自供能无线传感系统和测量物理参数的方法

1.本公开涉及传感器技术领域，更具体地，涉及一种自供能无线传感系统和测量物理参数的方法。


背景技术：

2.随着现代社会的发展，基于物联网(iot)技术的智慧城市有望在不久的将来作为一种新的生活方式。传感器被称为物联网的眼睛和耳朵，通常能将待传感的物理信号转化为电信号，是物联网中最重要的组成部分之一。目前，广泛分布的传感器仍需要电池或者基于导线的电源供能，其中大量的传感器也需要传输线传输传感信号，这无疑给物联网的应用带来了巨大挑战。
3.为避免有线传感器所带来的线缆布线复杂且布置区域受线缆所限的问题，通常使用无线传感器。现有技术中，通常使用fm等调制方法以区分不同的无线传感器所发射的不同的无线电信号。然而，这种调制需要使用额外的调制设备来实现，并且其也需要与外部供电单元电气连接以对其进行供能。
4.自供能技术是一种无需外加电源，收集周围环境中其他形式能量(如太阳能、风能、机械能、热能等)并将其转换成电能，可以提供安全、稳定、高效的电能供给技术。自供能技术中的能量收集器可以为摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator，teng)，其用于将机械能转换为电能，因此可用于为传感器供能。
5.因此，需要一种能够将自供能技术应用于传感器领域中，并在不采用调制设备的情况下能够区分不同的无线电信号并定量分析无线电信号以实现传感功能的自供能无线传感系统。


技术实现要素：

6.根据本公开的一方面，提供了一种自供能无线传感系统，其中，所述自供能无线传感系统包括自供能无线传感装置以及无线电信号接收装置，其中所述自供能无线传感装置包括用于将机械能转换为电能的纳米发电机、用于将待测物理参数转换为电参数的传感器、以及用于将电能转换为无线电信号的击穿放电器，其中，所述传感器的类型为电容型传感器、电阻型传感器和电感型传感器中的一种；以及所述无线电信号接收装置用于接收由所述自供能无线传感装置发送的无线电信号，并且基于所提取的所述无线电信号的特征以及所述自供能无线传感装置的电气参数，确定与所述无线电信号对应的电参数值，以用于确定所述传感器所测量的待测物理参数的值，其中，所提取的所述无线电信号的特征的类别与所述传感器的类型和连接方式相关，并且所提取的所述无线电信号的特征的值与所述传感器的电参数值以及所述自供能无线传感装置的电气参数相对应
7.根据本公开的另一方面，提供了利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法，所述自供能无线传感系统包括自供能无线传感装置以及无线电信号接收装置，所述自供能无线传感装置包括用于将机械能转换为电能的纳米发电机、用于将待测物理参数转换
为电参数的传感器、以及用于将电能转换为无线电信号的击穿放电器，其中，所述传感器的类型为电容型传感器、电阻型传感器和电感型传感器中的一种，所述方法包括：从所述自供能无线传感装置接收无线电信号；以及基于所提取的所述无线电信号的特征以及所述自供能无线传感装置的电气参数，确定与所述无线电信号对应的电参数值，以用于确定所述传感器所测量的待测物理参数的值，其中，所提取的所述无线电信号的特征的类别与所述传感器的类型和连接方式相关，并且所提取的所述无线电信号的特征的值与所述传感器的电参数值以及所述自供能无线传感装置的电气参数相对应。
8.根据本公开的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在由被处理器执行时，使得处理器执行如上所述的利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法。
9.根据本公开的另一方面，提供了一种计算机程序产品，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在由被处理器执行时，使得处理器执行如上所述的利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法。
10.根据本公开的自供能无线传感系统，通过自供能无线传感装置中的纳米发电机，能够提供用于利用传感器进行传感测量的电能以实现自供能传感，由此，省去了对传统的传感器的外部的供电单元，大大减小了所需的空间尺寸并避免了使用电池作为外部的供电单元导致系统的整体寿命以及使用时间受到很大限制的问题；另外，通过击穿放电器，能够借助无线电信号无线地发送信号，该信号可以携带传感器的电参数值的相关信息；并且基于无线电信号得到传感器受待测物理参数值的改变而改变的电参数值，能够在不借助额外的调制设备的条件下确定所述传感器的待测物理参数值，由此省去了额外的调制设备以及对额外的调制设备供电单元，大大减小了所需的空间尺寸，并且解决了额外的调有线输出所带来的布线繁琐等问题。同时，传感器可以是常见的多种传感器(例如，温度传感器、压力传感器以及湿度传感器等等)，因此能够将自供能无线传感系统应用到更多的场合以测量更多类型的物理参数。
附图说明
11.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些示例性实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
12.在此，附图中：
13.图1a示出了根据本公开的自供能无线传感系统的示意图；
14.图1b示出了自供能无线传感装置特别是击穿放大器和纳米发电机的更详细的实施例。
15.图2示出了自供能无线传感装置在未包括传感器时的等效电路模型。
16.图3a示出了传感器为电感型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的组合等效电路模型的示意图。
17.图3b示出了传感器的不同电感值对应的信号频谱图。
18.图3c示出了传感器的不同电感值对应的基波频率的实验值和理论值的对比示意
图。
19.图4a示出了传感器为电阻型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的组合等效电路模型的示意图。
20.图4b示出了不同电阻值对应的脉冲衰减时间的实验值和理论值的对比示意图。
21.图5a示出了传感器为电容型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的组合等效电路模型的示意图。
22.图5b示出了不同电容值对应的脉冲衰减时间的实验值和理论值的对比示意图。
23.图6a示出了传感器为电容型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的另一种组合等效电路模型的示意图。
24.图6b示出了不同电容值(串联)对应的基波周期值的实验值和理论值的对比示意图。
25.图7a示出了传感器为电容型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的另一种组合等效电路模型的示意图。
26.图7b示出了不同电容值(并联)对应的基波周期值的实验值和理论值的对比示意图。
27.图8示出了根据本技术实施例的无线电信号接收装置确定待测物理参数值的示例过程图。
28.图9a示出了无线电信号接收装置基于接收的无线电信号确定基波频率值/基波周期值的示例过程图。
29.图9b示出了用于确定基波周期值振荡波形的示意图。
30.图9c示出了定义脉冲衰减时间的示意图。
31.图9d示出了无线电信号接收装置基于接收的无线电信号计算脉冲衰减时间的示例过程图。
32.图10示出了根据本技术实施例的无线电信号接收装置确定待测物理参数值的示例过程图。
33.图11a-12b示出了根据本公开的实施例的自供能无线传感系统的应用场景示意图。
34.图13示出了本技术的实施例的利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法的流程图。
具体实施方式
35.为了使得本公开的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本公开的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例，应理解，本公开不受这里描述的示例实施例的限制。
