CN111189563A - 一种压力检测装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压力检测装置，包括：信号接收单元，用于接收电磁信号，并将所述电磁信号转换为具有标准阻抗的微波功率信号；压力检测单元，其具有压感件，以当所述压力检测单元受到待检测体施加的压力时，使所述压感件的介电常数改变；整流单元，与所述压力检测单元通过电磁耦合连接，且电连接信号接收单元，用于对所述微波功率信号进行整流并输出直流电压信号，且在所述压感件的介电常数发生变化时调节所述直流电压信号；报警单元，连接所述整流单元，用于在所述直流电压信号的驱动下进行报警。本发明提供的压力检测装置采用电磁耦合的方式实现压力检测单元和整流单元的信号连接以实现压力的准确监测，减小了系统结构，提升了效率，从而增大了测量距离。

Description

一种压力检测装置及系统
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种压力检测装置及系统。
背景技术
压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置，其作为一种常用的传感器，被广泛应用于各种工业自控环境中，包括水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天等领域。在工程上，为了监测桥梁、建筑等基建结构的可靠性，经常需要其对受力点或者螺丝、螺母处的压力进行测量。
目前，常用的压力检测装置采用传统的有线传感器，即通过导线连接传感器和测量电路，传感器受压后电容(或电阻)发生变化，测量电路通过监测电容(或电阻)，实现压力监控，同时采用超声波回波的方法测量建筑内部的压力变化。
然而，这种有线连接方式使得压力检测装置的系统结构较大，受限于导线和电池容量，其能够测量的距离和工作时间有限；且在实际当中，螺丝螺母往往都埋在建筑内部，从而导致检测装置难以进行拆卸充电和维修替换；同时，超声波回波的测量方式容易受环境影响产生误差，影响测量的准确性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种压力检测装置及系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种压力检测装置，包括：
信号接收单元，用于接收电磁信号，并将所述电磁信号转换为具有标准阻抗的微波功率信号；
压力检测单元，其具有压感件，以当所述压力检测单元受到待检测体施加的压力时，使所述压感件的介电常数改变；
整流单元，与所述压力检测单元通过电磁耦合连接，且电连接信号接收单元，用于对所述微波功率信号进行整流并输出直流电压信号，且在所述压感件的介电常数发生变化时调节所述直流电压信号；
报警单元，连接所述整流单元，用于在所述直流电压信号的驱动下进行报警。
在本发明的一个实施例中，所述整流单元包括整流电路，所述整流电路包括阻抗匹配电路以及与所述阻抗匹配电路连接的滤波器；其中，
所述阻抗匹配电路与所述信号接收单元连接；
所述滤波器与所述压感件连接，用于当所述压感件的介电常数发生改变时，改变所述滤波器的阻抗匹配参数，以调节所述整流电路的输出电压信号。
在本发明的一个实施例中，所述压感件直接放置在所述滤波器上。
在本发明的一个实施例中，所述压感件固定连接在所述滤波器上。
在本发明的一个实施例中，所述压感件采用粘合或者螺丝连接的方式固定在所述滤波器上。
在本发明的一个实施例中，所述压感件为掺有液体金属的聚合物泡沫。
在本发明的一个实施例中，所述掺有液体金属的聚合物泡沫的初始压缩率为20％～70％。
在本发明的一个实施例中，所述滤波器为阶跃式阻抗匹配滤波器，其包括长度依次变短的第一枝节、第二枝节以及第三枝节，其中，所述第一枝节和所述第三枝节用于对所述整流电路进行匹配和滤波，所述第二枝节用于对所述阶跃式阻抗匹配滤波器进行补偿。
在本发明的一个实施例中，所述报警装置为蜂鸣器或者LED灯。
本发明的另一个实施例提供了一种压力检测系统，包括：发射端以及接收端，其中，
所述发射端用于发射电磁信号；其包括信号源、放大器以及发射天线；
