专利名称：：埋入式无线应力/应变/温度传感器测试平台的制作方法
技术领域：
：本发明涉及测量力、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。
背景技术：
：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。
发明内容本发明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，本发明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。本发明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，本发明设计了埋入式无线传感器平台系统。和现有技术相比，本发明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。图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的系统框图3是本发明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是本发明双轴充液方向传感器的结构示意图；图5是本发明双轴充液方向传感器的剖视图。具体实施例方式参见图1，本发明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,本发明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，本发明的电子装置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，本发明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%，本发明利用MEMS技术设计和制作了一种小型化的法拉第-压电能量回收装置，由LIGA工艺制作的双压电晶片元件阵列。将每个压电双晶片元件作成一悬臂梁结构，在其末端放一质量，当悬臂梁振动时，在双晶片元件的上下表面之间会产生一AC电压。结果表明，此压电装置能提供较高的输出电压和高达80%的机-电能量转换率。而且，利用普通微制作工艺可相对容易将压电发生器小型化。本发明的脆性外壳9应具有一定强度来承受沥青和粘土中的混合工作压力，但在路面挤压过程中将碎裂成许多块。这样，在混合过程中，传感器渐渐埋入沥青或粘土中，但在路面铺平程序中靠重力自动垂直定向。外壳破碎后，球形传感器直接裹在沥青或粘土中，并保持近似垂直状态。但在随后挤压过程中传感器可能会有少许倾斜，因此本发明在球形传感器系统的中轴线上固定了一个双轴液体量角传感器来精确测定偏转角度，并通过与电子装置8连接将信号传输到外界。参见图4，双轴充液方向传感器包括一球形空心壳13,在球形空心壳13内注入超过一半体积的电导液体，球形空心壳13上还设置有两个互相垂直交叉板14，两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。图5给出了电极的典型布局。当交叉板14从0到360度旋转时，表1和2解释电极位置和阻抗值变化，这就说明这类传感器设计能够监测X-y平面内0到360度范围的倾斜情况。表l:不同倾角下浸入导电液体中的电极位置<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>当传感器倾斜0±10°时，电极A/A'和B/B'之间形成一全桥电路，这时该量角传感器具有0.1°的更高灵敏度。当传感器倾斜超过10°，电极形成一带有参考阻值的半桥电路，结果产生r的监测灵敏度。现举例说明，当传感器从0。向90°倾斜，电极C/C'之间的阻抗将增加，这对电极就将作为部分半桥电路在这个倾斜范围来测量角度变化。同样，对于90。到180°、180°到270。、270°到0°的倾斜角度，电极D/D，、B/B'和A/A'将依次被用来测量倾斜状态。由于具有自动调节位置的特征，这些传感器单元在材料混合阶段可作为结构材料的一部分被部署在公路桥梁等设施中，而对原来的建筑工艺并不需要任何改变，也不需要增加额外的装配费用。最后，在传感器单元被埋入沥青/土壤/混凝土结构中，需确定每个单元的物理坐标和应力/应变方向，以便准确绘制整个设施的应力/应变/温度/湿度信息网。这里有两种办法可用来确定传感器的物理坐标，一种是用金属探测仪确定x-y坐标，用声速测量仪器测定z坐标；另一种则是使用高精度的GPS电子定位装置。本专利发明的埋入式无线应力/应变/温度传感器测试平台能够很好地对重大产品和重大设施进行故障诊断及安全分析。基于MEMS工艺的能量回收装置可将机械振动能量转化成电能并储存在可充电电池中，这样就保证了埋入式传感器的长寿命作业。由于传感器单元的自动调节装置可精确测量传感器轴线的偏转方向，因而集成化的传感器单元可精确测定设施中的局部应力/应变/温度/加速度/湿度等不同参数。在充电电池供电下，电子装置可由微控制器/收发器系统芯片将各种不同参数转变为信号传输到外界。本发明的优点为稳定性传感器在重大设施环境中具有稳定性，且能忍受-5(TC到100'C的温度变化；局域化测量测得的应力/应变/温度值是关于传感器周围直径不超过8cm的非常近区域的材料的。通过数据信息和传感器布放位置图的比较可以确定测量的精确位置；高灵敏度单个传感器的灵敏度将高于0.5kPa，集成传感器系统的灵敏度将优于2.5kPa;线性响应传感器使用的是微型加工的力学器件，其应变程度被设计在线性范围内，这样就能保证线性响应；对测量方向的高灵敏度使用一种特别设计的埋入式传感器自动调节装置来确定测量力的方向；对温度变化不敏感传感器系统中还集成了温度传感器，电路中的温度补偿功能能保证温度变化时的精确测量；绝对测量此传感器系统使用寿命长且严格标定的应变传感器，从而使应力/应变/温度的测量结果可靠、精准；对被测结构不产生影响这套传感器系统尺寸较小，直径约5cm，短时间内可承受20(TC高温，且具有自动调节功能；传感器布放过程依据被测结构环境和标准程序进行；不依赖外部能源这套传感器系统带有自身的能源装置，能够实现能源自给，从而不受环境能源损耗的影响；可量测性如果在某处需要增加传感器，就在该处钻一个直径5cm的孔，然后用原先材料填充好。如果需测量多项参数，多种传感器可被集成到现有平台中，而不需要重新设计；大批量生产由于使用了MEMS技术和现成的电路芯片，此传感器系统可用于大批量生产；寿命长整个传感器系统使用低能耗设计和小型化的力-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；结构强度并不减弱传感器单元壳体使用不锈钢材料，这将不会减弱公路桥梁设施的强度。权利要求1、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)。2、根据权利要求1所述的埋入式无线应力/应变/温度传感器测试平台，其特征在于所说的永久磁铁(7)采用的是磁场强度至少为2000奥斯特的永久磁铁。3、根据权利要求1所述的埋入式无线应力/应变/温度传感器测试平台，其特征在于所说的传力杆(3)、应变条(4)和应变仪(5)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(1)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。4、根据权利要求1所述的埋入式无线应力/应变/温度传感器测试平台，其特征在于所说的电子装置(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(5)、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。5、根据权利要求1所述的埋入式无线应力/应变/温度传感器测试平台，其特征在于所说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(11)的末端设置有一质量块(12)。6、根据权利要求1所述的埋入式无线应力/应变/温度传感器测试平台，其特征在于所说的刚硬壳体(2)的重心在其底部。7、根据权利要求1所述的埋入式无线应力/应变/温度传感器测试平台，其特征在于所说的脆性壳体(9)采用陶瓷或玻璃脆性材料制成。8、根据权利要求1所述的埋入式无线应力/应变/温度传感器测试平台，其特征在于所说的刚硬壳体(2)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(13)，在球形空心壳(13)内注入超过一半体积的电导液体，球形空心壳(13)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。全文摘要埋入式无线应力/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。文档编号G01D21/02GK101319924SQ20081015019公开日2008年12月10日申请日期2008年6月30日优先权日2008年6月30日发明者吴九汇,王小鹏,赵建平,昆连,陈天宁,陈花玲申请人:西安交通大学