36.此外，在本说明书和附图中，具有基本上相同或相似步骤和元素用相同或相似的附图标记来表示，且对这些步骤和元素的重复描述将被省略。
37.此外，在本说明书和附图中，根据实施例，元素以单数或复数的形式来描述。然而，单数和复数形式被适当地选择用于所提出的情况仅仅是为了方便解释而无意将本公开限制于此。因此，单数形式可以包括复数形式，并且复数形式也可以包括单数形式，除非上下
文另有明确说明。
38.此外，在本说明书和附图中，所涉及的术语“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本公开实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
39.此外，在在本说明书和附图中，所使用的“上”、“下”、“垂直”、“水平”等涉及方位或位置关系的术语仅用于方便描述根据本公开的实施例，而无意将本公开限制于此。因此不应理解为对本公开的限制。
40.此外，在本说明书和附图中，除非另有明确说明，“连接”并不意味着必须“直接连接”或“直接接触”，在此，“连接”既可表示固定作用也可表示电学意义上的连通。
41.此外，在本说明书和附图中，所涉及的术语“确定”可以包括得到某种特定结果的操作，可理解地，“确定”在允许的情况下可以包括“确定”、“计算”、“获取”、“得出”、“推导”、“推算”、“反推”“推断”、“判断”等等类似的含义。
42.作为一个示例，本公开可以应用于与人工智能(artificial intelligence,ai)相结合的智能传感器领域。其中，人工智能是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。换句话说，人工智能是计算机科学的一个综合技术，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。人工智能也就是研究各种智能机器的设计原理与实现方法，使机器具有感知、推理与决策的功能。
43.随着人工智能技术研究和进步，人工智能技术在多个领域展开研究和应用，例如常见的智能家居、智能穿戴设备、虚拟助理、智能音箱、智能营销、无人驾驶、自动驾驶、无人机、机器人、智能医疗、智能客服等，相信随着技术的发展，人工智能技术将在更多的领域得到应用，并发挥越来越重要的价值。本公开实施例提供的方案可以涉及人工智能的传感器技术，具体通过如下实施例进行说明。
44.在摩擦纳米发电机(teng)的一些具体应用中，可以将摩擦纳米发电机技术与基于击穿放电的无线电信号传输技术结合，形成自供能的无线传感系统，其中摩擦纳米发电机向击穿放电器提供电能，使得击穿放电器在击穿时产生无线电信号，从而接收装置可以通过对无线电信号进行分析而确定摩擦纳米发电机以及击穿放电器相关的一些参数(例如，电气参数(装置电阻、电感等)、环境参数(放电气隙的气体类型等等)，等等)。
45.此外，可以将上述摩擦纳米发电机以及击穿放电器与目前市面上常见的传感器相结合，从而可以测量多种物理参数，因此扩展了上述自供能的无线传感系统的应用范围。以下将对此进行详细介绍。
46.图1a示出了根据本公开的自供能无线传感系统的示意图。
47.根据本公开的一方面，提供了一种自供能无线传感系统。图1a中示例性地示出了根据本公开的自供能无线传感系统100的一种实施方式。在此，所述自供能无线传感系统100包括自供能无线传感装置110以及无线电信号接收装置120。如图所示，自供能无线传感装置输入有输入信号，对应于自供能无线传感装置110的能量来源，例如机械能。
48.为实现自供能无线传感装置的自供能特性，自供能无线传感装置110可以包括用于将机械能转换为电能的纳米发电机110-1。在此，纳米发电机110-1例如可以是摩擦纳米
发电机teng(triboelectric nanogenerator)。借助自供能无线传感装置执行传感功能期间所出现的机械运动，例如运动对象与自供能无线传感装置中的摩擦纳米发电机的相互摩擦，所述摩擦纳米发电机基于摩擦起电将所述机械运动的机械能转换为与其对应的电能。
49.然后，为实现自供能无线传感装置的传感特性，自供能无线传感装置110还可以包括用于将物理参数转换为电参数的传感器110-2。例如，传感器的类型为电容型传感器、电阻型传感器和电感型传感器中的一种。传感器可以例如是电阻值随着温度变化而变化的温度传感器，电容值随着压力值变化的压力传感器等等。本公开对传感器的类型不做限制。在这种情况下，在摩擦纳米发电机将机械能转换得到的电能的驱动下，自供能无线传感装置中的传感器足以执行其传感功能，而不再需要外部的供电单元对其进行供电。由此，由于不需要外部的供电单元，不仅避免了使用电池作为外部的供电单元导致传感器系统的整体寿命以及使用时间受到很大限制的问题，而且还进一步减小了自供能无线传感装置的空间体积，使其能够方便灵活并且节能环保地应用到传感器使用空间较为紧凑的领域、例如可穿戴设备领域、植入医疗器械领域等。
50.此外，为实现自供能无线传感装置的无线特性，自供能无线传感装置110还可以包括击穿放电器110-3，其用于将电能转换为无线电信号。根据本公开的实施例，击穿放电器110-3积累纳米发电机所转换的电能，并且在电能超过预先给定的阈值的情况下，以击穿绝缘气体的方式将击穿电弧所产生的无线电信号用作自供能无线传感装置的输出信号。
51.为了便于理解无线电信号的产生过程，图1b示出了自供能无线传感装置特别是击穿放大器和纳米发电机的更详细的实施例。
52.例如，自供能无线传感装置110中的纳米发电机110-1包括摩擦起电薄膜111。如图1b所示，由于运动对象在其机械运动时与所述摩擦起电薄膜111接触并发生摩擦，基于摩擦起电，所述摩擦起电薄膜111将产生与机械运动相对应的电荷量。可见，该电荷量的产生并不需要借助任何附加的外部供电单元，即所连接的传感器的传感功能的实现可以利用该纳米发电机的电荷量，而不需要借助任何附加的外部供电单元，由此实现了如上所述的自供能无线传感装置的自供能特性。
53.击穿放电器110-3可以包括电荷积累结构。如图1b所示，所述电荷积累结构具有彼此绝缘隔离第一电极112a和第二电极112b，用于累积所述摩擦起电薄膜111产生的电荷。例如，当所述运动对象从左向右运动，即首先摩擦第一电极112a上的摩擦起电薄膜而后再摩擦第二电极112b上的摩擦起电薄膜时，由于第一电极112a和第二电极112b上所累积电荷的电荷量存在差异，由此，在第一电极112a与第二电极112b之间形成电场。在此，击穿放电器还包括击穿放电结构，所述击穿放电结构具有第一放电尖端112c和第二放电尖端112d。
54.在第一放电尖端与第二放电尖端之间具有放电间隙，并且第一放电尖端与第一电极电气连接，第二放电尖端与第二电极电气连接。由于第一放电尖端112c和第二放电尖端112d处物体表面曲率较大，等电位面较密，导致所述第一放电尖端112c与所述第二放电尖端112d之间电场强度剧增。第一放电尖端112c与第二放电尖端112d之间的电场导致其间自由电子的加速，并发生电子碰撞电离。当该电场强度足够高时，即碰撞电离导致自持的电子崩时，将击穿第一放电尖端112c与第二放电尖端112d之间的绝缘介质并在第一放电尖端5112c与第二放电尖端5112d之间形成电弧。据此，所述电弧中的电流将导致相互产生的磁场和电场(即，电磁波)，由此，所述击穿放电结构能够发射出无线电信号。
55.针对该无线电信号的一些特征，例如其信号频谱中基波特征峰的高度(也称为基波频率值)、时域中的脉冲衰减时间等等，不同类别的特征与不同的所述传感器的类型和连接方式(传感器如何与纳米发电机和击穿放电器连接)相关，并且这些特征的值与所述自供能无线传感装置110的电气参数(如将在后文介绍的自供能无线传感装置110的等效电路模型中的纳米发电机的等效电压源的电压值和等效电容值、装置电阻值、装置电容值、装置电感值等等)以及所述传感器的电参数值(例如，传感器通过将待测物理参数(温度、压力、湿度等等)值转换得到的电容值、电阻值或者电感值)相对应。因此，在已经知晓传感器的类型和对应的连接方式、以及自供能无线传感装置110的电气参数的情况下，基于无线电信号的一些特征可确定传感器的电参数值(与待测物理参数的值对应)。
