CN112284355A - 一种无源压电传感器及监测系统 - Google Patents
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Abstract
本公开披露一种无源压电传感器及监测系统，该无源压电传感器包括：汲能监测组件，用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能，以及用于检测被附着物体的运动状态；压电换能器件，与所述汲能监测组件连接，用于将所述被附着物体运动形态转化为电能并输出；无线通信组件，与所述压电换能器件连接，用于发送所述述被附着物体运动形态的电能信号。通过实施本公开披露的技术方案，该无源压电传感器可实现在应用环境下长期持续的自供电，且体积小，结构简单，造价成本低。
Description
技术领域
本公开涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种无源压电传感器及监测系统。
背景技术
加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量获得加速度值。加速度传感器随着半导体集成电路工艺和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的进步得以快速发展。
加速度传感器的应用十分广泛，例如车辆、智能手机、数码设备以及智能玩具等。常见的加速度传感器结构有应变式、压阻式、压电式和电容式等，恶劣环境中的加速度测量大都采用无线的工作方式。
目前，无线加速度传感器又分为有源和无源两种。其中，无线有源的加速度传感器一般采用射频收发电路进行数据传输，其收发电路依靠电池进行供电；无线无源的加速度传感器一般采用电感近场耦合原理传输数据，传感器结构简单不需要电池供电，特别适用恶劣环境中的应用。
然而，传感器长时间暴露在恶劣的环境条件下，例如高温、振动、电磁力、尘污、及雨雪等，导致的传感器损坏或故障会增加运营成本，所以如何实现传感器持续稳定的供电，是行业内亟待解决的重要问题。
发明内容
有鉴于此，本公开提供一种无源压电传感器及监测系统，可实现长期持续的自供电，至少部分解决现有技术中存在的问题。
为解决上述技术问题，本公开披露一种无源压电传感器，该无源压电传感器包括：
汲能监测组件，用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能，以及用于检测被附着物体的运动状态；
压电换能器件，与所述汲能监测组件连接，用于将所述被附着物体运动形态转化为电能并输出；
无线通信组件，与所述压电换能器件连接，用于发送所述述被附着物体运动形态的电能信号。
作为一种可选的实现方式，基于上述实施例，所述汲能监测组件进一步包括：
中心连接体；
第一悬臂，具有第一位姿监测轴，与所述中心连接体连接，用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量第一位姿监测轴的加速度；
第二悬臂，具有第二位姿监测轴，与所述中心连接体连接，用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量第二位姿监测轴的加速度；
第三悬臂，具有第三位姿监测轴，与所述中心连接体连接，用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量第三位姿监测轴的加速度。
作为一种可选的实现方式，基于上述实施例，所述压电换能器件进一步包括：
第一悬臂压电换能器，与所述第一悬臂连接，并通过第一身份标识模块与所述无线通信组件连接；
第二悬臂压电换能器，与所述第二悬臂连接，并通过第二身份标识模块与所述无线通信组件连接；
第三悬臂压电换能器，与所述第三悬臂连接，并通过第三身份标识模块与所述无线通信组件连接。
作为一种可选的实现方式，基于上述实施例，所述汲能监测组件还包括：
第一垂直悬臂，设置在所述第一悬臂上并围绕所述第一位姿监测轴旋转；所述第一垂直悬臂用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量垂直于所述第一位姿监测轴方向的角加速度；