所述接收端与所述发射端无线连接，并将所述电磁信号转换为具有标准阻抗的微波功率信号，后整流为直流功率，从而输出电压信号，其包括如上述实施例所述的压力检测装置。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的压力检测装置，采用电磁耦合的方式实现压力检测单元和整流单元的信号连接，从而实现压力的准确监测，这一独特的设计将供电模块与压力检测模块合二为一，无需额外的压力检测电路，减小了系统的结构和复杂度，提升了效率，进而增大了无线监测的距离；
2、本发明提供的压力检测装置采用掺有液体金属的聚合物泡沫作为压力传感器，其结构简单，可靠性高，且泡沫本身无需电池供电，降低了系统的复杂度，提升了系统工作的可靠性和使用寿命；
3、本发明提供的压力检测装置采用阶跃式阻抗匹配滤波器，其可以对整流电路同时实现匹配和滤波功能，且能够与掺有液体金属的聚合物泡沫完美适配从而使系统更加稳定；同时，通过在滤波器上增加补偿枝节，有效避免了泡沫初始状态对电路的影响，从而确保了整个系统的性能；
4、本发明提供的压力检测装置由于简单的系统结构、无线连接方式以及无需电池供电的聚合物泡沫压力传感器，使其可以埋入建筑物内部进行测量，实现了无电池、简单及高可靠性的压力测量；
5、本发明提供的压力检测系统通过电磁波的方式对埋入建筑物内部的压力检测装置进行供电，实现了无线和无电池供电测量建筑物内部的压力，且其不易受环境影响，相比传统超声波回波的测量方法，提高了测量的准确性。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种压力检测装置示意图；
图2是本发明实施例提供的整流单元实例图；
图3a～3b是本发明实施例提供的泡沫和整流单元的实例图；
图4a是本发明实施例提供的液体金属聚合物泡沫的介电常数与压缩率之间的关系曲线图；
图4b是本发明实施例提供的整流单元输出电压和泡沫压缩率之间的关系曲线图；
图5是本发明手实例提供的一种压力检测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种压力检测装置示意图，包括：
信号接收单元1，用于接收电磁信号，并将所述电磁信号转换为具有标准阻抗的微波功率信号；
压力检测单元2，其具有压感件，以当所述压力检测单元2受到待检测体施加的压力时，使所述压感件的介电常数改变；
整流单元3，与所述压力检测单元1通过电磁耦合连接，且电连接信号接收单元，用于对所述微波功率信号进行整流并输出直流电压信号，且在所述压感件的介电常数发生变化时调节所述直流电压信号；
报警单元4，连接所述整流单元3，用于在所述直流电压信号的驱动下进行报警。
进一步地，所述信号接收单元包括接收天线，其主要用于接收电磁信号并对其进行阻抗转换。
具体地，接收天线接收空气中阻抗为377欧姆的电磁波能量，并将该电磁功率的阻抗转换为电路系统常用的标准阻抗，得到具有标准阻抗的电磁功率，也即微波功率信号。
一般而言，电路常用的标准阻抗为50欧姆。
进一步地，所述整流单元3包括整流电路，所述整流电路包括阻抗匹配电路以及与所述阻抗匹配电路连接的滤波器；其中，
所述阻抗匹配电路与所述信号接收单元连接；
所述滤波器与所述压感件连接，用于当所述压感件的介电常数发生改变时，改变所述滤波器的阻抗匹配参数，以调节所述整流电路的输出电压信号。
在本实施例中，整流单元与信号接收单元通过电连接方式实现信号连接，与压力检测单元通过电磁耦合的方式实现信号连接。
进一步地，滤波器和压感件可以是活动连接，也可以是固定连接，用户可以根据具体应用场景任意设置连接方式。例如，在外露的环境中测量压力时，可将压感件直接放置在滤波器上，无需固定连接，这样使用起来简单方便；如果需要检测建筑物或者桥梁等内部的压力时，可将压感件固定在滤波器上，一起埋入建筑物内部，这样可增加系统的可靠性。
具体地，压感件可以采用粘合的方式固定在滤波器上，也可以采用螺纹螺母固定在滤波器上。
进一步地，所述压感件为掺有液体金属的聚合物泡沫。当掺有液体金属的聚合物泡沫受压时，其介电常数会显著增加，可以改变周围电场分布。
整流单元与该掺有液体金属的聚合物泡沫制作的压力传感器通过电磁耦合的方式实现信号连接，并通过当液体金属聚合物泡沫受压导致其介电常数发生变化时，将影响整流单元的电场特性，从而改变整流单元的阻抗，最终改变整流单元的输出电压。报警单元在整流单元输出电压的驱动下进行报警，从而实现压力监测。