56.根据本公开的实施例，为了更清楚地阐述自供能无线传感装置110的电气参数，在图2中示意性地示出了自供能无线传感装置110在未包括传感器时的等效电路模型。其中，电压源vi和电源内等效电容ci为自供能无线传感装置110中摩擦纳米发电机的等效电路模型，r0、l0、c0为自供能无线传感装置110的非摩擦纳米发电机部分的装置电阻(例如寄生电阻)或装置电感(例如自感)或装置电容(例如寄生电容)，bd表示击穿放电器，其在击穿之后相当于短路，未击穿时相当于断路(电荷积累在两个电极)。在本公开的上下文中，为了描述的方便，将各个电路元件的值也用其对应的名称来表示，例如，r0、l0、c0也可以分别用于表示装置电阻、装置电感和装置电容的值。
57.在自供能无线传感装置110包括传感器时，传感器根据类型(例如，电容型、电阻型或者电感型)的不同，以不同的连接方式与图2中的等效电路模型中的各个电路元件连接，得到新的等效电路模型，称为组合等效电路模型。针对不同类型的传感器，传感器的连接方式将在后文进行详细描述。传感器对应的电参数值(例如，随着待测物理参数值变化的电容值、电感值或者电阻值)将与图2中的等效电路模型中的各个电路元件相互作用。
58.基于电路理论已知，rlc网络的不同的电气参数(即，其不同的电阻值、电感值或电容值)对应于该rlc网络的不同的幅频响应。自供能无线传感装置110发送的无线电信号的电场强度与自供能无线传感装置110中的电流(击穿后的电流)相关联，则在击穿放电器击穿之后，图2中的等效电路模型可以视为rlc网络。因此，对于结合了传感器的自供能无线传感装置110的组合等效电路模型对应的rlc网络，在自供能无线传感装置110的电气参数、传感器的类型和连接方式确定时，当传感器的电参数值发生改变，该rlc网络的幅频响应也会改变，从而在击穿放电器的放电尖端之间产生改变的电流，进而产生的无线电信号的一些特征(例如，基波频率值或者脉冲衰减时间等等)也会相应的改变。因此，可以通过对该改变后的无线电信号的特征进行分析，从而可以得到传感器的电参数值，进而得到对应的物理参数值。
59.因此，无线电信号接收装置120可以接收由自供能无线传感装置110发送的无线电信号，例如，该无限电信号携带了传感器的电参数值的相关信息。无线电信号接收装置120可以根据所述传感器的类型和连接方式(例如，可以预先获取其指示信息，例如获取用户输入的该指示信息)确定要提取的无线电信号的特征的类别(例如，是脉冲衰减时间或者基波频率值)，基于所提取的该无线电信号的特征以及自供能无线传感装置110的电气参数，确定与所述无线电信号对应的待测物理参数值。例如，无线电信号接收装置120在获取了无线电信号之后，根据不同的传感器类型和连接方式，提取无线电信号中的不同特征，并针对该
不同的特征来采用不同的计算方法以得到传感器的电参数值。
60.也就是说，无线电信号接收装置120需要在确定传感器的类型和连接方式之后，才能确定要提取的所述无线电信号的特征，并相应地利用不同的计算方式来计算传感器的电参数。因此，传感器的类型和连接方式的指示信息可以是用户输入或设置的，例如，在确定了要应用的传感器之后，用户可以根据特定的连接方式将该传感器与纳米发电机以及击穿放电器等元件连接起来，并输入传感器的类型和连接方式的指示信息。在无线电信号接收装置120处的操作可以为：根据传感器的类型和连接方式的指示信息确定要提取的无线电信号的特征的类别(例如，是提取脉冲衰减时间还是基波频率值/基波周期值)；计算所确定的类别的所述无线电信号的特征的值；以及基于无线电信号的特征的值以及其与传感器的电参数值的第一对应关系(例如，函数关系)来确定传感器的电参数值，并根据针对传感器的物理参数和电参数的第二对应关系来确定传感器所测量的待测物理参数的值。
61.可选地，无线电信号接收装置120可以包括用于接收无线电信号的接收器(例如天线)以及用于实现电参数以及对应的物理参数的确定过程的一个或多个处理装置(例如，包括但不限于通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等等)，并且还可以包括一个或多个存储装置(例如，包括但不限于计算机可读存储介质，例如只读存储器(rom)、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)或闪存)，用于存储用于实现上述电参数以及对应的物理参数的确定过程或者如将在后文参考图13描述的利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法的各步骤中描述的各种操作所需要的计算机程序、指令、信息或数据等等。可选地，该无线电信号接收装置120还可以包括显示模块，以呈现测量结果。
62.由此，根据本公开的自供能无线传感系统，通过自供能无线传感装置中的纳米发电机，能够提供用于利用传感器进行传感测量的电能以实现自供能传感，由此，省去了对传统的传感器的外部的供电单元，大大减小了所需的空间尺寸并避免了使用电池作为外部的供电单元导致系统的整体寿命以及使用时间受到很大限制的问题；另外，通过击穿放电器，能够借助无线电信号无线地发送信号，该信号可以携带传感器的电参数值的相关信息；并且基于无线电信号得到传感器受待测物理参数值的改变而改变的电参数值，能够在不借助额外的调制设备的条件下确定所述传感器的待测物理参数值，由此省去了额外的调制设备以及对额外的调制设备供电单元，大大减小了所需的空间尺寸，并且解决了额外的调有线输出所带来的布线繁琐等问题。同时，传感器可以是常见的多种传感器(例如，温度传感器、压力传感器以及湿度传感器等等)，因此能够将自供能无线传感系统应用到更多的场合以测量更多类型的物理参数。
63.基于图1a-2描述了自供能无线传感系统，对于不同类型的传感器，将会采用不同的连接方式将该传感器结合到如图2所示的等效电路模型中，并且将会基于无线电信号中的不同特征来确定待测物理参数值，以下将对这部分内容进行详细描述。
64.如前面所述，无线电信号接收装置120可以接收由自供能无线传感装置110发送的无线电信号，该无线电信号的电场强度与自供能无线传感装置110中的响应电流相关联。图2中的等效电路模型(未包括传感器时)视为一个rlc网络并可以计算击穿放电器在击穿时该等效电路模型的响应电流，以用于计算与该响应电流对应的无线电信号的电场强度。
65.基于基尔霍夫电压定律可以得到如下关系：
[0066][0067]
其中，i为响应电流，ui(t)为电压源vi的时域信号，l、r和c分别为图2的rlc网络中的等效电感值、等效电阻值和等效电容值，例如c为纳米发电机部分的电源内等效电容ci与装置电容c0的等效电容值(上下文中电源内等效电容ci与装置电容c0的等效电容值用c
eq
表示)，r和l分别是自供能无线传感装置110的装置电阻值r0和装置电感值l0。
[0068]
此外，由于等效电路模型中电容的充电时间(例如，机械运动产生的机械能为摩擦纳米机补充电荷)远远慢于击穿过程的持续时间，因此基于将ui(t)视为阶跃电压信号来针对等式(1)求解响应电流。等式(1)是一个二阶方程，为了便于求解及数据分析，这里引入自然频率与阻尼比与阻尼比忽略初值的影响，可以得出3种解，对应不同谐振振荡情况。
[0069]
1.欠阻尼情况(0≤ζ＜1)：
[0070][0071]
2.临界阻尼情况(ζ＝1)：
[0072][0073]
3.过阻尼情况(ζ＞1)：
[0074][0075]
从上述等式(2)-(4)可见，响应电流i(t)会随着自然频率ωn与阻尼比ζ的变化而变化。自然频率ωn与rlc网络中的等效电感值l和等效电容值c相关联，并且阻尼比ζ与rlc网络中的电阻、电感和电容值相关联。因此，可以通过调制自供能无线传感装置110的等效电路模型(图2)中的l、r或c值以调制该响应电流，从而进一步调制所产生的无线电信号。例如，当将传感器结合到图2中的等效电路模型中时，传感器的电参数值会引起rlc网络中的上述等式(1)中的l、r或c值中至少一者的改变，从而引起响应电流的改变，进一步改变了所产生的无线电信号，实现了对无线电信号的调制。