第二垂直悬臂，设置在所述第二悬臂上并围绕所述第二位姿监测轴旋转；所述第二垂直悬臂用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量垂直于所述第二位姿监测轴方向的角加速度；
第三垂直悬臂，设置在所述第三悬臂上并围绕所述第三位姿监测轴旋转；所述第三垂直悬臂用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量垂直于所述第三位姿监测轴方向的角加速度。
作为一种可选的实现方式，基于上述实施例，所述压电换能器件还包括：
第一垂直悬臂压电换能器，与所述第一垂直悬臂连接，并通过第四身份标识模块与所述无线通信组件连接；
第二垂直悬臂压电换能器，与所述第二垂直悬臂连接，并通过第五身份标识模块与所述无线通信组件连接；
第三垂直悬臂压电换能器，与所述第三垂直悬臂连接，并通过第六身份标识模块与所述无线通信组件连接。
作为一种可选的实现方式，基于上述实施例，所述无线通信组件进一步用于：
传输载有所述第一位姿监测轴的加速度、所述第二位姿监测轴的加速度及所述第三位姿监测轴的加速度的信号；和/或
传输载有垂直于所述第一位姿监测轴的角加速度、垂直于所述第二位姿监测轴的角加速度及垂直于所述第三位姿监测轴的角加速度的信号。
作为一种可选的实现方式，基于上述实施例，所述无线通信组件进一步包括信号发射电路和天线，为LC/RLC/RC/石英振荡器；
所述第一悬臂压电换能器、所述第二悬臂压电换能器、所述第三悬臂压电换能器、所述第一垂直悬臂压电换能器、所述第二垂直悬臂压电换能器、以及所述第三垂直悬臂压电换能器分别与所述振荡器并联连接。
作为一种可选的实现方式，基于上述实施例，上述无源压电传感器还包括：
密封壳体，用于封装该无源压电传感器使其内部为密封的真空环境；和/或
附着组件，用于将所述无源压电传感器附着于被监测物体上；和/或
容置杆体，与所述中心连接体连接，并开设有用于容置所述信号发射电路和天线的容置空间。
相应地，本公开还披露一种监测系统，该监测系统包括：
至少一个上述任一种所述的无源压电传感器，用于监测所附着目标的运动姿态变化，并发送监测到的姿态变化信号。
作为一种可选的实现方式，基于上述实施例，该监测系统还包括：
接收器，用于接收所述无源压电传感器发射的监测信号；
处理器，用于处理所述监测信号并提取异常特征；
分析预警装置，用于根据预先建立的标准特征，对所述异常特征进行分析判断，并在确定异常之后进行预警。
与现有技术相比，本公开披露的无源压电传感器及监测系统具有以下技术效果：
本公开设计一种新型的无源压电传感器，可实现在应用环境下长期持续的自供电，且体积小，结构简单，造价成本低。进一步来讲，本公开的无源压电传感器通过压电材料造成的形变，将所附着物体的动能转换为电能，实现长期持续的自供电，因此，在使用过程中不必考虑器件的供电问题，且避免了更换电池的难题，也避免了因供电问题而整体替换器件所导致的成本增加的问题。
并且，该无源无线压电传感器的柔性压电部件在汲能的同时，将测得的被测物体的运动状态信息，通过无线通信组件发射出去，实现对目标物体的运动状态的准确、有效监测。
本公开的无源压电传感器及监测系统所产生的技术效果在下文做更进一步的阐述。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本公开实施例中无源压电传感器的组成框图；
图2为本公开实施例中无源压电传感器的一种结构示意图；
图3为本公开实施例中一种无源压电传感器的内部电路结构示意图；
图4为本公开实施例中无源压电传感器的另一种结构示意图；
图5为本公开实施例中另一种无源压电传感器的内部电路结构示意图。
附图标记说明：
10 中心连接体
20 第一悬臂
21 第一垂直悬臂
30 第二悬臂
31 第二垂直悬臂
40 第三悬臂
41 第三垂直悬臂
50 容置杆体
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