传统的压力检测装置，其传感器跟检测电路均是通过导线电连接的，传感器受压后电容发生变化，测量电路通过检测电容或电阻变化来实现压力监控。而在本实施例中，压力检测装置是采用电磁耦合的方式实现信号连接的，并没有利用电容或电阻变化这一现象，而是利用液体金属聚合物泡沫介电常数改变这一特点，对整流单元的输出电压进行控制，从而实现压力监测。
此外，传统检测系统主要由两部分构成，一部分是供电模块，需要电池或者有线电源对系统进行供电，方能正常运行；另一部分是压力检测模块，其由压力敏感材料和检测电路共同构成，而本实施例提供的压力检测装置的结构利用无线供电，摆脱了电池和线缆，而泡沫和整流电路直接实现非接触耦合则可以使系统无需额外的压力检测电路，降低了系统的复杂度，同时，由于掺有液体金属的聚合物泡沫可靠性高，且本身无需电池供电，采用其作为压力传感器进一步地简化了系统的结构，改善了系统工作效率和工作距离，使其测量距离可以达到5米甚至更远，同时提高了系统工作的可靠性，也将整个装置的使用寿命延长至30年甚至更久。
进一步地，所述滤波器为阶跃式阻抗匹配滤波器，其包括长度依次变短的第一枝节、第二枝节以及第三枝节，其中，所述第一枝节和所述第三枝节用于对所述整流电路进行匹配和滤波，所述第二枝节用于对所述阶跃式阻抗匹配滤波器进行补偿。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的整流单元实例图，图2中，白色虚线内的即为阶跃式阻抗匹配滤波器，可以看到，滤波器的枝节依次变短，普通工作状态下，滤波器靠最左侧(即第一枝节)和最右侧(即第三枝节)两根枝节实现匹配与滤波，当介电常数轻微增加时，滤波器引起匹配失效和频率偏移，此时，中间的枝节(即第二枝节)会对滤波器进行补偿，从而减小介电常数对匹配和频率偏移的影响，使电路特性不会发生较大的变化；当介电常数显著增大时，所有枝节均无法工作在正常状态，故电路彻底匹配失效，频率偏移，导致输出电压降低。
本实施例采用阶跃式阻抗匹配滤波器，其可以对整流电路同时实现匹配和滤波功能，且能够与掺有液体金属的聚合物泡沫完美适配从而使系统更加稳定；同时，通过在滤波器上增加补偿枝节，有效避免了泡沫初始状态对电路的影响，从而改善了整个系统的性能。
在本实施例中，所述掺有液体金属的聚合物泡沫采用粘合的方式与所述滤波器实现固定连接。当掺有液体金属的聚合物泡沫(简称泡沫)受压，其介电常数会显著增加，进而导致滤波器匹配失效，且发生频率偏移，此时，整流单元的直流输出会显著下降。请参见图3a～3b，图3a～3b是本发明实施例提供的泡沫和整流单元的实例图，其中，图3a中，泡沫粘合在滤波器的末端，无按压，此时电路的性能衰减量很小；图3b中，用手按压泡沫，泡沫受力被压缩，其介电常数显著升高，该电路的性能则会发生急剧变化，电路匹配失效，频率偏移，此时电路的输出电压会发生明显变化。为了更直观的检测这种变化，通常在电路输出端连接LED灯或者蜂鸣器等装置，则会出现LED灯不亮，蜂鸣器不响的结果。
进一步地，所述掺有液体金属的聚合物泡沫的初始压缩率为20％～70％，用户可根据实际需求和泡沫的不同类型任意调整。
请参见图4a～4b，图4a是本发明实施例提供的液体金属聚合物泡沫的介电常数与压缩率之间的关系曲线图，图4b是本发明实施例提供的整流单元输出电压和泡沫压缩率之间的关系曲线图；
从图4a中可以看出，随着压缩率的增加，液体金属聚合物泡沫的介电常数显著增加，并在60％压缩率时达到最大，而后逐渐减小，而0掺杂的泡沫则基本不变。从图4b可以看出，40％掺杂(介电常数5左右)和0％掺杂(介电常数1.8左右)的液体金属在未压缩时，电路的输出基本相同，这证明了阻抗匹配滤波器补偿的效果，即介电常数较小时，电路性能不会被影响。参照电路结果来看，初始输出电压1.8v，此时足以驱动蜂鸣器和LED，随着泡沫的压缩，输出逐渐降低，在60％压缩时电压约为0.5v，此时，电压已无法驱动蜂鸣器和LED。而随着压力继续增加，介电常数下降，输出电压也逐渐提升。
基于这一现象，在实际应用当中，根据泡沫类型和实际需求将初始状态下的液体金属聚合物泡沫设置成被压缩至20％～70％的任一状态，优选60％，此时，电路的输出电压很低，无法驱动蜂鸣器和LED，蜂鸣器不会发出响声。当压力改变导致液体金属聚合物泡沫的压缩率发生变化时，无论压缩率增加还是减少，均会使得输出电压增加，从而驱动蜂鸣器发声，或者LED灯发亮。
本实施例提供的压力检测装置其结构极为简单，可靠性高，且无需更换电池，在实际使用时，可将其埋入建筑物内部，并配以蜂鸣器以实现建筑物内部的压力测量，使用时间长。
