Rb3换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路，或者将Rb2与Rb4换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路；电阻Rbl —端接参考电压Vreg，另一端接电阻Rb2 ；电阻Rb2与Rbl相连后接仪表放大器输入负极，电阻Rb2另一端接地；电阻Rb4 —端接参考电压Vreg，另一端接Rb3 ;电阻Rb3另一端接地；电位计和电阻Rb5组成校零电路，电位计引脚1接参考电压Vreg，引脚3接地，引脚2接电阻Rb5 —端，电阻Rb5另一端接仪表放大器输入正极；仪表放大器要求低功耗，且能够在3V电压供电下稳定工作，此实施例中选择型号为Analog Device公司生产的AD8553但不限于此；电阻R1 —端接仪表放大器的第一放大倍数设置引脚(引脚1)，另一端接仪表放大器的第二放大倍数设置引脚(引脚10)，仪表放大器的正电源引脚(引脚3)接电容C4 一端，电容C4另一端接参考电压Vreg，仪表放大器的使能引脚(引脚6)接超低功耗MCU的数字I/O控制引脚，仪表放大器的接地引脚(引脚8)接地，电阻R4 —端接参考电平Vreg另一端分别连接电阻R5与电容C1的一端，电阻R5和电容C1并联，另一端接地；电阻R2和电容C2并联，一端接仪表放大器的偏置电压引脚(引脚5)，另一端与电阻R3的一端相连后接仪表放大器的输出引脚(引脚4)，电阻R3另一端分别接电容C3的一端、电阻C5的一端后作为应变检测模块的输出Vstrain接入超低功耗MCU的A/D引脚，电容C3的另一端、电阻C5的另一端均接地；仪表放大器的放大倍数由Rl、R2、C2的值决定具体参考芯片数据手册。R4、R5、C1构成仪表放大器的补偿电路，Vreg作为桥式电路和仪表放大器的基准电压，超低功耗MCU的的数字I/O控制引脚控制仪表放大器的工作状态，Vstrain输出当前的应力对应的电压值，不同的应力对应不同的输出电压；可以根据实际的应力变化范围调节箔式应变片的阻值为120欧、350欧、1000欧或者2000欧，调节仪表放大器的放大倍数为50倍、100倍、500倍或者1000倍。
[0029]应变检测模块输出电压值U与结构所受应力F的关系为U = k*UAC*Ks*F，其中Ks为箔式应变片的灵敏度系数，通常为一常数，UAe为储能电容供给应变片桥式电路的基准电压，k为修正参数，k可通过应变测量仪实测拟合进行修正。
[0030]如图2所示，所述超低功耗MCU可选用Texas Instrument公司生产的MSP430系列的超低功耗单片机。解调模块的输出包络信息读入到超低功耗MCU的RX引脚；超低功耗MCU的TX引脚接发射模块。
[0031]超低功耗MCU实现传感控制功能过程如下:其中Vstrain引脚采样应变检测模块的输出电压，Vstrain_enable引脚可输出高低电平用于控制应变检测模块的仪表放大器是否工作，VMEMS_ENABLE引脚使能电压测量，VMEMS_0UT读取储能电容两端电压。当检测到VMEMS_0UT引脚读入电压大于设定阈值时，Vstrain_enable引脚使能，同时Vstrain引脚AD采样应变检测模块输出电压。
[0032]超低功耗MCU实现计算功能过程如下:超低功耗MCU每采样一次电压值，立即存入缓存区，等到采样次数达到设定阈值，将读取到的所有电压值进行平均值计算，得到一个最终的电压值，并将电压值编成EPC编码，EPC编码为一系列的01序列。
[0033]超低功耗MCU实现通信功能过程如下:超低功耗MCU接收来自解调模块的高低电平序列，进而可以判断当前的通信状态，在接收到ACK信号时进入发送状态，根据应变检测模块输出电压值的EPC编码控制发射模块M0S管的开断，完成信息的调制，再经过偶极子天线将信息发送给RFID阅读器。
[0034]图4是EPC编码的定义，标准的EPC编码共128比特，第0?15位用于存储报头；第16?23位用于存储传感器识别号；第24?87位存储用户数据，即传感器的采样值；第88?95位用于存储设备的版本号，方便版本控制，也可将其用于用户数据存储；96?111位用于存储设备ID号，用于多个结构健康监测装置同时工作时相互区分；112?127位用于存储校验码，只有当校验通过时接收到的EPC编码才显示到上位机，否则不显示。