为实现传感器的持续供电问题，本公开披露一种无源压电传感器，参照图1所示，该无源压电传感器包括：汲能监测组件、压电换能器件以及无线通信组件，其中：
汲能监测组件用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能，以及用于检测被附着物体的运动状态；
压电换能器件与汲能监测组件连接，用于将被附着物体运动形态转化为电能并输出；
无线通信组件与压电换能器件连接，用于发送述被附着物体运动形态的电能信号。
本实施例中，设计一种新型的无源压电传感器，压电材料造成的形变将所附着物体的动能转换为电能，实现长期、持续的自供电，因此，在使用过程中不必考虑器件的供电问题，且避免了更换电池的难题，也避免了因供电问题而整体替换器件所导致的成本增加的问题。
并且，该无源无线压电传感器的柔性压电部件在汲能的同时，将测得的被测物体的运动状态信息，通过无线通信组件发射出去，实现对目标物体的运动状态的准确、有效监测。
参照图2所示，在一可选实施例中，上述汲能监测组件可进一步包括：中心连接体10、第一悬臂20、第二悬臂30及第三悬臂40，其中：
第一悬臂20具有第一位姿监测轴，第一悬臂20与中心连接体10连接，第一悬臂20用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量第一位姿监测轴的加速度；
第二悬臂30具有第二位姿监测轴，第二悬臂30与中心连接体10连接，第二悬臂30用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量第二位姿监测轴的加速度；
第三悬臂40具有第三位姿监测轴，第三悬臂40与中心连接体10连接，第三悬臂40用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量第三位姿监测轴的加速度。
如图3所示，作为一种可选的实现方式，上述实施例中，压电换能器件可进一步包括：第一悬臂压电换能器、第二悬臂压电换能器及第三悬臂压电换能器，其中：
第一悬臂压电换能器与第一悬臂连接，并通过第一身份标识模块与无线通信组件连接；
第二悬臂压电换能器与第二悬臂连接，并通过第二身份标识模块与无线通信组件连接；
第三悬臂压电换能器与第三悬臂连接，并通过第三身份标识模块与无线通信组件连接。
在一可选实施例中，无线通信组件可进一步用于传输载有第一位姿监测轴的加速度、第二位姿监测轴的加速度及第三位姿监测轴的加速度的信号。
在一可选实施例中，无线通信组件可进一步包括信号发射电路和天线，例如，可以是LC/RLC/RC/石英振荡器，用于将压电换能器件产生的电压差信号接收并发射出去。并且，第一悬臂压电换能器、第二悬臂压电换能器、第三悬臂压电换能器分别与振荡器并联连接。
上述实施例中，无源压电传感器可以为一种加速度传感器，第一悬臂压电换能器、第二悬臂压电换能器、第三悬臂压电换能器通过调整电容，使得压电传感器传输的三个轴向的信号频率不同，通过输出信号的频率和振幅，以此获得检测物三轴加速度的大小。当检测物的运动加速度越大时，产生的形变电压差越大，加速度传感器传输特定频率信号的幅度越大，从而接收机测量到的特定频率的振幅越大。
参照图4所示，在一可选实施例中，上述汲能监测组件还可包括：第一垂直悬臂21、第二垂直悬臂31以及第三垂直悬臂41，其中：
第一垂直悬臂21设置在第一悬臂20上，并围绕第一位姿监测轴旋转；第一垂直悬臂21用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量垂直于第一位姿监测轴方向的角加速度；
第二垂直悬臂31设置在第二悬臂30上，并围绕第二位姿监测轴旋转；第二垂直悬臂31用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量垂直于第二位姿监测轴方向的角加速度；
第三垂直悬臂41设置在第三悬臂40上，并围绕第三位姿监测轴旋转；第三垂直悬臂41用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量垂直于第三位姿监测轴方向的角加速度。
