埋入式无线应力／应变／温度传感器测试平台，包括球形脆性壳体以及设置在壳体内的刚硬壳体，在刚硬壳体上铰接有球形联结，在球形联结的下端设置有传力杆，应变仪置于传力杆的底部，并固结在两个线性金属应变条上，在刚硬壳体内球形联结的对面设置有永久磁铁，且在永久磁铁上设置有电子装置，在电子装置与应变仪之间设置有法拉第－压电能量回收装置。本发明专利技术采用完全置入和无线方式，对路线安排没有要求；测得的应力应变场不受有线的影响；使用低能耗小型化的力－磁－压电能量装置，可将由交通或振动引起的机械振动能量转化成可充电电池的电能，以延长系统使用寿命；采用ＭＥＭＳ／ＩＴ技术和集成化功能，几乎不需要维护，因而总成本较低。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及测量力、应力、转矩、功、机械功率、机械效率或流体压 力的设备，具体涉及一种重大设施故障诊断及安全分析的埋入式无线应力 /应变/温度传感器测试平台。
技术介绍
国内外一些专家学者利用光纤技术测量一些大型设施的应力应变，如 将光纤技术应用在拉索桥的性能测试方面。光纤技术对设备的整体估量很 好，灵敏度和信噪比也很高，尤其测量平均应力和平均变形是其优势，但 不能测试结构振动的有关动态参数。应用光纤技术测量设施的局部应力时，就需将光纤和周围结构紧密结合。当结构较复杂(如带有小于4(T拐 角)时，光纤技术显示出不足。光纤是串联系统，当其中一处破坏，整个 光纤就失去工作能力或可靠性降低。此外，光纤还需要光源，且需要对齐， 在震动等轻度损坏后，光纤的对齐就是个问题。在新系统设计中可使用光 纤，但现存已有系统中大多数都没有配置光纤，因而就不能用光纤技术进 行这些现存设备的故障诊断及安全分析。和光纤技术相比，传感器应用具有一定优势(1)传感器的机械性能 很好，外壳强度较高，使用传感器不会损坏结构强度；(2)传感器是结点 布放，可测量任何一点的局部应力和变形，也可用在复杂结构及其特殊位 置中，可靠性高；(3)传感器可通过打洞、浇水泥等手段应用在现有设施 中；(4)传感器能够测量结构振动的动态参数；(5)传感器可用在大型水200坝、桥梁、高层危房等的震后检测中。传统的有线传感器技术曾一度应用在高速公路路基内部应力和应变的测量方面。随着射频(RF)技术的快速发展，人们开始研究和关注基于 RF数据传输技术的无线应力/应变测量引起了越来越多的研究和关注。但 是，目前这种RF模块是由电池供给能量，整个工作时间一般不超过8小 时。当其被置入设施中时，将不能重复使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单，免维护、长寿命的埋入式无线 应力/应变/温度传感器测试平台。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是包括一球形脆性壳体以 及设置在脆性壳体内的球形刚硬壳体，在刚硬壳体内铰接有球形联结，在 球形联结的下端设置有传力杆，应变仪置于传力杆的底部，并固结在两个 线性金属应变条上，在刚硬壳体内球形联结的对面设置有永久磁铁，且在 永久磁铁上设置有电子装置，在电子装置与应变仪之间通过弹簧设置有与 电子装置相连接的法拉第一压电能量回收装置。本专利技术的永久磁铁采用的是磁场强度至少为2000奥斯特的永久磁铁； 传力杆、应变条和应变仪组成一应力/应变传感器单元；替换此应力/应变 传感器单元，将温度计、湿度计或加速度计直接固结在球形联结上，则分 别组成温度传感器单元、湿度传感器单元和加速度传感器单元；电子装置 包括与法拉第一压电能量回收装置相连接的充电和调节电路及低电压检 测电路，充电调节电路及低电压检测电路与能量供应可充电电池相连接， 能量供应可充电电池的输出分别与应变仪、信号调节器及微控制器/收发 器系统芯片相连，微控制器/收发器系统芯片包括一与信号调节器相连接的用于控制信号调节器的数据输入输出单元和模数转换器，模数转换器还 与用于发射数据的存储器相连，存储器将信号发送至收发器并通过天线发送至外界；法拉第一压电能量回收装置包括基体以及均布在该基体上的由 若干组悬臂梁结构的双压电晶片元件组成的阵列，且在各双压电晶片元件 的末端设置有一质量块；刚硬壳体的重心在其底部；脆性壳体采用陶瓷或 玻璃脆性材料制成；刚硬壳体内的中轴线上还设置有一双轴充液方向传感 器，该双轴充液方向传感器包括一球形空心壳，在球形空心壳内注入超过 一半体积的电导液体，球形空心壳上还设置有两个互相垂直交叉板，两块 板中含十六个四分式对称电极，每个电极通过导电液体和其它电极相通。