专利名称：基于多变量的深海自容式传感器及其供能方法
技术领域：
本发明属于海洋平台结构监测技术领域，涉及一种基于多变量的深海自容式传感器及其供能方法，具体地说是一种利用传感技术进行加速度、结构倾角及海水温湿度的数据采集，再对采集到的数据进行分析，实现对海洋平台下海洋环境以及海洋平台结构本身监测的目的。
背景技术：
海洋平台结构是开发海洋油气资源的最重要的基础设施，它是海上生产作业和生活的基地。目前，全世界大约有6500多座海洋平台结构在53个国家的海域作业，为世界创造了巨大的财富。一般海洋平台的服役期为20年，但由于海洋平台造价昂贵、结构复杂、体积庞大，许多海洋平台都是超期服役。由于海洋平台长期在海洋中的恶劣环境下服役，海洋 环境的变化对其有很大的影响，加上海水的冲击、侵蚀，海洋平台面临着材料老化等诸多问题，在突发的恶劣情况下，海洋平台极易发生突发状况。因此，对海洋平台下的海洋环境监测具有重要的意义。随着结构参数识别、损伤分析和安全度评估理论及技术研究的不断深入，以及各种传感元件、测试设备和计算机硬件、软件系统的发展，重大工程结构的在线监测与安全评估已经得到国内外科技和产业部门的高度重视。近年来对海洋平台结构监测有许多方面环境载荷影响，腐蚀损伤，平台构件的缺陷和裂纹，以及机械损伤、疲劳效应的扩展等。对于深海环境的监测，目前国际上可以适用于深海观测的传感器如温度、压力、浊度、海流等。基于多变量的深海自容式传感器可以同时采集深海的加速度、倾角、温湿度的数据，通过对采集到的信号分析，可以实现监测海洋平台下海洋环境的目的，对海洋平台的监测、维护起到重要作用。
发明内容
本发明提供了一种安装简便的基于多变量的深海自容式传感器及其供能方法。本发明的技术方案如下基于多变量的深海自容式传感器,该深海自容式传感器包括传感单元、数据采集存储单元、供电模块；传感单元包括加速度传感器、倾角传感器和温湿度传感器，其中加速度传感器采用LIS344ALH加速度传感器，LIS344ALH是低功耗三轴线性加速度传感器，包括传感器件和IC接口，能够从传感器件获得信息，并向外界提供模拟信号；倾角传感器采用SCA103T高精度倾角传感器，该倾角传感器是高分辨率单轴倾角传感器，测量范围为±15度或±30度，长期稳定性非常好，温度特性优良，抗冲击能力强；温湿度传感器采用SHTll温湿度传感器，SHTll是瑞士 Sensirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片，该芯片高度集成化，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能，传输可靠性高，接口简单。
数据采集存储单元包括MSP430低功耗MCU、大容量存储器、时钟电路及通信接口，通信接口设计包括USB、串口及无线接口。供电模块由供能系统、电源稳压芯片及电池组成，其中供能系统由电磁线性发电机、超级电容和电压倍增电路组成；电池采用锂电池。基于多变量的深海自容式传感器的供能系统，包括电磁线性发电机，电压倍增电路，可以承受无限次充放电的超级电容。当有振动能产生时，电磁线性发电机将振动能转换成电能，由一个电压倍增电路对输出的电能加强和纠正后，输出1V，50HZ的交流电，用一个超级电容来存储电能，MSP430低功耗MCU监视超级电容的电压，当提供的电压达到阈值电压时，超级电容为锂电池充电，完成整个供能过程。基于多变量的深海自容式传感器的耐压壳体采用抗侵蚀、防水的密封耐压钛合金夕卜壳。上述的深海自容式传感器的供能方法如下 将基于多变量的深海自容式传感器捆绑在海洋平台的腿柱上，海水冲击海洋平台产生振动，通过线性电磁发电机，将收集到的振动能转换成可用的电能。电磁发电机位于供能系统的左上角；由一个电压倍增电路对输出的电能加强和纠正后，输出1V，50HZ的交流电；用一个超级电容来存储电能，MSP430低功耗MCU监视超级电容的电压，当提供的电压达到阈值电压时，超级电容为锂电池充电。单片机激活传感器，传感器开始采集存储数据。完成一段时间的数据采集后，取出传感器，可以通过USB/串口或者无线向计算机上导入数据。本发明的有益效果是选用基于MEMS技术的传感器芯片来感应信号，并选用了加速度传感器、倾角传感器和温湿度传感器，可以监测多变量。系统采用多通信接口设计，包括USB、串口和无线的设计。由传感单元、数据采集存储单元形成基于多变量的深海自容式传感器。多通信接口和计算机完成了数据的接收。基于本发明提出的基于多变量的深海自容式传感器及其供能方法，该自容式传感器防水、耐压、易于安装拆除，体积小、低功耗、使用时间长，利用环保的振动能供能的方法，且检测精度高等特点决定了其广阔的前景和实用价值。