如图5所示，作为一种可选的实现方式，上述压电换能器件还可包括：第一垂直悬臂压电换能器、第二垂直悬臂压电换能器、以及第三垂直悬臂压电换能器，其中：
第一垂直悬臂压电换能器与第一垂直悬臂连接，并通过第四身份标识模块与无线通信组件连接；
第二垂直悬臂压电换能器与第二垂直悬臂连接，并通过第五身份标识模块与无线通信组件连接；
第三垂直悬臂压电换能器与第三垂直悬臂连接，并通过第六身份标识模块与无线通信组件连接。
作为一种可选的实现方式，无线传输组件可进一步用于传输载有第一旋转轴的角加速度、第二旋转轴的角加速度及第三旋转轴的角加速度的信号。
需要说明的是，本实施例中，定义第一位姿监测轴为X轴，第二位姿监测轴为Y轴，第三位姿监测轴相为Z轴，那么，第一旋转轴是指与第一位姿监测轴X轴相垂直的轴，定义为X’轴，第二旋转轴是指与第二位姿监测轴Y轴相垂直的轴，定义为Y’轴，第三旋转轴是指与第三位姿监测轴Z轴相垂直的轴，定义为Z’轴。
本实施例中，无源压电传感器可以是一种无源陀螺仪，可以监测XYZ三个轴加速度和X’Y’Z’三个轴的角加速度。本实施中，该无源压电加速度和角加速度传感器可实现在应用环境下长期持续的自供电，且体积小，结构简单，造价成本低。
在一可选实施例中，无线通信组件进一步包括信号发射电路和天线，例如可以为LC/RLC/RC/石英振荡器。第一垂直悬臂压电换能器、第二垂直悬臂压电换能器、以及第三垂直悬臂压电换能器分别与振荡器并联连接。
作为一种可选的实现方式，上述第一至第六身份标识模块与信号发射电路和天线连接，用于确定与身份标识模块对应连接的汲能监测组件的身份标识，该身份标识用于确定加速度、角加速度的方向。
可选的是，本实施例中的上述第一至第六身份标识模块可为电感器件，如图5中所示的L0-L6，不同的汲能监测组件通过产生不同的电压信号，而形成各自的身份标识。
作为一种可选的实现方式，如图2、图4所示，中心连接体10可为球体，该中心连接体10上可设置有容置杆体50，容置杆体50与中心连接球体10连通，二者内开设有用于容置信号发射电路和天线的容置空间。
在一可选实施例中，上述无源压电传感器还可包括密封壳体，该密封壳体用于封装该无源压电传感器使其内部为密封的真空环境。
在一可选实施例中，上述无源压电传感器还可包括附着组件，该附着组件用于将无源压电传感器附着于被监测物体上。
本实施例中，通过设计一种新型的压电传感器，适用于任何液体环境，通过液体流动对柔性压电材料造成的形变将动能转换为电能，实现长期、持续的自供电，因此，在使用过程中不必考虑器件的供电问题，且避免了更换电池的难题。并且，该无源无线压电传感器的压电换能器，在汲能的同时，将测得的液体流动信息包括流速和流向，通过无线通信组件发射出去，实现对所监测液体环境的准确、有效反馈动态信息。此外，该无源无线压电传感器的体积小，结构简单，造价成本低，可作为一次性监测设备，非常适合投放至不便于更换、或回收的液体环境中，实现监测。
相应地，本公开还披露一种监测系统，该监测系统包括：至少一个如前述任一实施例公开的无源压电传感器，该无源压电传感器用于监测所附着目标的运动姿态变化，并发送监测到的姿态变化信号。
在一可选实施例中，该监测系统还可包括以下组成器件：
接收器，用于接收无源压电传感器发射的监测信号；
处理器，用于处理监测信号并提取异常特征；
分析预警装置，用于根据预先建立的标准特征，对异常特征进行分析判断，并在确定异常之后进行预警。
本实施中，该无源压电加速度和角加速度传感器可实现在应用环境下长期持续的自供电，且体积小，结构简单，造价成本低。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种无源压电传感器，其特征在于，包括：
汲能监测组件，用于汲取来自传感器所附着物体的任意方向的动能，以及用于检测被附着物体的运动状态；
压电换能器件，与所述汲能监测组件连接，用于将所述被附着物体运动形态转化为电能并输出；
无线通信组件，与所述压电换能器件连接，用于发送所述述被附着物体运动形态的电能信号。
