CN201726173U

CN201726173U - 一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置

Info

Publication number: CN201726173U
Application number: CN2010202620561U
Authority: CN
Inventors: 李宏伟; 冷志鹏
Original assignee: Shangong Structure Monitor & Control Engineering Center Co Ltd Ningbo
Current assignee: Shangong Structure Monitor & Control Engineering Center Co Ltd Ningbo
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2020-07-13

Abstract

本实用新型公开了一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，包括传感组件和给传感组件供电的电源装置，特点是传感组件包括传感器、滤波放大电路、信号处理电路和无线通讯电路，电源装置包括蓄电池、电源接口电路、转化光能为电能的太阳能光伏电池和转化机械能为电能的压电振子，电源接口电路包括压电供能电路和充放电管理电路，太阳能光伏电池通过充放电管理电路与蓄电池连接，压电振子通过压电供能电路与蓄电池连接，蓄电池分别与传感器、滤波放大电路、信号处理电路和无线通讯电路连接，优点在于采用了蓄电池、太阳能供电与压电材料发电三种供电方式，通过多种途径收集能量，将机械能和太阳能转化为电能，并把多余的电能在蓄电池中存储起来。

Description

一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置

技术领域

本实用新型涉及一种土木工程的结构健康监测装置，尤其是涉及一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置。

背景技术

大型土木工程结构和基础设施，如水坝、大型桥梁、高层建筑等，它们的使用期都长达几十年、甚至上百年。在其服役过程中，由于环境载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化以及其它使用不当的人为因素的影响，结构将不可避免地产生损伤积累，从而导致抗力衰减，甚至导致突发事故，给人民的生命和财产造成巨大的损失，甚至带来极坏的社会影响。例如，20世纪80年代以来，在北美、欧洲和亚洲的一些国家和地区，相继发生了一些桥梁结构的突然断裂倒塌事故。因此，对上述大型结构和设施进行结构健康监测，采取有效的手段实时地监测和预报结构的性能，及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。

在土木结构健康监测系统中，土木结构的自身参数及影响土木结构的因素参数等数据是依靠各种传感器采集的，传感器感知的信号经过数据采集系统，转换成计算机所需的数据，然后在经过融合、整理、存储、处理等相应的处理，最后诊断出结构的状况。

无线传感器及其组成的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)技术也在迅速地发展，无线传感器网络成为综合了传感器、嵌入式计算及无线通信等三大技术的新兴技术。由于无线传感器及其网络本身所具有的优点，使得它在很多方面得到了应用，主要应用领域有航天航空、军事、医疗、科学研究、野生监测、结构健康监测、车辆跟踪等。广阔的应用前景掀起了国内外对WSN的研究热潮。尤其在结构健康监测中，与有线数据采集系统相比，无线传感器网络具有无需大量布线、安装便捷、更换容易、维护费用低、节约成本等优点，同时由于受外界环境干扰小，无线传感器还具有较高的信噪比和测量精度。

在传感器中，无论是传感单元还是处理单元，为它们提供能量的电源是一项关键，甚至决定了整个传感器的使用服役状态和寿命。

在过去的十几年里，处理、存储和通信技术得到了飞速发展，与之相比电源技术进步的速度要小得多，能量密度上没有明显的提高。传感器和交互节点网络方面已经取得了很大的研究成果，但由于网络节点在数量上的增加和在尺寸上的减少，对电源的体积、寿命和能量密度要求越来越严格，传统的供电方式已经不能满足传感器网络节点的发展要求，因此，新的供电技术研究就显得十分关键。新的供电方法可以采用以下2种途径：一是采用核电池等长寿命电源；二是利用可以再生的环境能源，主要包括微波、光照、振动、热和气流等产生的能量。第二种途径可以提供安全、低成本和理论上无寿命限制的自供电技术。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种安装便捷、更换容易且使用寿命较长的用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，包括传感组件和给所述的传感组件供电的电源装置，其特征在于所述的传感组件包括传感器、滤波放大电路、信号处理电路和无线通讯电路，所述的电源装置包括蓄电池、电源接口电路、转化光能为电能的太阳能光伏电池和转化机械能为电能的压电振子，所述的电源接口电路包括压电供能电路和充放电管理电路，所述的太阳能光伏电池通过所述的充放电管理电路与所述的蓄电池连接，所述的压电振子通过所述的压电供能电路与所述的蓄电池连接，所述的蓄电池分别与所述的传感器、所述的滤波放大电路、所述的信号处理电路和所述的无线通讯电路连接。