[0035]上述实施例用来解释说明本实用新型，为不知对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种超低功耗无源应变监测装置，其特征在于，所述装置包括射频前端、超低功耗MCU、应变检测模块和储能电容，其中射频前端包括偶极子天线、整流倍压稳压模块、解调模块与发射模块；所述偶极子天线分别与整流倍压稳压模块、解调模块和发射模块相连，整流倍压稳压模块分别与储能电容和超低功耗MCU相连，解调模块、应变检测模块和发射模块均与超低功耗MCU相连；解调模块包括依次相连的整流倍压电路和运算放大器组成的包络检波电路。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述射频前端中的偶极子天线为板载的PCB天线，工作频段为920?925MHz，天线的输出端有LC匹配电路调整阻抗匹配。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述整流倍压稳压模块包括依次相连的三阶Dickson电路和线性稳压器。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述解调模块包括整流电路以及由运算放大器组成的包络检波器。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述应变检测模块包含由箔式应变片组成的桥式电路及仪表放大器组成的电压放大模块；其中，桥式电路由电阻Rbl?Rb4组成；将Rbl?Rb4任意一个电阻换成阻值相等的箔式应变片组成四分之一桥电路、或者将Rbl与Rb3换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路，或者将Rb2与Rb4换成两个阻值相等的箔式应变片组成半桥电路；电阻Rbl —端接参考电压Vreg，另一端接电阻Rb2 ;电阻Rb2与Rbl相连后接仪表放大器输入负极，电阻Rb2另一端接地；电阻Rb4 —端接参考电压Vreg，另一端接Rb3 ;电阻Rb3另一端接地；电位计和电阻Rb5组成校零电路，电位计引脚1接参考电压Vreg，引脚3接地，引脚2接电阻Rb5 —端，电阻Rb5另一端接仪表放大器输入正极；电阻R1 —端接仪表放大器的第一放大倍数设置引脚，另一端接仪表放大器的第二放大倍数设置引脚，仪表放大器的正电源引脚接电容C4 一端，电容C4另一端接参考电压Vreg,仪表放大器的使能引脚接超低功耗MCU的数字I/O控制引脚，仪表放大器的接地引脚接地，电阻R4 —端接参考电平Vreg另一端分别连接电阻R5与电容C1的一端，电阻R5和电容C1并联，另一端接地；电阻R2和电容C2并联，一端接仪表放大器的偏置电压引脚，另一端与电阻R3的一端相连后接仪表放大器的输出引脚，电阻R3另一端分别接电容C3的一端、电阻C5的一端后作为应变检测模块的输出Vstrain接入超低功耗MCU的A/D引脚，电容C3的另一端、电阻C5的另一端均接地。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述应变检测模块中，箔式应变片的阻值为120欧、350欧、1000欧或者2000欧，调节仪表放大器的放大倍数为50倍、100倍、500倍或者1000倍。
【专利摘要】本实用新型公开了一种超低功耗无源应变监测装置，该装置包括射频前端、超低功耗MCU、应变检测模块和超级电容，其中射频前端包括偶极子天线、整流倍压稳压模块、解调模块与发射模块；本装置可埋入建筑物结构内部采集结构应变参数，并以无线通信的形式向阅读器返回结构的应力变化信息，解决了基于无线传感器网络技术进行结构应变监测的能量依赖及不便等问题，且装置无需电池供电，可长时间工作无需额外维护。
【IPC分类】G01B7/16
【公开号】CN205120032
【申请号】CN201520867680
【发明人】陈积明, 陈敏, 张茜, 史治国
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月3日