由于重大设施的结构安全性一般需要考虑多个参数，对于其故障诊断 及安全分析，需要建立一个平台系统来获得不同位置的关键参数和动态参 数。鉴于传感器应用的突出优点，本专利技术设计了埋入式无线传感器平台系 统。和现有技术相比，本专利技术传感器系统有下述优点采用完全置入和无 线方式，对路线安排没有要求；测得的应力应变场不受有线的影响；使用 低能耗小型化的力-磁-压电电池充电装置，可将由交通或振动引起的机械 振动能量转化成可充电电池的电能，以延长系统使用寿命；采用MEMS/IT 技术和集成化功能，几乎不需要维护，因而总成本较低。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图； 图2是本专利技术的系统框图3是本专利技术法拉第一压电能量回收装置6的双压电晶片阵列示意图4是本专利技术双轴充液方向传感器的结构示意图；图5是本专利技术双轴充液方向传感器的剖视图。 具体实施例方式参见图1，本专利技术包括一采用陶瓷或玻璃脆性材料制成的球形脆性壳 体9以及设置在脆性壳体9内的球形刚硬壳体2，刚硬壳体2强度足以抵 抗从地面传来的机械力，且耐抗环境腐蚀，在刚硬壳体2内铰接有球形联 结1，在球形联结1的下端设置有传力杆3，应变仪5置于传力杆3的底 部，并固结在两个线性金属应变条4上，球形联结l、传力杆3、应变条4 和应变仪共同组成了传感器，在刚硬壳体2内球形1联结的对面设置有磁 场强度至少为2000奥斯特的永久磁铁7，且在永久磁铁7上设置有电子装 置8，在电子装置8与应变仪5之间设置有与电子装置8相连接的法拉第 —压电能量回收装置6,本专利技术的整体结构的重心在其底部，以使刚硬壳 体2象不倒翁一样动作。参见图2，本专利技术的电子装置8包括与法拉第一压电能量回收装置6 相连接的充电和调节电路及低电压检测电路，充电调节电路及低电压检测 电路与提供能量的可充电电池相连接，可充电电池的输出分别与应变仪5 (或温度/湿度/加速度传感器)、双轴充液方向传感器、信号调节器及微 控制器/收发器系统芯片相连，微控制器/收发器系统芯片包括一与信号调 节器相连接的用于控制信号调节器的数位输入输出(DIO)电路和模数转 换器，模数转换器还与用于发射数据的存储器相连，存储器将数据发送至 收发器并通过天线发送至外界。首先机械振动产生的能量由能量回收装置收集，通过充电和调节电路 转化成电能供应给可充电电池，可充电电池提供能量给传感器。低电压检 测电路可检测工作电池的电压，如果电压下降到某一水平，备用电池就打开工作，工作电池则开始充电。传感器一般处于"睡眠"状态，测量时将 被"唤醒"。接着通过传感器信号调节电路，将数据反馈给微控制器的模 数转换器，这些数据被储存起来直到完成数据发送。微控制器通过天线将 数据传送到外界工作站，然后返回"睡眠"状态。工作站则将这些数据经 过便携式电话网络远程传送给操作器。所有这些电路都紧致地集成在一起，可以承受20(TC的沥青处理温度，正常情况下则工作在-5(TC到IO(TC 的温度范围。参见图3，本专利技术的法拉第一压电能量回收装置6包括基体10以及均 布在该基体10上的由若干组悬臂梁结构的双压电晶片元件11组成的阵 列，且在各双压电晶片元件ll的末端设置有一质量块12。法拉第一压电 能量回收装置6是利用机械振动产生的能量转化成电能给电池充电，电池 将给低能耗的传感器提供能量。磁场中电导体的上下运动可将机械能转化 成电能，这就是法拉第装置的工作原理。因为法拉第装置的输出电压和能 量回收效率相对较低，通常不超过25%，本专利技术利用MEMS技术设计和制作 了一种小型化的法拉第-本文档来自技高网...
【技术保护点】
埋入式无线应力／应变／温度传感器测试平台，其特征在于：包括一球形脆性壳体（９）以及设置在脆性壳体（９）内的球形刚硬壳体（２），在刚硬壳体（２）内铰接有球形联结（１），在球形联结（１）的下端设置有传力杆（３），应变仪（５）置于传力杆（３）的底部，并固结在两个线性金属应变条（４）上，在刚硬壳体（２）内球形（１）联结的对面设置有永久磁铁（７），且在永久磁铁（７）上设置有电子装置（８），在电子装置（８）与应变仪（５）之间通过弹簧设置有与电子（８）装置相连接的法拉第－压电能量回收装置（６）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴九汇，连昆，王小鹏，陈天宁，陈花玲，赵建平，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[]
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