所述的压电振子包括一个质量块和至少一个压电组件，所述的压电组件包括固定块和基片，所述的基片上设置有压电片。

所述的基片沿轴向的宽度相等，为等面积梁式压电振子。

所述的基片沿轴向的宽度呈棱形变化，为等强度梁式压电振子。

所述的压电片的材料为PZT压电陶瓷，所述的基片的材料为铍青铜。

所述的充放电管理电路包括第一保险丝、第二保险丝、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容、第一三极管、第一稳压二极管、第一发光二极管、第一电位器和型号为BQ2057的太阳能充电控制芯片，所述的太阳能光伏电池的一端接地，所述的太阳能光伏电池的另一端通过所述的第一保险丝后第一路经过所述的第一电容与地连接，第二路同时与所述的太阳能充电控制芯片的第三端和第八端连接，第三路经过所述的第一电阻后与所述的第一三极管的发射极和所述的太阳能充电控制芯片的第一端连接，所述的第一三极管的基极通过所述的第二电阻与所述的太阳能充电控制芯片的第七端连接，所述的太阳能充电控制芯片的第六端接地，所述的第一三极管的集电极与所述的第一稳压二极管的负极连接，所述的第一稳压二极管的正极第一路通过所述的第二保险丝与所述的蓄电池的正极连接，第二路与所述的太阳能充电控制芯片的第二端连接，第三路通过所述的第二电容接地，所述的太阳能充电控制芯片的第五端通过所述的第一发光二极管和所述的第三电阻接地，所述的太阳能充电控制芯片的第四端第一路通过所述的电位器与所述的蓄电池的负极并接于地，第二路通过所述的第五电阻接地，所述的第四电阻跨接在所述的太阳能充电控制芯片的第八端和第四端之间。

所述的压电供能电路包括桥式整流电路及第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第二三极管、第二稳压二极管、第一场效应管和型号为MAX666的第一集成电路芯片，所述的压电振子的两端与所述的桥式整流电路的第1端和第3端连接，所述的桥式整流电路的第2端分别与所述的第六电阻的一端、所述的第九电阻的一端、所述的第三电容的一端、所述的第四电容的一端及所述的第一集成电路芯片的第8端连接，所述的第三电容的另一端分别与所述的第七电阻的一端、所述的第二稳压管的负端、所述的桥式整流电路的第4端及所述的场效应管的源极连接，所述的第六电阻的另一端分别与所述的第五电容的一端及所述的第二三极管的发射极连接，所述的第七电阻的另一端分别与所述的第二三极管的集电极及所述的第一场效应管的栅极连接，所述的第二三极管的基极分别与第八电阻的一端及所述的第二稳压管的正端连接，所述的第五电容的另一端分别与所述的第一集成电路芯片的第7端及所述的第十二电阻的一端连接，所述的第十二电阻的另一端分别与所述的第一集成电路芯片的第1～2端、所述的第十电阻的一端及所述的第六电容的一端并接于所述的蓄电池的正极，所述的第十电阻的另一端分别与所述的第一集成电路芯片的第3端及所述的第十一电阻的一端连接，所述的第八电阻的另一端、所述的第九电阻的另一端、所述的第四电容的另一端、所述的第一集成电路芯片的第4～6端、所述的第十一电阻的另一端及所述的第六电容的另一端并接于地。

所述的压电供能电路包括包括型号为DF005S的整流芯片、型号为TPS62200的电压转换芯片、第十三电阻、第十四电阻、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容和电感线圈，所述的压电振子的两端与所述的整流芯片的输入端连接，所述的整流芯片的两个输出端中的一个输出端与所述的电压转换芯片的V1端和EN端连接，所述的整流芯片的两个输出端中的另一个输出端与所述的电压转换芯片的GND端接地，所述的第七电容和所述的第八电容跨接在所述的整流芯片的两个输出端之间，所述的电压转换芯片的SW端与所述的电感线圈的一端连接，所述的电感线圈的另一端分别与所述的第十三电阻的一端、所述的第九电容的一端及所述的第十电容的一端并接于所述的蓄电池的正极，所述的第十三电阻的另一端分别与所述的第九电容的另一端、所述的电压转换芯片的FB端及所述的第十四电阻的一端连接，所述的第十四电阻的另一端与所述的第十电容的另一端并接于地。

所述的电源接口电路设置有蓄电池保护电路。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于采用了蓄电池、太阳能供电与压电材料发电三种供电方式。通过多种途径收集能量，将机械能和太阳能转化为电能，并把多余的电能在蓄电池中存储起来，通过电源接口电路对产生的电流电压进行整流和电压变换，通过自供电的方法来最大化的延长无线传感器节点的使用寿命，减小维护工作量。本实用新型充分利用了监测对象本身是一个振动体的特点，通过设置一个压电振子和压电供能电路一起构成了压电发电系统，可以保证在任何的气候条件下对传感器的不间断供电。

