一种无线无源预应力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种能检测钢筋预应力的无线无源预应力传感器，尤其能检测较厚混凝土层内钢筋的预应力变化传感器。
【背景技术】
[0002]目前建筑结构的健康性监测是一个较新的领域。实时地检测桥梁，房屋，道路内部结构的预应力变化，能提前了解建筑的安全性，预防发生建筑倒塌等安全事故。但是现有的健康性检测设备都是有源有线的预应力传感器，有线使传感器在建筑中的部署变得困难，特别是要置于建筑内部的传感器；而有源使得传感器的应用时间变得有限，维护需要较大成本，同时建筑内部的传感器一旦能量耗尽，将无法重用，造成浪费。
【发明内容】
[0003]为了克服现有建筑健康性监测传感器有线、有源的不足，本发明提供一种无线无源预应力传感器，该无线无源预应力传感器能吸收外部的无线能量为自身供电，同时采用低频无线信号将收集到的数据发送给外部的数据采集设备。
[0004]本发明提供的无线无源预应力传感器，由射频模块、电源模块、数据模块和调制模块组成，信号由外部设备发射，经由射频模块到达传感器，经过电源模块处理成为稳定电压为整个传感器供电，数据模块将采集到的模拟信号转化为数字信号，并经调制模块将数据调制到射频信号上，由外部设备解调获取。本发明无需内置电源，通过无线低频射频信号进行能量和信息的传递，采用间接检测的方式对混凝土内的钢索预应力进行检测。
[0005]本发明中，所述射频模块采用LC谐振式磁耦合模型，其中LC电路采用电容串并联混联结构，提高传输距离和传输效率，其发射端采用的天线为低电感、低内阻的利兹线圈，接收端采用高电感的普通线圈。射频信号采用低频波，对混凝土有较强的穿透力；
所述电源模块由全桥整流电路和稳压芯片组成；
所述数据处理模块由单片机、AD模数转换芯片和全桥电阻应变电路构成，其中，应变电路采用间接检测的方式，将钢筋的拉力转变为对金属块的压力，通过检测金属块的形变来间接获取钢筋预应力的大小，检测到的数据为防止他人盗用，采用异或对称加密算法，将密钥分别存入单片机的flash中和后台的数据库中；
所述调制模块采用简单的负载调制，将数字信息0、1转化为晶体管的导通和关闭，改变整个传感器的负载大小，影响整个射频模块的电压幅度，从而将数据调制到低频射频信号上，再由外部设备解调获取。
[0006]本发明使用时，需要将钢索预应力转化为对钢体的压力的装置，该装置由桥型夹，凸台和保护环氧树脂材料组成，两个桥型夹和凸台不在一条直线上，使得穿过的钢索造成折线形形变，对凸台造成压力。
[0007]本发明的有益效果是，在离外部设备30cm左右的距离下，置于混凝土内的传感器能良好工作，检测到内部钢筋预应力变化，并穿透混凝土将数据传递给外部数据采集设备，实现以无线无源的轻便方式对建筑的健康性进行定期或者长期的检测，以防止安全事故的发生。
【附图说明】
[0008]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0009]图1是本发明的整体框架。
[0010]图2是本发明的电原理图。
[0011]图3是钢筋预应力转换装置剖视图。其中，a为俯视图，b纵向图，c侧视图，d为底面图。
[0012]图4是本发明在高铁T型梁中的应用。
[0013]图中标号:1为桥型夹，2为凸台，3为钢索，4为钢体，5为预应力传感器电路板，6为应变片。7为钢索，8为T型梁为钢索预留的通道。
【具体实施方式】
[0014]在图2中，Part A是射频模块。其中，电容C1=C3，使得射频发射部分的电流加倍，增加发射功率。电容C2、C3、C4、C5，电感L1、L2构成串并联混联谐振电路。LI采用低电感，低内阻的利兹线圈，而L2采用高电感量的普通线圈，电容C4, C5构成L型负载匹配电路，使得能量传输的损耗降低至最小。
[0015]Part B是电源模块，全桥整流电路由四个相同的整流二极管构成，接在射频模块后端，输出接稳压芯片。VRl为三端稳压芯片，前后有电容C6和电容C7进行滤波。
[0016]Part C是调制模块，由一对N-MOSFET管和一对百欧电阻组成，MOS管源极接电压源，漏极串联电阻接地，基极输入是数据模块产生的数据帧，对MOS进行选通和关闭，即对电阻Rl和R2进行选通、关闭。
