一种通过收集无线能量实现自供电的应力监测装置及方法与流程

本发明涉及一种通过收集无线能量实现自供电的应力监测装置，属于信息技术领域。该装置一种无需电源供电的、通过收集周围的无线电信号并转化为供电能源的、可长时间工作的应力监测装置。

背景技术：

应力测量在桥梁监测、矿井监测、结构健康监测等众多领域有着广泛的应用。基于测量的应力数据，可以对结构的健康状态进行评估，从而避免灾难事故的发生。

目前，比较成熟的应力监测装置多采用外接电源供电、或者选用大容量电池供电，在很多应用场合，比如：桥梁监测、隧道监测等，很难获取外接电源，同时，采用电池供电存在电池耗尽问题，需要经常更换电池。因此，人们一直在探索一种可以不用更换电池的、长时间工作的、方便布设的应力监测装置。

研究人员尝试利用振动产生的能量，将振动能转化为电能，设计了基于振动发电的自供电型应力监测装置。相关工作，如“发明专利CN201310677175.1基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置”，该装置利用多方向的压电振动能量收集装置收集各个方向的振动能量，并将其转化为电能为监测的传感器提供持续的电源，该装置成本较之于更换电池的人力成本或布设电线的建设成本较为低廉。但是，振动并不是普遍存在的，很多应用场合并没有持续的振动信号。

如何利用更加普适的方法实现传感器自供电具有重要的研究价值和应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明提供了一种通过收集无线能量实现自供电的应力监测装置，该装置可以高效的将自然空间无线信号的能量转化为直流能量，进而为应力采集电路供电，实现对应力的采集。与已有技术方案相比，本发明采用电容、电感、零压降肖特基二极管、电荷泵等实现无线信号能量到直流能量的转换，使得应力监测装置可以在无线信号覆盖的区域内长时间不间断工作。

一种通过收集无线能量实现自供电的应力监测装置，由全向天线、π型阻抗匹配电路、升压电路、电荷泵、供电开关、低功耗微处理电路、并行接口模数转换器、铁电存储器、以及运行在微处理电路上的控制软件组成；该装置的所有电路元器件均采用超低电压、超低功耗设计，同时，电容均采用超低等效串联电阻、超低漏电流的电容，二极管均采用零压降肖特基二极管；该装置基于智能调度策略实现在充电与工作两种状态的自动切换。

π型阻抗匹配电路由两个电容与一个电感组成，实现由天线阻抗到升压电路阻抗的变换，实现能量的最大传输；

升压电路由多个零压降肖特基二极管以及多个电容组成，通过零压降肖特基二极管的单向导通作用，实现对各个电容的持续充电，使升压电路的输出电压持续升高；

电荷泵实现对直流电压的进一步提升，为负载大容量电容充电，从而为应力采集电路存储足够的电荷；

供电开关在充电模式处于断开状态，在工作模式处于导通状态，确保了充电时应力采集电路不消耗电能；

低功耗微处理电路采用超低电压供电、具有极低的能量消耗，其上运行控制软件，实现对并行接口模数转换器的控制，采集应力数据，并存储到铁电存储器中；

并行接口模数转换器采用并行接口与低功耗微处理电路连接，保障数据的快速传输；

铁电存储器采用并行接口与低功耗微处理电路连接，保障数据的快速传输，同时，保障数据掉电不丢失；

运行在微处理电路上的控制软件实现对采集、存储过程的调度与控制；

该装置采用电容、电感、零压降肖特基二极管、电荷泵等实现无线信号能量到直流能量的转换，采用智能调度策略实现充放电的控制，采用快速采集存储策略实现低功耗、快速的应力数据采集与存储；

