精密度电阻。

5.根据权利要求3所述的内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，其特征在于：多层应变电阻栅为正反面各4层串联。

6.根据权利要求1所述的内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，其特征在于：应变弧的弧度所在圆最小半径r为：r>(H/FS)/2，其中，H为应变片厚度，FS为应变片最大形变量。

7.根据权利要求1所述的内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，其特征在于：应变片两端设计的椭圆通孔对称设置，所述椭圆通孔的长轴平行于应变弧。

8.根据权利要求7所述的内置混凝土结构物的无源超微功耗的形变压力传感器，其特征在于：椭圆通孔占用应变片面积不小于二分之一。

Images