[0017]Part D是数据模块，应变片由四个相同的Ik可变电阻组成，形成方形，两角输入正负极电压，另外两脚作为应变值输出至AD转换芯片，AD转换芯片把模数转换结果交给单片机进行处理并成帧。数据传输协议帧的设计为:AD模数转换芯片的输出数据长度为16bit,由用户自行设定的传感器编号长度为32bit,帧头9bit,奇偶校验16bit，停止位Ibit,总共为 74bit。
[0018]其中，数据加密采用简单的异或法，将数据位与16bit的密钥进行异或后，再填入帧中。密钥在出厂阶段烧写入flash中，读取设备中根据传感器编号在数据库中找到相应的密钥进行解密。
[0019]编码方式采用曼彻斯特编码，用以增加数据传输的准确率。
[0020]图3是显示应变片如何使用，以及如何间接测量混凝土中钢筋的预应力大小。以高铁T型梁为例，钢体(4)两端的桥型(I)夹将钢索(3)固定，钢体中间的凸台(2)垫在钢索下，三者不在同一直线上，使钢索产生一定程度的弯曲。整个装置随钢索一起拉入图4T型梁的钢索通道内。当T型梁两端拉紧钢索时，钢索本身的预应力致使钢索在装置处呈现为折线，并对凸台施以向下的压力，钢体在凸台下方产生形变，应变片(6)感应到形变，将应变产生的电压传给传感器电路(5)。传感器再传递给外部的接收设备。
[0021]图4是T型梁的示意图。T型梁预制件在浇筑时预留几个通孔，然后串入钢索。无线无源传感器由图3所示装置固定后，随钢索一起拉入通孔中。钢索两端被拉紧后，再在通孔内灌入水泥，整个通孔被封住，无线无源传感器留在T型梁中。为防止水泥腐蚀，图3装置的底部，即电路板一侧由环氧树脂材料封住。
【主权项】
1.一种无线无源预应力传感器，用于检测建筑结构中钢筋预应力变化的信息，其特征在于:由射频模块、电源模块、数据模块和调制模块组成；信号由外部设备发射，经由射频模块到达传感器，经过电源模块处理成为稳定电压为整个传感器供电，数据模块将采集到的模拟信号转化为数字信号，并经调制模块将数据调制到射频信号上，由外部设备解调获取。
2.根据权利要求1所述的无线无源预应力传感器，其特征在于:所述射频模块采用LC谐振式磁耦合模型，其中LC电路采用电容串并联混联结构，其发射端采用的天线为低电感、低内阻的利兹线圈，接收端采用高电感的普通线圈。
3.根据权利要求1或2所述的无线无源预应力传感器，其特征在于:所述电源模块由全桥整流电路和稳压芯片组成。
4.根据权利要求1或2所述的无线无源预应力传感器，其特征在于:所述数据处理模块由单片机、AD模数转换芯片和全桥电阻应变电路构成，其中，应变电路采用间接检测的方式，将钢筋的拉力转变为对金属块的压力，通过检测金属块的形变来间接获取钢筋预应力的大小，检测到的数据采用异或对称加密算法，将密钥分别存入单片机的flash中和后台的数据库中。
5.根据权利要求4所述的无线无源预应力传感器，其特征在于:所述调制模块采用简单的负载调制，将数字信息0、1转化为晶体管的导通和关闭，改变整个传感器的负载大小，影响整个射频模块的电压幅度，从而将数据调制到低频射频信号上，再由外部设备解调获取。
6.根据权利要求1所述的无线无源预应力传感器，其特征在于:使用时需有钢索预应力转化为对钢体压力的装置，该装置由桥型夹、凸台和保护环氧树脂材料组成，两个桥型夹和凸台不在一条直线上，使得穿过的钢索造成折线形形变，对凸台造成压力。
【专利摘要】本发明属于传感器技术领域，具体为一种用于检测建筑结构中钢筋预应力变化信息的无线无源预应力传感器。它由射频模块、电源模块、数据模块和调制模块组成；射频模块采用LC谐振式磁耦合模型；电源模块由全桥整流电路和稳压芯片组成；数据采集模块则由模数转换芯片、微处理芯片和全桥应变电路构成。信号由外部设备发射，经由射频模块到达传感器，经过电源模块处理成为稳定电压，数据模块将采集到的模拟信号转化为数字信号，并经调制模块将数据调制到射频信号上，由外部设备解调获取；对混凝土内钢索预应力的采集使用预应力转化装置。在混凝土厚度30cm左右的距离下，能使用采集设备对混凝土内的钢索的预应力进行长期或者定期检测，以防止安全事故的发生。
【IPC分类】G01L1-22
【公开号】CN104614103
【申请号】CN201410822908
【发明人】钱松荣, 刘青, 林秀晶, 金佳骏, 马霄, 杨鑫, 白东, 张聪, 黄公羽, 唐玉朋
【申请人】复旦大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月26日