图I是基于多变量的深海自容式传感器结构框图。图2是基于多变量的深海自容式传感器供能系统结构框图。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施。本发明的基于多变量的深海自容式传感器结构框图如图I所示。传感单元选用基于MEMS技术的传感器芯片来感应信号，数据采集存储单元负责将MEMS芯片感应的加速度、倾角、温湿度数据存储到Flash存储器中，需要导出数据时，可以通过通信接口将数据导出到计算机上。供电模块由供能系统、电源稳压芯片及电池组成，其中供能系统由电磁线性发电机、超级电容和电压倍增电路组成；电池采用锂电池。耐压壳体采用抗侵蚀、防水的密封耐压钛合金外壳。
本发明的基于多变量的深海自容式传感器供能系统结构框图如图2所示。供能系统包含在耐压壳体内部，当海水冲击到海洋平台时，海洋平台产生的振动能，被电磁线性发电机收集,产生电能。输出的电能经过倍增电路的加 强和纠正后,产生的交流电给超级电容充电，已下载程序的单片机监测超级电容的电压，当电压达到阈值电压时，超级电容给锂电池充电，然后锂电池为整个电路系统供电，包括为传感器供电，传感器采集存储数据。
权利要求
1.一种基于多变量的深海自容式传感器，其特征在于该深海自容式传感器包括传感单元、数据采集存储单元、供电模块；其中传感单元包括加速度传感器、倾角传感器和温湿度传感器；数据采集存储单元包括MCU、存储器、时钟电路及通信接口，通信接口包括USB、串口及无线接口。
2.根据权利要求I所述的深海自容式传感器，其特征在于供电模块由供能系统、电源稳压芯片及电池组成，其中供能系统由电磁线性发电机、超级电容和电压倍增电路组成；电池采用锂电池。
3.根据权利要求I或2所述的深海自容式传感器，其特征在于耐压壳体采用抗侵蚀、防水的密封耐压钛合金外壳。
4.使用权利要求I或2所述的深海自容式传感器的供能方法，其特征在于将基于多变量的深海自容式传感器捆绑在海洋平台的腿柱上，海水冲击海洋平台产生振动，通过线性电磁发电机，将收集到的振动能转换成电能；电磁发电机位于供能系统的左上角；由一个电压倍增电路对输出的电能加强和纠正后，输出1V，50HZ的交流电；用一个超级电容来存储电能，MCU监视超级电容的电压，当提供的电压达到阈值电压时，超级电容为锂电池充电；单片机激活传感器，传感器开始采集存储数据；完成数据采集后，取出传感器，通过通信接口向计算机上导入数据。
5.使用权利要求3所述的深海自容式传感器的供能方法，其特征在于将基于多变量的深海自容式传感器捆绑在海洋平台的腿柱上，海水冲击海洋平台产生振动，通过线性电磁发电机，将收集到的振动能转换成电能；电磁发电机位于供能系统的左上角；由一个电压倍增电路对输出的电能加强和纠正后，输出1V，50HZ的交流电；用一个超级电容来存储电能，MCU监视超级电容的电压，当提供的电压达到阈值电压时，超级电容为锂电池充电；单片机激活传感器，传感器开始采集存储数据；完成数据采集后，取出传感器，通过通信接口向计算机上导入数据。
全文摘要
一种基于多变量的深海自容式传感器及其供能方法，深海自容式传感器部分包括传感单元、数据采集存储单元、供电模块；传感单元包括加速度传感器、倾角传感器和温湿度传感器；数据采集存储单元包括MCU、存储器、时钟电路及通信接口，通信接口包括USB、串口及无线接口。数据通过通信接口到计算机上，可监测海洋平台结构振动的加速度和倾角变化，亦可以监测海洋环境的温湿度变化。本发明克服了传统的只是单独监测某一变量的监测方法，可以同时监测多变量，具有测试精度高、稳定性好、功耗低、体积小等特点。同时，提出的将海洋平台的振动能转换成可用的电能，为所开发的传感器供电，节能环保，有效地延长传感器的工作时间。
文档编号G01C9/00GK102735873SQ201210210309
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26日
发明者喻言, 宋阳, 欧进萍 申请人:大连理工大学