[0076]
因此，通过对无线电信号的特征进行分析，可以确定(推算或反推)传感器的电参数值。也就是说，由于引入的传感器的电参数值会导致对应的组合等效电路模型对应的rlc网络的阻尼比和/或自然频率的改变，从而引起会影响无线电信号的响应电流的改变，因此可以分析或计算得到无线电信号的特征(例如后文将详细描述的脉冲衰减时间或者基波频率值/基波周期值)，并利用该特征与包括传感器的组合等效电路模型的rlc网络中的各个电路元件的参数值之间的第一对应关系(例如函数关系)，确定(反推)传感器的电参数值，从而可以确定传感器测量的待测物理参数值。
[0077]
基于上述原理，以下详细描述根据不同类型的传感器使用不同的连接方式，并且根据调制得到的无线电信号的特征确定传感器的电参数值，进而确定待测物理参数值的更多细节。
[0078]
图3a示出了传感器为电感型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的组合等效电路模型的示意图。图3b示出了传感器的不同电感值对应的信号频谱图，可以用于确定基波频率值。图3c示出了传感器的不同电感值对应的基波频率的实验值和理论值的对比示意图。
[0079]
为了便于计算组合等效电路模型m1中的各个电气参数，将电感型传感器串联在图2所示的等效电路模型中，得到如图3a的组合等效电路模型m1，这样rlc网络的l值可以为电感型传感器的电参数值(ls)和装置电感值l0的和。如图3a所示，电感型传感器的连接方式为与所述纳米发电机和所述击穿放电器串联。
[0080]
从自然频率与阻尼比可知，当电感型传感器的电感值改变时，组合等效电路模型m1对应的rlc网络的自然频率和阻尼比都将发生变化，响应电流也会发生变化，使得无线电信号也会发生改变。即，改变的无线电信号理论上可能是通过基于自然频率的调制得到的，也可能是基于阻尼比的调制来调制得到的，不同的调制方式的假设将会导致采用不同的反推方式来确定电感型传感器的电感值。例如，基于阻尼比的调制的假设将基于无线电信号的脉冲衰减时间来进行反推，且基于自然频率的调制的假设将基于无线电信号的基波频率值/基波周期值来进行反推。
[0081]
另外，基于响应电流的无线电信号的脉冲衰减时间与阻尼比相关，并且脉冲衰减时间与图3a所示的rlc网路中的至少一部分电路元件的参数值相关，例如脉冲衰减时间可以用等式τ＝r c+α来表示，其中，τ为脉冲衰减时间，r和c为图3a所示的rlc网路的等效电阻值和等效电容值，α为调整常数，是经验值。可见，在根据无线电信号的特征反推传感器的电参数值时，通过获取作为无线电信号的特征的脉冲衰减时间τ，并不能计算rlc网络的电感值，因此针对电感型传感器，分析的无线电信号的特征不采用脉冲衰减时间，而采用作为特征的基波频率值(fb)或基波周期值(tb＝1/fb)，即基于自然频率的调制的假设。
[0082]
图3a所示的rlc网路中，无线电信号的基波频率值(fb)可以用等式来表示，其中，l和c为图3a所示的rlc网路的等效电感值和等效电容值。
[0083]
因此，针对电感型传感器(连接方式是与所述纳米发电机和所述击穿放电器串联)，无线电信号接收装置120可以被配置为基于无线电信号的基波频率值或基波周期值以及自供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)，确定电感型传感器的电感值(ls)，以用于确定该电感型传感器所测量的待测物理参数(例如，温度、压力、湿度等等)的值。例如，在通过分析接收的无线电信号确定了无线电信号的基波频率值fb或基波周期值之后，通过且基于c是固定的预先标定值(c0和ci的等效电容c
eq
)的事实，可以计算得到图3a所示的rlc网路的等效电感值l，并且由于l＝ls+l0且l0也是固定的预先标定值，因此可以计算得到此时电感型传感器对应的电感值ls。自供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)的预先标定值的获取方式将在后文进行描述。
[0084]
此外，通过公式(2)-(4)可知，图3a的组合等效电路模型m1对应的rlc网络应当适当地工作在欠阻尼的状态下。因为，r的值为装置电容值(r0)，c的值是纳米发电机部分的等效电容ci与装置电容c0的组合等效电容值，两者都是比较小的值，如果工作在过阻尼或者临
界阻尼，则l(即ls+l0)也需要选择比较小的值，这对于电感型传感器的选择存在过多的限制。
[0085]
为了验证无线电信号接收装置120处的基于无线电信号的特征利用上述公式反推传感器的电参数过程的可行性，可以利用不同已知电感值的多个电感器来进行实验验证。
[0086]
图3b中示出了在不同电感值下所输出的无线电信号的信号频谱。图3b的横坐标表示以mhz为单位的无线电信号的频率值，纵坐标表示表示以v为单位的无线电信号的在各个频率值下的幅度值，例如可以对无线电信号进行傅里叶分析或小波分析而得出。在图3b中，示出了在除了装置电感l0之外，还串联了0.1μh、33μh以及470μh的电感lm时所述自供能无线传感装置所发送的无线电信号的信号频谱。由此可见，自供能无线传感装置在不同电感值下所输出的无线电信号的信号频谱不同。其中，对于每个电感值的电感，最大幅度值对应的频率值为该电感的基波频率值。
[0087]
图3c的横坐标表示以μh为单位的所串联的电感lm(用于模拟传感器的已知电感值的电感)的电感值，纵坐标表示以mhz为单位的基波频率值(基波特征峰的频率值)。图3c中以点示出了实际测量数据，并且以曲线示出了根据公式计算的基波频率值与所串联的电感lm的关系。
[0088]
如图3c所示，根据实测所得的基波频率值与所串联的电感lm的关系与根据公式(1)所得的基波频率值与所串联的电感lm的关系基本一致。由此，进一步表明，对于电感型传感器，如果知晓该自供能无线传感装置所发送的无线电信号的基波频率值，则可以根据上述公式方便且准确地反推自供能无线传感装置的组合电感值的大小，进而求得串联的电感值(实际应用中是传感器的电感值)。
[0089]
图4a示出了传感器为电阻型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的组合等效电路模型的示意图。图4b示出了不同电阻值对应的脉冲衰减时间的实验值和理论值的对比示意图。
[0090]
为了便于计算组合等效电路模型m2中的各个电气参数，将电阻型传感器串联在图2所示的等效电路模型中，得到如图4a的组合等效电路模型m2，这样rlc网络的r值可以为电阻型传感器的电参数值(rs)和装置电阻r0的值的和。可选地，装置电阻r0的值相对于电阻型传感器的电阻值的范围较小，因此有时候可以忽略。如图4a所示，电阻型传感器的连接方式为与所述纳米发电机和所述击穿放电器串联。
[0091]
从自然频率与阻尼比可知，当电阻型传感器结合到图2所示的等效电路模型中得到组合等效电路模型m2时，仅组合等效电路模型m2对应的rlc网络的阻尼比会发生变化，响应电流也会发生变化，使得无线电信号也发生改变。也就是说，针对电阻型传感器，该无线电信号是通过基于阻尼比的调制来调制得到的。
[0092]
如前面所述，基于响应电流的无线电信号的脉冲衰减时间与阻尼比相关，并且脉冲衰减时间可以用等式τ＝r c+α来计算，其中，r和c为图4a所示的rlc网路的等效电阻值和等效电容值，α为调整常数，是经验值。可见，通过分析作为无线电信号的特征的脉冲衰减时间，在c是固定的预先标定值的情况下，可以计算r的值。
[0093]
也就是说，针对电阻型传感器(连接方式是与所述纳米发电机和所述击穿放电器串联)，无线电信号接收装置120可以被配置为基于无线电信号的脉冲衰减时间以及所述自
供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)，确定电阻型传感器的电阻值(rs)，以用于确定该电阻型传感器所测量的待测物理参数(例如，温度、压力、湿度等等)的值。例如，在通过分析接收的无线电信号确定了无线电信号的脉冲衰减时间之后，通过τ＝r c+α且基于c是固定的预先标定值(c0和ci的等效电容c
eq