2.根据权利要求1所述的无源压电传感器，其特征在于，所述汲能监测组件进一步包括：
中心连接体；
第一悬臂，具有第一位姿监测轴，与所述中心连接体连接，用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量第一位姿监测轴的加速度；
第二悬臂，具有第二位姿监测轴，与所述中心连接体连接，用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量第二位姿监测轴的加速度；
第三悬臂，具有第三位姿监测轴，与所述中心连接体连接，用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量第三位姿监测轴的加速度。
3.根据权利要求2所述的无源压电传感器，其特征在于，所述压电换能器件进一步包括：
第一悬臂压电换能器，与所述第一悬臂连接，并通过第一身份标识模块与所述无线通信组件连接；
第二悬臂压电换能器，与所述第二悬臂连接，并通过第二身份标识模块与所述无线通信组件连接；
第三悬臂压电换能器，与所述第三悬臂连接，并通过第三身份标识模块与所述无线通信组件连接。
4.根据权利要求2或3所述的无源压电传感器，其特征在于，所述汲能监测组件还包括：
第一垂直悬臂，设置在所述第一悬臂上并围绕所述第一位姿监测轴旋转；所述第一垂直悬臂用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量垂直于所述第一位姿监测轴方向的角加速度；
第二垂直悬臂，设置在所述第二悬臂上并围绕所述第二位姿监测轴旋转；所述第二垂直悬臂用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量垂直于所述第二位姿监测轴方向的角加速度；
第三垂直悬臂，设置在所述第三悬臂上并围绕所述第三位姿监测轴旋转；所述第三垂直悬臂用于汲取来自所述传感器所附着物体的任意方向的动能、以及用于测量垂直于所述第三位姿监测轴方向的角加速度。
5.根据权利要求4所述的无源压电传感器，其特征在于，所述压电换能器件还包括：
第一垂直悬臂压电换能器，与所述第一垂直悬臂连接，并通过第四身份标识模块与所述无线通信组件连接；
第二垂直悬臂压电换能器，与所述第二垂直悬臂连接，并通过第五身份标识模块与所述无线通信组件连接；
第三垂直悬臂压电换能器，与所述第三垂直悬臂连接，并通过第六身份标识模块与所述无线通信组件连接。
6.根据权利要求5所述的无源压电传感器，其特征在于，所述无线通信组件进一步用于：
传输载有所述第一位姿监测轴的加速度、所述第二位姿监测轴的加速度及所述第三位姿监测轴的加速度的信号；和/或
传输载有垂直于所述第一位姿监测轴的角加速度、垂直于所述第二位姿监测轴的角加速度及垂直于所述第三位姿监测轴的角加速度的信号。
7.根据权利要求6所述的无源压电传感器，其特征在于：
所述无线通信组件进一步包括信号发射电路和天线，为LC/RLC/RC/石英振荡器；
所述第一悬臂压电换能器、所述第二悬臂压电换能器、所述第三悬臂压电换能器、所述第一垂直悬臂压电换能器、所述第二垂直悬臂压电换能器、以及所述第三垂直悬臂压电换能器分别与所述振荡器并联连接。
8.根据权利要求7所述的无源压电传感器，其特征在于，还包括：
密封壳体，用于封装该无源压电传感器使其内部为密封的真空环境；和/或
附着组件，用于将所述无源压电传感器附着于被监测物体上；和/或
容置杆体，与所述中心连接体连接，并开设有用于容置所述信号发射电路和天线的容置空间。
9.一种监测系统，其特征在于，包括：
至少一个如权利要求1至8任一项所述的无源压电传感器，用于监测所附着目标的运动姿态变化，并发送监测到的姿态变化信号。
10.根据权利要求9所述的监测系统，其特征在于，该系统还包括：
接收器，用于接收所述无源压电传感器发射的监测信号；
处理器，用于处理所述监测信号并提取异常特征；
分析预警装置，用于根据预先建立的标准特征，对所述异常特征进行分析判断，并在确定异常之后进行预警。
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