[實用新型]一種內(nèi)置混凝土結(jié)構(gòu)物的無源超微功耗的形變壓力傳感器

有效

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• 申請日: 2019-12-05
• 公開（公告）號: CN211317589U
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賈連輝;吳澤慶;黃志勇;劉爽;孫恒;張國慶
• 申請（專利權(quán)）人: 中鐵工程裝備集團有限公司
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 北京高文律師事務(wù)所 11359
• 代理人: 徐江華;李寶玉

本實用新型提供一種內(nèi)置混凝土結(jié)構(gòu)物的無源超微功耗的形變壓力傳感器，包括與放大器相連接的應(yīng)變片，應(yīng)變片的中部設(shè)計具有一定弧面的應(yīng)變弧，兩端設(shè)計有橢圓通孔，應(yīng)變弧上設(shè)置有差分非對稱雙半橋，所述差分非對稱雙半橋包括左臂和右臂，左臂為對稱多層應(yīng)變電阻柵，固定在弧形結(jié)構(gòu)的正反面；右臂為放置于同一個金屬基片的兩個高精密度電阻。本實用新型實現(xiàn)了壓力傳感器的超微功耗效果，其壓力數(shù)據(jù)的采樣和存儲消耗的平均功率小于1微瓦甚至0.1微瓦，終端通過內(nèi)部儲能電容實現(xiàn)超過10小時的待機和數(shù)據(jù)采集存儲，對目前超微功耗傳感器芯片技術(shù)和功能應(yīng)用實現(xiàn)了較大突破。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種射頻識別領(lǐng)域(RFID)的超微功耗傳感器，尤其是涉及一種內(nèi)置混凝土結(jié)構(gòu)物的無源超微功耗的形變壓力傳感器。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的壓力或形變傳感器一般原理為兩大類：

一、擴散硅壓阻效應(yīng)原理

如圖1所示，在單晶硅片上擴散一個惠斯通電橋，形成擴散硅壓力傳感器，所述壓力傳感器用于檢測作為壓力源的被測介質(zhì)，對被測介質(zhì)進(jìn)行施壓使惠斯通電橋的橋壁電阻值發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生一個差動電壓信號，此信號經(jīng)信號處理電路中的專用放大器，將量程相對應(yīng)信號轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，然后輸出模擬量或數(shù)字信號。

但是，擴散硅壓力傳感器只能測量氣體或液體介質(zhì)，無法內(nèi)置于混凝土結(jié)構(gòu)物中去測量結(jié)構(gòu)物的壓力和形變。

二、應(yīng)變片變阻原理

如圖2所示，應(yīng)變片式壓力傳感器的主要電路也為惠斯通電橋，當(dāng)應(yīng)變片收到壓力產(chǎn)生形變后，電橋臂的電阻發(fā)生改變，產(chǎn)生一個差動電壓信號，此信號經(jīng)專用放大器，將量程相對應(yīng)信號轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)模擬信號。

但是這類壓力傳感器功耗較高，電橋單臂的功耗較大，雙臂損耗加倍，一般功耗為毫瓦級別。

一般單臂電阻R＝1KΩ，假設(shè)電壓Vi＝3V，電橋電流為I，則：

I＝(Vi/R)*2＝6mA

所以這類傳感器同樣無法直接內(nèi)置于混凝土結(jié)構(gòu)物中。

因為內(nèi)置混凝土結(jié)構(gòu)物的壓力和形變傳感器需要解決以下幾個問題：

(1)壓力敏感件和混凝土之間需要很好的力學(xué)結(jié)合，也就是敏感件的適應(yīng)性問題，從而達(dá)到較高的測量準(zhǔn)確度和精度；

(2)需要解決高靈敏度問題，混凝土結(jié)構(gòu)物局部形變量較小，需要壓力敏感件有較高的靈敏度；

(3)需要解決壓力敏感件的塑形失效問題，傳感器內(nèi)置于混凝土，無法后期維護，當(dāng)形變過大時容易產(chǎn)生塑性形變，造成傳感器損壞；

(4)需要解決壓力敏感件的超微功耗問題，在射頻識別相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，由于射頻裝置的終端天線采集的能量是無線遠(yuǎn)場輻射電波，到達(dá)終端后能量衰減較大，因此即使終端天線增益很高，能采集到的能量也極少，基本上以微瓦單位計量。特殊的，當(dāng)射頻裝置的芯片和天線內(nèi)置于混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部后，若混凝土結(jié)構(gòu)物水泥標(biāo)號超過60，則會造成較大的不利因素，包括信號屏蔽、中心頻點偏移造成的帶外衰減，另外混凝土結(jié)構(gòu)物中鋼筋的干擾也會改變天線的方向性，造成通訊距離減小。

而現(xiàn)有的傳感器處理器芯片，即使是最精簡的處理器和最優(yōu)的低功耗生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)采集一般需要毫瓦功率，無法實現(xiàn)傳感器芯片和電路通過保護封裝后植入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物后長時間持續(xù)工作，因此本實用新型可以解決上述應(yīng)用場景下在無線電波采集和存儲能源的應(yīng)用場景中實現(xiàn)超級微功耗的長時間待機和工作。

實用新型內(nèi)容