)的事实，可以计算得到图4a所示的rlc网路的等效电阻值r，并且由于r＝rs+r0且r0也是固定的预先标定值或可以忽略的，因此可以计算得到此时电阻型传感器对应的电阻值rs。自供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)的预先标定值的获取方式将在后文进行描述。
[0094]
可选地，为了便于脉冲衰减时间的测量以及脉冲衰减时间在不同的电阻值之间能够得到更好的区分，可以使图4a所示的rlc网络工作在过阻尼的情况下。这样由于一般装置电阻r0的值较小，为了使rlc网络工作在过阻尼状态，可以选择电阻型传感器的电阻参数值(rs)合适的阻值范围，例如随着待测物理参数的值的变化，所选择的对应的阻值范围可以为220kω-6mω。
[0095]
为了验证无线电信号接收装置120处的基于无线电信号的特征利用上述公式反推传感器的电参数过程的可行性，可以利用不同已知电阻值rm(例如，在220kω-6mω范围内)的多个电阻来进行验证。
[0096]
图4b的横坐标表示以mω为单位的所串联的电阻(用于模拟传感器的已知电阻值的电阻)的电阻值rm，纵坐标表示以μs为单位的脉冲衰减时间。图4b中以点示出了实验测量的脉冲衰减时间(如利用将在后文参考图9c-9d描述的根据振荡波形计算脉冲衰减时间的方式)的实验值，实线段是对实验值进行拟合的线段，以灰色三角形示出了根据公式τ＝r c+α＝(r0+rm)c
eq
+α计算得到的脉冲衰减时间的理论值。可见，脉冲衰减时间的实验值与理论值基本符合，误差较小，并且拟合曲线的线性特性较好。由此可以说明，对于电阻型传感器，如果知晓该自供能无线传感装置所发送的无线电信号的脉冲衰减时间，则可以根据上述公式方便且准确地反推自供能无线传感装置的组合电阻值r的大小，进而求得串联的电阻值(实际应用中是传感器的电阻值)。
[0097]
图5a示出了传感器为电容型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的组合等效电路模型的示意图。图5b示出了不同电容值对应的脉冲衰减时间的实验值和理论值的对比示意图。
[0098]
与图4a中的电阻型传感器的情况类似，也可以分析作为无线电信号的特征的脉冲衰减时间，基于等式τ＝r c+α，在r是固定的预先标定值的情况下，可以计算c的值。也就是说，针对电容型传感器，无线电信号也可以采用基于阻尼比的调制得到。而且，为了便于计算组合等效电路模型m3中的各个电气参数，将电容型传感器串联在图2所示的等效电路模型中，得到如图5a的组合等效电路模型m3。此外，同样的，为了便于脉冲衰减时间的测量以及脉冲衰减时间在不同的电容值之间能够得到更好的区分，可以使图5a所示的rlc网络工作在过阻尼的情况下。这样由于装置电阻r0的值较小，为了使rlc网络工作在过阻尼状态，可以在电容型传感器的两端并联已知电阻值的一个辅助电阻ra，如图5a所示。可选地，由于电容型传感器也通常会存在一个寄生电阻并联在其内部电容器的两端，因此该寄生电阻可以用作该辅助电阻ra。
[0099]
如图5a所示，电容型传感器的连接方式可以为与辅助电阻ra并联后再与所述纳米
发电机和所述击穿放电器串联。
[0100]
也就是说，针对电容型传感器，无线电信号接收装置120可以被配置为基于无线电信号的脉冲衰减时间以及所述自供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)，确定电容型传感器的电容值(cs)，以用于确定该电容型传感器所测量的待测物理参数(例如，温度、压力、湿度等等)的值。例如，在通过分析接收的无线电信号确定了无线电信号的脉冲衰减时间之后，通过τ＝r c+α且基于r0和ra是固定的预先标定值或已知值的或者可以忽略r0的事实，可以计算得到图5a所示的rlc网路的等效电容值r，并且由于c＝cs+c
eq
且c
eq
也是固定的预先标定值，因此可以计算得到此时电容型传感器对应的电容值cs。自供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)的预先标定值的获取方式将在后文进行描述。
[0101]
类似的，为了验证无线电信号接收装置120处的基于无线电信号的特征利用上述公式反推传感器的电参数过程的可行性，可以利用不同已知电容值的多个电容cm来进行验证。图5b的横坐标表示以pf为单位的与辅助电阻ra并联的电容cm(用于模拟传感器的已知电容值的电容)的电容值，纵坐标表示以μs为单位的脉冲衰减时间。图5b中以点示出了实验测量的脉冲衰减时间(如利用将在后文参考图9c-9d描述的计算脉冲衰减时间的方式)的实验值，以实线段对是测量的脉冲衰减时间进行拟合。可见，实验测量的脉冲衰减时间的拟合曲线的线性特性较好，符合τ＝r c+α的变化趋势。由此可以说明，对于电容型传感器，如果知晓该自供能无线传感装置所发送的无线电信号的脉冲衰减时间，则可以根据上述公式方便且准确地反推自供能无线传感装置的组合电容值，进而求得与辅助电阻ra并联的电容值(实际应用中是传感器的电容值)。
[0102]
图6a示出了传感器为电容型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的另一种组合等效电路模型的示意图。图6b示出了不同电容值(串联)对应的基波周期值的实验值和理论值的对比示意图。
[0103]
如前面所述，从自然频率与阻尼比可知，当电容型传感器结合到图2所示的等效电路模型时，组合等效电路模型对应的rlc网络的自然频率和阻尼比均会发生变化，响应电流也会发生变化，使得无线电信号也发生改变。即，改变的无线电信号理论上可能是通过基于自然频率的调制得到的，也可能是基于阻尼比的调制来调制得到的。因此，除了如参考图5a描述的脉冲衰减时间来反推电容型传感器的电容值(即，针对基于阻尼比的调制的假设)之外，也可以基于基波频率值来反推电容型传感器的电容值(即，针对基于自然频率的调制的假设)。此外，为了提高基波频率时的信号强度并且便于该基波频率值在不同的电容值之间能够得到更好的区分，可将电感值较大的辅助电感la串联到图2所示的等效电路模型中。
[0104]
在实施例中，可以将电容型传感器串联在图2所示的等效电路模型中，得到如图6a的组合等效电路模型m4，并且辅助电感la的加入使得rlc网络能够工作在欠阻尼的情况下。这样rlc网络的c值可以为电容型传感器(值为cs)和c0和ci的等效电容(值为c
eq
)串联得到的等效值，l值可以为电感值la和辅助电感值la的和。如图6a所示，电容型传感器的连接方式为与辅助电感、所述纳米发电机和所述击穿放电器串联。
[0105]
也就是说，针对电容型传感器，无线电信号接收装置120可以被配置为基于无线电信号的基波频率值或基波周期值以及所述自供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、
l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)，确定电容型传感器的电容值(cs)，以用于确定该电容型传感器所测量的待测物理参数(例如，温度、压力、湿度等等)的值。例如，在通过分析接收的无线电信号确定了无线电信号的基波频率值或基波周期值之后，通过且基于l0和la是固定的预先标定值或已知值的事实，可以计算得到图6a所示的rlc网路的等效电容值c，并且由于c＝cs·ceq
/cs+c
eq
且c
eq
也是固定的预先标定值，因此可以计算得到此时电容型传感器对应的电容值cs。自供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)的预先标定值的获取方式将在后文进行描述。可选地，基波频率值可以根据基于无线电信号的时域波形计算得到的基波周期值而确定。
[0106]
类似的，为了验证无线电信号接收装置120处的基于无线电信号的特征利用上述公式反推传感器的电参数过程的可行性，可以利用不同已知电容值的多个电容cm来进行验证。图6b的横坐标表示以pf为单位的串联的电容cm(用于模拟传感器的已知电容值的电容)的电容值，纵坐标表示以μs为单位的基波周期值。图6b中以点示出了实验测量的基波周期值(如利用将在后文参考图9a描述的计算基波周期值的方式)的实验值，并且以实线示出了根据公式并且c＝cm·ceq