压力检测装置在埋入建筑物之间，根据压力大小的不同，选择耐压能力不同的掺有液体金属的聚合物泡沫，埋入建筑内之后，会利用建筑自身的压力对泡沫进行压缩，使其处于压缩状态；而建筑物对声音的损耗又很小，当发生自然灾害后，如地震等使建筑物内部压力改变时，检测人员可以很明显听到蜂鸣器的报警声，从而知晓建筑内部的压力情况。
实施例二
本实施例提供了一种压力检测系统，用于检测建筑物内部的压力。请参见图5，图5是本发明手实例提供的一种压力检测系统的结构示意图，包括：发射端A以及接收端B，其中，
所述发射端A用于发射电磁信号；其包括信号源、放大器以及发射天线；
所述接收端B与所述发射端A无线连接，用于接收所述电磁信号并将其转换为具有标准阻抗的微波功率，后整流为直流功率，从而输出电压信号，其包括如实施例一所述的压力检测装置。
考虑到本实施例提供的压力检测系统用于检测建筑物内部压力，其报警装置跟接收端均要埋入建筑物内部，所以选择蜂鸣器作为报警装置，方便检测人员判断建筑物内部压力情况。
进一步地，所述发射端A通过信号源、振荡器和放大器产生930MHz的电磁波通过发射天线发射出去，并将微波能量送入建筑物内部，接收端B通过接收天线接收微波信号，并将微波信号转换为具有标准阻抗的微波功率，然后经过整流输出直流电压，接收端的压力检测装置在进行压力检测时，改变直流输出，从而驱动蜂鸣器报警。
相比于传统结构，这一系统最大的优势在于其电路极为简单，且无需更换电池，其预计使用时间可以达到30年或更久，非常符合建筑内监测的需求。
同时，本发明采用微波传输的方式对埋入建筑物内部的检测装置进行供电，实现了远距离、无线、无电池供电测量建筑物内部的压力，且其不易受环境影响，不易产生误差，相比传统超声波回波的测量方法，提高了测量的准确性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压力检测装置，其特征在于，包括：
信号接收单元(1)，用于接收电磁信号，并将所述电磁信号转换为具有标准阻抗的微波功率信号；
压力检测单元(2)，其具有压感件，以当所述压力检测单元(2)受到待检测体施加的压力时，使所述压感件的介电常数改变；
整流单元(3)，与所述压力检测单元(1)通过电磁耦合连接，且电连接信号接收单元，用于对所述微波功率信号进行整流并输出直流电压信号，且在所述压感件的介电常数发生变化时调节所述直流电压信号；
报警单元(4)，连接所述整流单元(3)，用于在所述直流电压信号的驱动下进行报警。
2.根据权利要求1所述的压力检测装置，其特征在于，所述整流单元(3)包括整流电路，所述整流电路包括阻抗匹配电路以及与所述阻抗匹配电路连接的滤波器；其中，
所述阻抗匹配电路与所述信号接收单元连接；
所述滤波器与所述压感件连接，用于当所述压感件的介电常数发生改变时，改变所述滤波器的阻抗匹配参数，以调节所述整流电路的输出电压信号。
3.根据权利要求2所述的压力检测装置，其特征在于，所述压感件直接放置在所述滤波器上。
4.根据权利要求2所述的压力检测装置，其特征在于，所述压感件固定连接在所述滤波器上。
5.根据权利要求4所述的压力检测装置，其特征在于，所述压感件采用粘合或者螺丝连接的方式固定在所述滤波器上。
6.根据权利要求2所述的压力检测装置，其特征在于，所述压感件为掺有液体金属的聚合物泡沫。
7.根据权利要求6所述的压力检测装置，其特征在于，所述掺有液体金属的聚合物泡沫的初始压缩率为20％～70％。
8.根据权利要求2所述的压力检测装置，其特征在于，所述滤波器为阶跃式阻抗匹配滤波器，其包括长度依次变短的第一枝节、第二枝节以及第三枝节，其中，所述第一枝节和所述第三枝节用于对所述整流电路进行匹配和滤波，所述第二枝节用于对所述阶跃式阻抗匹配滤波器进行补偿。
9.根据权利要求1所述的压力检测装置，其特征在于，所述报警单元包括蜂鸣器或者LED灯。
10.一种压力检测系统，其特征在于，包括：发射端(A)以及接收端(B)，其中，
所述发射端(A)用于发射电磁信号；其包括信号源、放大器以及发射天线；
所述接收端(B)与所述发射端(A)无线连接，用于接收所述电磁信号并将其转换为具有标准阻抗的微波功率，后整流为直流功率，从而输出电压信号，其包括如权利要求1～9任一项所述的压力检测装置。
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