本实用新型的太阳能光伏电源系统具有以下优点：

(1)以太阳能为能量来源，转化为电能，延长传感器网络的使用寿命；

(2)成本低、能量密度大、体积较小；

(3)当足够为传感器节点提供电能时，同时可以为自带的蓄电池充电；

(4)充放电管理电路的应用，使系统运行更加安全稳定、便捷。

太阳能充电控制芯片使用了BQ2057，电池的保护芯片使用了MAX1665。

本实用新型中的压电发电系统的特点有：

(1)采用了等强度梁式或等面积梁式的压电振子，基片使用铍青铜材料，弹性大，可以提高压电片的效率；

(2)采用多片压电片连接结构，压电片之间通过并联方式进行电路连接，电压与单片压电片的电压相同，发电量增大为原来的几倍；

多片压电振子的联接方式为使发电装置在较小的激励强度、较宽的频率范围内具有较强的发电能力。

附图说明

图1是无线传感器网络体系结构示意图；

图2是本实用新型的电源装置的结构示意图；

图3是本实用新型的结构示意图；

图4是本实用新型实施例一的压电振子的机械机构示意图；

图5是本实用新型实施例二的压电振子的机械机构示意图；

图6是本实用新型充放电管理电路原理图；

图7是本实用新型的蓄电池保护电路原理图；

图8是本实用新型的无线通讯电路的电路原理图；

图9是本实用新型滤波放大电路的电路原理图；

图10本实用新型信号处理电路原理图；

图11是本实用新型的实施例一的压电供能电路原理图；

图12是本实用新型的实施例二的压电供能电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例一：一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，包括传感组件10和电源装置5，传感组件10包括传感器1、信号处理电路2、滤波放大电路3和无线通讯电路4，电源装置5包括蓄电池51、电源接口电路52、转化光能为电能的太阳能光伏电池53和转化机械能为电能的压电振子54，电源接口52电路包括压电供能电路521和充放电管理电路522，蓄电池51分别与传感器1、信号处理电路2、滤波放大电路3和无线通讯电路4连接。压电振子54包括一个质量块541、二个固定块542和二个基片543，两个基片543之间通过一个固定块542相互连接，质量块541和一个固定块542分别设置在压电振子54的两侧，基片543上设置有压电片544，压电片544的材料为PZT压电陶瓷，基片543的材料为铍青铜，基片543沿轴向的宽度相等，为等面积梁式压电振子。

充放电管理电路522包括第一保险丝F₁、第二保险丝F₂、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅、第一电容C₁、第二电容C₂、第一三极管Q₁、第一稳压二极管D₁、第一发光二极管LED₁、第一电位器TR₁和型号为BQ2057的太阳能充电控制芯片U₁，太阳能光伏电池53的一端接地，太阳能光伏电池53的另一端通过第一保险丝F₁后第一路经过第一电容C₁与地连接，第二路同时与太阳能充电控制芯片U₁的第三端和第八端连接，第三路经过第一电阻R₁后与第一三极管Q₁的发射极和太阳能充电控制芯片U₁的第一端连接，第一三极管Q₁的基极通过第二电阻R₂与太阳能充电控制芯片U₁的第七端连接，太阳能充电控制芯片U₁的第六端接地，第一三极管Q₁的集电极与第一稳压二极管D₁的负极连接，第一稳压二极管D₁的正极第一路通过第二保险丝F₂与蓄电池51的正极连接，第二路与太阳能充电控制芯片U₁的第二端连接，第三路通过第二电容C₂接地，太阳能充电控制芯片U₁的第五端通过第一发光二极管D₁和第三电阻R₃接地，太阳能充电控制芯片U₁的第四端第一路通过电位器TR₁与蓄电池51的负极并接于地，第二路通过第五电阻R₅接地，第四电阻R₄跨接在太阳能充电控制芯片U₁的第八端和第四端之间。