/cm+c
eq
计算得到的基波频率值的理论值，进而得到的基波周期值的理论值曲线。可见，实验测量的基波周期与理论值基本符合。由此可以说明，在电容型传感器的情况下，如果知晓该自供能无线传感装置所发送的无线电信号的基波频率值，则可以根据上述公式方便且准确地反推自供能无线传感装置的组合电容的大小，进而求得串联的电容值(实际应用中是传感器的电感值)。
[0107]
图7a示出了传感器为电容型传感器时将传感器结合到如图2所示的等效电路模型中得到的又一种组合等效电路模型的示意图。图7b示出了不同电容值(并联)对应的基波周期值的实验值和理论值的对比示意图。
[0108]
图7a中的组合等效电路模型与图6a的组合等效电路模型的不同之处仅在于将电容型传感器并联在辅助电感la两端，得到如图7a的组合等效电路模型m4，并且辅助电感la的加入使得rlc网络能够工作在欠阻尼的状态下。这样rlc网络的c值可以为电容型传感器(值为cs)和c0和ci的等效电容(值为c
eq
)并联得到的等效值，l值可以为电感值la和辅助电感值la的和。如图7a所示，电容型传感器的连接方式为与辅助电感la并联后再与所述纳米发电机和所述击穿放电器串联。
[0109]
也就是说，针对电容型传感器，无线电信号接收装置120可以被配置为基于无线电信号的基波频率值或基波周期值以及所述自供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)，确定电容型传感器的电容值(cs)，以用于确定该电容型传感器所测量的待测物理参数(例如，温度、压力、湿度等等)的值。例如，在通过分析接收的无线电信号确定了无线电信号的基波频率值或基波周期值之后，通过且基于l0和la是固定的预先标定值或已知值的事实，可以计算得到图6a所示的rlc网路的等效电容值c，并且由于c＝cs+c
eq
且c
eq
也是固定的预先标定值，因此可以计算得到此时电容型传感器对应的电容值cs。自供能无线传感装置110的电气参数(例如，r0、l0、以及c0和ci的等效电容c
eq
)的预先标定值的获取方式将在后文进行描述。可选地，基波频率值可以根据基于无线电信号的时域波形计算得到的基波周期值而确定。
[0110]
类似的，为了验证无线电信号接收装置120处的基于无线电信号的特征利用上述
公式反推传感器的电参数过程的可行性，可以利用不同已知电容值的多个电容cm来进行验证。图7b的横坐标表示以pf为单位的并联在辅助电感la两端的电容cm(用于模拟传感器的已知电容值的电容)的电容值，纵坐标表示以μs为单位的基波周期值。图7b中以实心点示出了实验测量的基波周期值(如利用将在后文参考图9a-9b描述的计算基波周期值的方式)，并且以实线示出了根据公式并且c＝cm+c
eq
计算得到的基波频率值的理论值，进而得到的基波周期值的理论值曲线。可见，实验测量的基波周期与理论值基本符合。由此可以说明，在电容型传感器的情况下，如果知晓该自供能无线传感装置所发送的无线电信号的基波频率值，则可以根据上述公式方便且准确地反推自供能无线传感装置的组合电容的大小，进而求得并联的电容值(实际应用中是传感器的电感值)。
[0111]
前文参考图3a-7b描述了针对不同类型的传感器而选择不同的连接方式，并且无线电信号接收装置120根据传感器的类型和连接方式分析所接收的无线电信号的不同类别的特征(例如，脉冲衰减时间或者基波频率值/基波周期值)，从而反推传感器的电参数值，进而得到传感器所测量的物理参数值。这样，实现了对无线电信号的特征进行定量分析，从而能够在不借助额外的调制设备的条件下确定所述传感器的待测物理参数值，因此能够将自供能无线传感系统应用到更多的场合以测量更多类型的物理参数。
[0112]
上述参考图3a-7b描述了无线电信号接收装置120对所接收的无线电信号进行分析处理以确定待测物理参数值的大致过程，以下结合图8-11对该确定过程的更多细节进行详细描述。
[0113]
图8示出了根据本技术实施例的无线电信号接收装置确定待测物理参数值的示例过程图。图8对应的是传感器为电感型传感器或者电容型传感器的情况，并且对应的组合等效电路模型分别如图3a(电感型)以及图6a/7a(电容型)所示。图9a示出了无线电信号接收装置基于接收的无线电信号确定基波频率值/基波周期值的示例过程图。图9b示出了用于确定基波周期值振荡波形的示意图。图9c示出了定义脉冲衰减时间的示意图。图9d示出了无线电信号接收装置基于接收的无线电信号计算脉冲衰减时间的示例过程图。
[0114]
如图8所示，无线电信号接收装置120在确定所述待测物理参数时被配置为执行以下操作。
[0115]
首先，在操作810中，无线电信号接收装置120获取自供能无线传感装置110未包括所述传感器时作为自供能无线传感装置110的电气参数的装置电感值和装置电容值。
[0116]
例如，装置电感值和装置电容值是自供能无线传感装置未包括传感器时rlc网络的等效电感值(例如图3a和6a/7a中的l0)和等效电容值(例如图3a和6a/7a中的ci和c0的等效电容c
eq
)，例如可以通过诸如lcr测量仪的测量装置来测量。无线电信号接收装置120可以获取测量装置所测量的装置电感值和装置电容值。
[0117]
但是，在对精度要求较高的场合，替换采用lcr测量仪，可以根据在自供能无线传感装置110未包括传感器时接收的无线电信号的基波频率值或基波周期值，来确定该装置电容值。
[0118]
例如，基波频率值可以通过基波周期值得到，并且基波周期值可以通过无线电信号的谐振波形的极值点位置来确定。例如，如图9a所示，无线电信号接收装置120分析无线电信号的谐振波形(欠阻尼状态)在预定时间段内的每个极值点的横坐标值(x
p1
,x
p2
,
…
x
pn
)，谐振波形如图9b所示，黑色圆为极值点，依次对相邻的极值点横坐标值求差，得到多个差值(x
p2-x
p1
,x
p3-x
p2
,.....x
pn-x
pn-1
)，然后基于该多个差值得到基波周期值。例如，无线电信号接收装置120将多个差值的平均值(或者中值、最大值或最小值等等)作为基波周期值1/2，从而得到基波周期值，并且基于基波周期值是基波频率值的导数，可以确定基波频率值fb。
[0119]
因此，在未包括传感器时，基波频率值可以表示为而由于基波频率值fb和装置电感值l0均为已知的且准确的，因此可以得到装置电容值c
eq
。
[0120]
此外，作为上述确定装置电容值的方式的替代方式，也可以基于自供能无线传感装置110未包括传感器时的无线电信号的脉冲衰减时间来确定装置电容值。
[0121]
针对自供能无线传感装置110未包括传感器时的rlc网络，脉冲衰减时间与装置电容值和装置电阻值相关，例如τ＝r0c
eq
+α，但是由于装置电容值和装置电阻值一般较小，因此为了防止脉冲衰减时间过小而不便于计算，可以在rlc网络中串联具有预定电阻值(例如，1m欧姆)的测量用电阻rc(过阻尼状态)，无线电信号接收装置120接收串联了测量用电阻rc之后rlc网络生成的无线电信号，并计算脉冲衰减时间τ
′
，然后利用τ
′
＝(r0+rc)c
eq
+α，可以计算得到装置电容值ceq。
[0122]
可选地，在计算脉冲衰减时间时，由于串联了测量用电阻rc之后rlc网络会工作在过阻尼状态，无线电信号接收装置120所接收的无线电信号包括一个高频振荡脉冲信号(例如，100mhz)以及低频衰减信号，如图9c所示。为了消除该高频振荡脉冲信号对计算脉冲衰减时间的影响，如图9c所示，可以如下定义脉冲衰减时间：假设未接收无线电信号时的基准电压值为0v，将接收到无线电信号的时间点之后的预定时间点(例如，距接收到无线电信号1.25us)作为衰减时间起始点；以及将从该预定时间点的起始电压值衰减到所述起始电压值的1/e所需的时间定义为脉冲衰减时间，如图9c中的t所示。
[0123]
具体地，作为示例，在计算脉冲衰减时间时，由于存在环境噪声等因素影响从而导致无线电信号接收装置120未接收到无线电信号时，所采样的电压值也不为0，因此无线电信号接收装置120可以：将接收到无线电信号的时间点之后的预定时间点作为所述脉冲衰减时间的衰减时间起始点，并确定所述衰减时间起始点相对于基准电压值(与环境噪声等相关联)的第一电压差值，所述基准电压值基于未接收到无线电信号时的电压采样值确定；以及将与所述基准电压值的电压差值为所述第一电压差值的1/e的电压采样值对应的时间点作为所述脉冲衰减时间的衰减时间终止点。