无线信号能量到直流能量的转换过程如下：

1）无线信号首先被全向天线接收，之后，通过由电容、电感组成的π型阻抗匹配电路送入升压电路；

2）升压电路由多个电容和零压降肖特基二极管组成，实现电荷的积累与电压的抬升；

3）抬升后的电压送入电荷泵，进一步实现电压的抬升与电荷的积累，电荷泵将收集的电荷存入一个大容量电容中。

智能调度策略的工作流程如下：

1）无线信号能量不断地转化为直流能量并存储到大容量电容中，此时，用于连接能量收集电路与应力采集电路的供电开关处于关闭状态，整个装置不耗电；

2）当大容量电容的电压大于高压阈值时，供电开关导通，应力采集电路上电工作，装置进入工作模式，低功耗处理器控制模数转换电路进行应力采集，并将结果存入铁电存储器中；

3）由于应力采集电路上电工作，大容量电容迅速放电，当其电压小于低压阈值时，供电开关关闭，停止为应力采集电路供电，装置重新进入充电模式；

4）装置持续重复上述2）、3）步骤，实现“充电—工作—充电—工作”的循环往复。

快速采集存储策略的工作流程如下：

1） 应力采集电路的所有元器件均采用超低电压、超低功耗设计；

2）微处理器初始化并行接口模数转换电路并将应力模拟量转换为数字量；

3）微处理器将数字量信号存入高速非易失铁电存储器；

4）应力采集电路进入休眠状态。

本发明的有益效果是通过收集无线能量实现对应力采集系统的供电，该装置无需任何电源，可在无线信号覆盖的区域内工作，安装方便、可长时间工作。因此，其在桥梁监测、隧道监测等领域有着很好的应用前景落。

附图说明

图1为本发明装置的系统结构框图。

图2为本发明装置的“充电—工作—充电—工作”工作模式切换示意图。图中：1全向天线；2π型阻抗匹配电路；3升压电路；4电荷泵；5供电开关；6低功耗微处理电路；7并行接口模数转换器；8铁电存储器；

具体实施方式

下面结合技术方案和附图具体详细阐述本发明的具体实施。

实施例采用图1所示的系统结构框图。电路装置的构成如下：全向天线1采用增益为9dB的鞭状天线，工作频率为880MHz至920MHz；π型阻抗匹配电路2由两个18pF电容和一个3uH电感构成，实现50欧姆阻抗到16+68j复阻抗的变换；升压电路3由6个10pF电容与6个零压降肖特基二极管HSMS2852组成，构成3级倍压电路，实现对电容的不断充电，达到对电容电压的不断提升；电荷泵4由德州仪器公司的bq25570以及大容量电容，bq25570负责实现对大容量电容的充电，实现电压的进一步提升，同时，通过设定bq25570的高压阈值与低压阈值，可实现如图2所示的对装置充电与工作状态的自动切换，大容量电容必须选取超低等效串联电阻、超低漏电流的电容，实施例中采用AVX公司的BestCap系列的6mF电容，实施例中，高压阈值为2.4V，低压阈值为2V；供电开关5采用德州仪器公司的TPS22860超低功耗开关芯片，关闭时的漏电流仅有2nA，确保了充电时系统基本不耗电；低功耗微处理电路6采用德州仪器公司的MSP430F1232，在1MHz主频时处理器耗电流仅为1.8mA，且可以在1.8V—3.6V的宽电压范围内工作；并行接口模数转换器7采用凌特公司的高速并行接口、低功耗、低电压模数转换器LTC2159，供电电压最低1.8V，精度16位，速率20M，16位并行接口；铁电存储器8采用Cypress公司的128K并行接口铁电存储器，存储容量128K，供电电压低至2V，读写速率可达33MHz，电流消耗仅为120uA；运行在微处理电路上的控制软件9采用C语言编写，实现对低功耗微处理电路6、并行接口模数转换器7、以及铁电存储器8的控制，实现应力数据的采集、存储。

测试表明，当发射机发射功率为1W时，该应力监测装置在距离发射机5m的地方，一个“充电—工作”的完整周期为2.8分钟，其中，用于完成应力采集任务的工作时间仅为850us。