压电供能电路521包括桥式整流电路B₁及第六电阻R₆、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第九电阻R₉、第十电阻R₁₀、第十一电阻R₁₁、第十二电阻R₁₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第五电容C₅、第六电容C₆、第二三极管Q₂、第二稳压二极管D₂、第一场效应管Q₃和型号为MAX666的第一集成电路芯片U₂，压电振子54的两端与桥式整流电路B₁的第1端和第3端连接，桥式整流电路B₁的第2端分别与第六电阻R₆的一端、第九电阻R₉的一端、第三电容C₃的一端、第四电容C₄的一端及第一集成电路芯片U₂的第8端连接，第三电容C₃的另一端分别与第七电阻R₇的一端、第二稳压管D₂的负端、桥式整流电路B₁的第4端及第一场效应管Q₃的源极连接，第六电阻R₆的另一端分别与第五电容C₅的一端及第二三极管Q₂的发射极连接，第七电阻R₇的另一端分别与第二三极管Q₂的集电极及第一场效应管Q₃的栅极连接，第二三极管Q₂的基极分别与第八电阻R₈的一端及第二稳压管D₂的正端连接，第五电容C₅的另一端分别与第一集成电路芯片U₂的第7端及第十二电阻R₁₂的一端连接，第十二电阻R₁₂的另一端分别与第一集成电路芯片U₂的第1～2端、第十电阻R₁₀的一端及第六电容C₆的一端并接于蓄电池51的正极，第十电阻R₁₀的另一端分别与第一集成电路芯片U₂的第3端及第十一电阻R₁₁的一端连接，第八电阻R₈的另一端、第九电阻R₉的另一端、第四电容C₄的另一端、第一场效应管Q₃的漏极、第一集成电路芯片U₂的第4～6端、第十一电阻R₁₁的另一端及第六电容C₆的另一端与蓄电池51的负极并接于地。

电源接口电路52设置有蓄电池保护电路523。

本实用新型的工作原理是：

1、将太阳能光伏电池53、蓄电池51通过电源线分别连接到电源接口电路52上。在有效光照的作用下，太阳能光伏电池53将光能转化为电能，经过电源接口电路52对电压、电流进行调理后为整个传感器装置供电，同时多余的电能会存储到蓄电池51之中。

2、将基片543通过固定块542连接在一起，通过固定在基片543上的质量块541拾取振动，在压电振子54上产生应变，并使压电片544产生电能。然后，由电源接口电路52进行整流、电压变换等处理，为整个传感器装置供电，同时多余的电能会存储到蓄电池51之中。

3、信号处理电路2控制整个节点的工作状态，一方面，传感器1测量物理量并将其转化为电信号，经过传感器1上的滤波放大电路3处理后，传送到信号处理电路2对信号进行处理，另一方面，当信号初步的处理完成以后，数字化的信号被传送到无线通讯电路4，在信号处理电路2的控制下，由无线通讯电路4将信号进行编码后经由天线发送出去。

实施例二：其它结构与实施例一相同，但压电振子54和压电供能电路521与实施例一不同，压电振子54包括一个质量块541、一个固定块542和一个基片543，质量块541和固定块542分别设置在压电振子的两侧，基片543上设置有压电片544，其中基片543沿轴向的宽度呈棱形变化，为等强度梁式压电振子；而压电供能电路521包括型号为DF005S的整流芯片U₃、型号为TPS62200的电压转换芯片U₄、第十三电阻R₁₃、第十四电阻R₁₄、第七电容C₇、第八电容C₈、第九电容C₉、第十电容C₁₀和电感线圈L，压电振子54的两端与整流芯片U₃的输入端连接，整流芯片U₃的两个输出端中的一个输出端与电压转换芯片U₄的V1端和EN端连接，整流芯片U₃的两个输出端中的另一个输出端与电压转换芯片U₄的GND端接地，第七电容C₇和第八电容C₈跨接在整流芯片U₃的两个输出端之间，电压转换芯片U₄的SW端与电感线圈L的一端连接，电感线圈L的另一端分别与第十三电阻R₁₃的一端、第九电容C₉的一端及第十电容C₁₀的一端并接于蓄电池51的正极，第十三电阻R₁₃的另一端分别与第九电容C₉的另一端、电压转换芯片U₄的FB端及第十四电阻R₁₄的一端连接，第十四电阻R₁₄的另一端与第十电容C₁₀的另一端并接于地。

Claims

1.一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，包括传感组件和给所述的传感组件供电的电源装置，其特征在于所述的传感组件包括传感器、滤波放大电路、信号处理电路和无线通讯电路，所述的电源装置包括蓄电池、电源接口电路、转化光能为电能的太阳能光伏电池和转化机械能为电能的压电振子，所述的电源接口电路包括压电供能电路和充放电管理电路，所述的太阳能光伏电池通过所述的充放电管理电路与所述的蓄电池连接，所述的压电振子通过所述的压电供能电路与所述的蓄电池连接，所述的蓄电池分别与所述的传感器、所述的滤波放大电路、所述的信号处理电路和所述的无线通讯电路连接。

2.如权利要求1所述的一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，其特征在于所述的压电振子包括一个质量块和至少一个压电组件，所述的压电组件包括固定块和基片，所述的基片上设置有压电片。