[0124]
例如，如图9d所示，基于从接收到无线电信号之前的电压采样值确定基准电压值vb；基于在接收到无线电信号的接收时间点之后的预定时间点(例如，1.2us)起的第一预定时间段(例如，1.2us-1.3us)内的电压采样值确定起始电压值(vs)，作为衰减时间起始点t1(1.25us)的电压值，其中，第一预定时间段以所述衰减起始时间点为中点；基于该起始电压值和基准电压值确定衰减终止时间点的理论电压值(例如，vd＝vb+(vs-vb)/e)，并从衰减起始时间点t1之后的电压采样值中搜索与该理论电压值最接近的电压采样值，将该最接近的电压采样值对应的采样时间点作为衰减时间终止点t2，以得到脉冲衰减时间τ＝t2-t1。无线电信号接收装置120在计算出脉冲衰减时间之后，可以利用公式反推得到装置电容值c
eq
。
[0125]
可选地，无线电信号接收装置120可以预先先将未包括传感器时确定的装置电感
值和装置电容值保存，便于后续在实际的传感器应用时直接使用。
[0126]
无线电信号接收装置120可以先对所接收的无线电信号进行信号预处理(例如，低通滤波，可以利用有限脉冲响应滤波器(fir filter)来实现)之后，再基于该无线电信号得到脉冲衰减时间或者基波频率值/基波周期值。
[0127]
然后，回到图8，在操作820中，在电感型传感器的情况下，无线电信号接收装置120可以基于装置电容值和自供能无线传感装置110包括传感器时接收的无线电信号的基波频率值或基波周期值确定组合电感值；或者，在电容型传感器的情况下，基于装置电感值、辅助电感的电感值(la)以及自供能无线传感装置110包括传感器时接收的无线电信号的基波频率值或基波周期值确定组合电容值。
[0128]
在该操作时，无线电信号接收装置120可以类似地基于所接收的无线电信号的谐振波形的极值点位置来确定此时的基波周期值，进而确定基波频率值f
b’。
[0129]
因此，在电感型传感器的情况下，基波频率值可以表示为因此，在电感型传感器的情况下，基波频率值可以表示为而由于基波频率值f
b’和装置电容值c
eq
均为已知的且准确的，因此可以得到组合电感值l(l0+ls)；在电容型传感器的情况下，基波及装置电容值c
eq
均为已知的且准确的，因此可以得到组合电容值c(c
sceq
/(cs+c
eq
)或者cs+c
eq
)。
[0130]
最后，在操作830中，在电感型传感器的情况下，基于组合电感值和装置电感值得到传感器的电感参数值，或者，在电容型传感器的情况下，基于组合电容值和装置电容值得到传感器的电容参数值，以用于确定传感器所测量的待测物理参数的值。
[0131]
例如，电感型传感器的电感参数值ls＝l-l0，电容型传感器的电容参数值cs＝c-c
eq
或者c
eq
c/(c
eq-c)。然后，根据传感器的物理参数和电参数之间的对应关系(例如对照表、函数关系等等)，而可以确定传感器所测量的待测物理参数的值。
[0132]
此外，在利用机器学习模型时，由于不同的等效电感值或等效电容值对应于无线电信号的不同特征，例如无线电信号的信号频谱的分布、基波频率值等，由此，基于对多个样本无线电信号的信号频谱的分布或者信号频谱中的基波频率值与等效电感值或等效电容值的关系的机器学习，机器学习模型在被输入实际获取的信号频谱的分布或者特征峰的频率值能够输出对应的等效电感值或等效电容值。
[0133]
可见，在传感器为电感型传感器或者电容型传感器时，无线电信号接收装置120可以通过确定无线电信号的基波频率值，并根据基波频率值与传感器的电参数值的关系，计算得到传感器的电参数值，或者利用经训练的机器学习模型基于信号频谱或基波频率自而得到传感器的电参数值，从而可以确定传感器所测量的待测物理参数的值。这样，实现了对无线电信号的特征进行定量分析，从而能够在不借助额外的调制设备的条件下确定所述传感器的待测物理参数值，因此能够将自供能无线传感系统应用到更多的场合以测量更多类型的物理参数。
[0134]
图10示出了根据本技术实施例的无线电信号接收装置确定待测物理参数值的示例过程图。图10对应的是传感器为电阻型传感器或者电容型传感器的情况，并且对应的组
合等效电路模型分别如图4a(电阻型)以及图5a(电容型)所示。
[0135]
如图10所示，无线电信号接收装置120在确定所述待测物理参数时被配置为执行以下操作。
[0136]
首先，在操作1010中，无线电信号接收装置120获取自供能无线传感装置110未包括所述传感器时作为电气参数的装置电阻值和装置电容值。
[0137]
例如，装置电阻值和装置电容值是自供能无线传感装置110未包括传感器时rlc网络的等效电阻值(例如图4a/5a中的r0)和等效电容值(例如图4a/5a中的ci和c0的等效电容c
eq
)，例如可以通过诸如lcr测量仪的测量装置来测量。无线电信号接收装置120可以获取测量装置所测量的装置电阻值和装置电容值。
[0138]
另外，也可以根据在自供能无线传感装置110未包括传感器时接收的无线电信号的基波频率值/基波周期值或者脉冲衰减时间，来确定该装置电容值。该过程已经在前文参考图8-9的部分进行了详细描述，因此这里不再重复描述。
[0139]
无线电信号接收装置120可以先对所接收的无线电信号进行信号预处理(例如，低通滤波，可以利用有限脉冲响应滤波器(fir filter)来实现)之后，再基于该无线电信号得到基波频率值。
[0140]
然后，在操作1020中，在电阻型传感器的情况下，无线电信号接收装置120可以基于装置电容值和自供能无线传感装置包括传感器时接收的无线电信号的脉冲衰减时间确定组合电阻值；在电容型传感器的情况下，无线电信号接收装置120可以基于装置电阻值、辅助电阻的电阻值以及所述自供能无线传感装置包括所述传感器时接收的无线电信号的脉冲衰减时间确定组合电容值。
[0141]
类似地，无线电信号接收装置120可以例如图9c-9d所描述的方式来计算在包括传感器时所接收的无线电信号的脉冲衰减时间τ’。
[0142]
因此，在电阻型传感器的情况下，脉冲衰减时间τ’可以表示为τ
′
＝(r0+rs)c
eq
+α，而由于脉冲衰减时间τ’、装置电容值c
eq
以及装置电阻值r0均为已知的且准确的，因此可以得到组合电阻值r(即r0+rs)；在电容型传感器的情况下，脉冲衰减时间可以表示为τ
′
＝(r0+ra)(c
eq
+c
p
)+α，而由于脉冲衰减时间τ’、装置电阻值r0和辅助电阻值ra均为已知的或可忽略的且准确的，因此可以得到组合电容值c(即c
eq
+c
p
)。
[0143]
最后，在操作1030中，基于所述组合电阻值和所述装置电阻值得到所述传感器的电阻值，以用于确定所述传感器所测量的待测物理参数的值。
[0144]
例如，电阻型传感器的电阻参数值rs＝r-r0，电容型传感器的电容参数值cs＝c-c
eq
。然后，根据传感器的物理参数和电参数之间的对应关系(例如对照表、函数关系等等)，而可以确定传感器所测量的待测物理参数的值。
[0145]
此外，在利用机器学习模型时，由于不同的等效电阻值或等效电容值对应于无线电信号的不同特征，例如无线电信号的振荡波形的分布或者振荡波形中的脉冲衰减时间，由此，基于对多个样本无线电信号的振荡波形的分布或者振荡波形中的脉冲衰减时间与等效电阻值或等效电容值的关系的机器学习，机器学习模型在被输入实际获取的振荡波形的分布或者振荡波形中的脉冲衰减时间能够输出对应的等效电阻值或等效电容值。
[0146]
可见，在传感器为电阻型传感器或者电容型传感器时，无线电信号接收装置120可以通过计算无线电信号的脉冲衰减时间，并根据脉冲衰减时间与传感器的电参数值的关
系，计算得到传感器的电参数值，或者基于训练的机器模型得到传感器的电参数值，从而可以确定传感器所测量的待测物理参数的值。这样，实现了对无线电信号的特征进行定量分析，从而能够在不借助额外的调制设备的条件下确定所述传感器的待测物理参数值，因此能够将自供能无线传感系统应用到更多的场合以测量更多类型的物理参数。
[0147]
图11a-12b示出了根据本公开的实施例的自供能无线传感系统的应用场景示意图。
[0148]
在图11a中，自供能无线传感系统中的自供能无线传感装置中包括电阻型的温度传感器，用于对玻璃杯的杯壁温度进行传感。
[0149]
如图11a所示，所述温度传感器贴附在玻璃杯的杯壁上，并且与纳米发电机teng和击穿放电器bd串联，对应于前文参考图4a的描述。
[0150]
当有机械运动作用在纳米发电机上时，击穿放电器bd被击穿，这样，自供能无线传感装置发送的无线电信号携带温度传感器的电阻值的信息，温度传感器的电阻值与所测量的温度值(杯壁温度)相关联。
[0151]
无线电信号接收装置可以基于所接收的无线电信号的脉冲衰减时间、所述自供能无线传感装置的电气参数以及所述温度传感器的连接方式，确定温度传感器的电阻值，以用于确定温度传感器所测量的温度值。具体的温度值确定过程可以如前文参考图10所描述的。
[0152]
为验证无线电信号接收装置基于接收的无线电信号的温度值测量结果的准确性，将基于该无线电信号接收装置的多个测量结果与多路温度测试仪的参考结果做对比，得到的对比结果如图11b所示。
[0153]
从图11b可以看出，该无线电信号接收装置的多个测试结果与多路温度测试仪的参考结果基本符合，线性性好，且误差较小，从而验证了无线电信号接收装置的测量结果准确性。
[0154]
类似的，在图12a中，自供能无线传感系统中的自供能无线传感装置中包括电容型的压力传感器，用于对不同压力进行传感。
[0155]
如图12a所示，所述压力传感器用于承载砝码(砝码用于模拟压力输入)，并且与辅助电感并联之后与纳米发电机teng和击穿放电器bd串联，对应于前文参考图7a的描述。
[0156]
当有机械运动作用在纳米发电机上时，击穿放电器bd被击穿，这样，自供能无线传感装置发送的无线电信号携带压力传感器的电容值的信息，压力传感器的电容值与所测量的压力值(砝码重力值)相关联。
[0157]
无线电信号接收装置可以基于所接收的无线电信号的基波频率值、所述自供能无线传感装置的电气参数以及所述压力传感器的连接方式，确定压力传感器的电容值，以用于确定压力传感器所测量的压力值。具体的压力值确定过程可以如前文参考图8-9d所描述的。
[0158]
为验证无线电信号接收装置基于接收的无线电信号的压力值测量结果的准确性，将基于该无线电信号接收装置的多个测试结果(电容值)与电容测量装置(例如lcr测量仪)的参考结果做对比，得到的对比结果如图12b所示。
[0159]
从图12b可以看出，该无线电信号接收装置的针对不同的砝码重量的多个测试结果(用对应的电容表征)与电容测量装置的参考结果(用对应的电容表征)基本符合，且误差
较小，从而验证了无线电信号接收装置的测量结果准确性。
[0160]
可选地，由于电容值和压力值存在对应关系，因此也可以将基于该无线电信号接收装置在不同的砝码重量下的多个压力测试结果与不同重量的砝码的重力(参考结果)做对比，来验证无线电信号接收装置的测量结果准确性。
[0161]
根据本公开的另一方面，还提供了一种利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法。
[0162]
图13示出了本技术的实施例的利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法的流程图。自供能无线传感系统包括自供能无线传感装置以及无线电信号接收装置，可以如图1所示。该方法可以由图1所示的无线电信号接收装置执行。
[0163]
如图13所示，在步骤s1310中，从所述自供能无线传感装置接收无线电信号。
[0164]
在步骤s1320中，基于所提取的无线电信号的特征以及自供能无线传感装置的电气参数，确定与无线电信号对应的电参数值，以用于确定传感器所测量的待测物理参数的值。
[0165]
可选地，所提取的无线电信号的特征的类别与传感器的类型和连接方式相关，并且所提取的无线电信号的特征的值与传感器的电参数值以及自供能无线传感装置的电气参数相对应
[0166]
作为该步骤的详细的示例实施方式，可以根据传感器的类型和连接方式的指示信息(例如用户在搭建包括传感器的自供能无线传感系统时输入的)计算所确定的类别的无线电信号的特征的值；以及基于无线电信号的特征的值以及其与所述传感器的电参数值的第一对应关系来确定传感器的电参数值，并根据针对传感器的物理参数和电参数的第二对应关系来确定传感器所测量的待测物理参数的值。
[0167]
如前面参考图3a-10描述的，不同类型的传感器对应不同的连接方式，从而对应不同的rlc网络的幅频响应，从而应该基于不同的特征来计算电参数值。
[0168]
例如，如图3a所示，在传感器为电感型传感器的情况下，电感型传感器与纳米发电机和击穿放电器串联，并且要计算的无线电信号的特征为无线电信号的基波频率值或基波周期值。
[0169]
例如，如图4a所示，在传感器为电阻型传感器的情况下，电阻型传感器与纳米发电机和击穿放电器串联，并且要计算的无线电信号的特征为无线电信号的脉冲衰减时间。
[0170]
例如，如图5a/6a/7a所示，在传感器为电容型传感器的情况下，电容传感器与辅助电阻并联后再与纳米发电机和击穿放电器串联，并且要计算的无线电信号的特征为无线电信号的脉冲衰减时间；或者电容传感器与辅助电感、纳米发电机和击穿放电器串联，或者与辅助电感并联后再与纳米发电机和击穿放电器串联，并且要计算的无线电信号的特征为无线电信号的基波频率值或基波周期值。
[0171]
综上所述，借助于根据本公开的利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法，通过自供能无线传感装置中的纳米发电机，能够为传感器进行传感测量提供电能以实现自供能传感，由此，省去了对传统的传感器的外部的供电单元，大大减小了所需的空间尺寸并避免了使用电池作为外部的供电单元导致系统的整体寿命以及使用时间受到很大限制的问题；另外，通过击穿放电器，能够借助无线电信号无线地发送信号，该信号可以携带传感器的电参数值的相关信息；并且基于无线电信号得到传感器受待测物理参数值的改变
而改变的电参数值，能够在不借助额外的调制设备的条件下确定所述传感器的待测物理参数值，由此省去了额外的调制设备以及对额外的调制设备供电单元，大大减小了所需的空间尺寸，并且解决了额外的调有线输出所带来的布线繁琐等问题。同时，传感器可以是常见的多种传感器(例如，温度传感器、压力传感器以及湿度传感器等等)，因此能够将自供能无线传感系统应用到更多的场合以测量更多类型的物理参数。
[0172]
根据本公开的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在由被处理器执行时，使得处理器执行如上参考图13所描述的利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法。
[0173]
计算机可读存储介质可以包括装置(例如无线电信号接收装置120)内硬盘或内存，也可以是该装置的外部存储设备，例如该装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)等。计算机可读存储介质还可以包括磁碟、光盘、rom或ram)等。进一步地，该计算机可读存储介质还可以既包括内部存储单元也包括外部存储设备。该计算机可读存储介质用于存储该计算机程序以及该装置所需的其他程序和数据。该计算机可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
[0174]
根据本公开的另一方面，提供了一种计算机程序产品，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在由被处理器执行时，使得处理器执行如上参考图13所描述的利用自供能无线传感系统进行物理参数测量的方法。
[0175]
在上面详细描述的本公开的示例实施例仅仅是说明性的，而不是限制性的。本领域技术人员应该理解，在不脱离本公开的原理和精神的情况下，可对这些实施例或其特征进行各种修改和组合，这样的修改应落入本公开的范围内。