3.如权利要求2所述的一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，其特征在于所述的基片沿轴向的宽度相等。

4.如权利要求2所述的一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，其特征在于所述的基片沿轴向的宽度呈棱形变化。

5.如权利要求2所述的一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，其特征在于所述的压电片的材料为PZT压电陶瓷，所述的基片的材料为铍青铜。

6.如权利要求1所述的一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，其特征在于所述的充放电管理电路包括第一保险丝、第二保险丝、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一电容、第二电容、第一三极管、第一稳压二极管、第一发光二极管、第一电位器和型号为BQ2057的太阳能充电控制芯片，所述的太阳能光伏电池的一端接地，所述的太阳能光伏电池的另一端通过所述的第一保险丝后第一路经过所述的第一电容与地连接，第二路同时与所述的太阳能充电控制芯片的第三端和第八端连接，第三路经过所述的第一电阻后与所述的第一三极管的发射极和所述的太阳能充电控制芯片的第一端连接，所述的第一三极管的基极通过所述的第二电阻与所述的太阳能充电控制芯片的第七端连接，所述的太阳能充电控制芯片的第六端接地，所述的第一三极管的集电极与所述的第一稳压二极管的负极连接，所述的第一稳压二极管的正极第一路通过所述的第二保险丝与所述的蓄电池的正极连接，第二路与所述的太阳能充电控制芯片的第二端连接，第三路通过所述的第二电容接地，所述的太阳能充电控制芯片的第五端通过所述的第一发光二极管和所述的第三电阻接地，所述的太阳能充电控制芯片的第四端第一路通过所述的电位器与所述的蓄电池的负极并接于地，第二路通过所述的第五电阻接地，所述的第四电阻跨接在所述的太阳能充电控制芯片的第八端和第四端之间。

7.如权利要求1所述的一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，其特征在于所述的压电供能电路包括桥式整流电路及第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第二三极管、第二稳压二极管、第一场效应管和型号为MAX666的第一集成电路芯片，所述的压电振子的两端与所述的桥式整流电路的第1端和第3端连接，所述的桥式整流电路的第2端分别与所述的第六电阻的一端、所述的第九电阻的一端、所述的第三电容的一端、所述的第四电容的一端及所述的第一集成电路芯片的第8端连接，所述的第三电容的另一端分别与所述的第七电阻的一端、所述的第二稳压管的负端、所述的桥式整流电路的第4端及所述的场效应管的源极连接，所述的第六电阻的另一端分别与所述的第五电容的一端及所述的第二三极管的发射极连接，所述的第七电阻的另一端分别与所述的第二三极管的集电极及所述的第一场效应管的栅极连接，所述的第二三极管的基极分别与第八电阻的一端及所述的第二稳压管的正端连接，所述的第五电容的另一端分别与所述的第一集成电路芯片的第7端及所述的第十二电阻的一端连接，所述的第十二电阻的另一端分别与所述的第一集成电路芯片的第1～2端、所述的第十电阻的一端及所述的第六电容的一端并接于所述的蓄电池的正极，所述的第十电阻的另一端分别与所述的第一集成电路芯片的第3端及所述的第十一电阻的一端连接，所述的第八电阻的另一端、所述的第九电阻的另一端、所述的第四电容的另一端、所述的第一集成电路芯片的第4～6端、所述的第十一电阻的另一端及所述的第六电容的另一端并接于地。

8.如权利要求1所述的一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，其特征在于所述的压电供能电路包括型号为DF005S的整流芯片、型号为TPS62200的电压转换芯片、第十三电阻、第十四电阻、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容和电感线圈，所述的压电振子的两端与所述的整流芯片的输入端连接，所述的整流芯片的两个输出端中的一个输出端与所述的电压转换芯片的V1端和EN端连接，所述的整流芯片的两个输出端中的另一个输出端与所述的电压转换芯片的GND端接地，所述的第七电容和所述的第八电容跨接在所述的整流芯片的两个输出端之间，所述的电压转换芯片的SW端与所述的电感线圈的一端连接，所述的电感线圈的另一端分别与所述的第十三电阻的一端、所述的第九电容的一端及所述的第十电容的一端并接于所述的蓄电池的正极，所述的第十三电阻的另一端分别与所述的第九电容的另一端、所述的电压转换芯片的FB端及所述的第十四电阻的一端连接，所述的第十四电阻的另一端与所述的第十电容的另一端并接于地。

9.如权利要求1所述的一种用于土木工程结构健康监测的无线传感器装置，其特征在于所述的电源接口电路设置有蓄电池保护电路。