一种无源无线压电传感器及无源监测系统的制作方法

[0001]
本公开涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种无源无线压电传感器及无源监测系统。


背景技术：

[0002]
随着对海洋、河流、湖泊等水域资源越来越深入的研究，对其内部多变的复杂环境的准确探测的需求也越来也强烈。目前，海洋监测传感器在海洋调查、海洋科学研究等方面有巨大的应用。例如，海洋环境保护、资源保护与管理、灾害监测、海洋工程、海上生产作业、海洋军事、水下安全闯入监测等都依靠海洋监测传感器网络实现。另外，汽油运输的油罐车内部的汽油波动过度，也容易产生燃烧爆炸。有效监测油罐车油液表面的波动，也可以减少油液的挥发导致的增压和燃爆风险。
[0003]
一般来讲，海洋监测传感器网络可包括两部分，即：部署在海面上的无线传感器网络、以及部署在水面下的水下传感器网络。其中：
[0004]
1)水面无线传感器网络使用无线电波进行通信和组网，可用来监测风向、波高、潮汐、水温、光照、水质污染等与海洋相关的信息，并负责与水下传感器网络的信息传输等；
[0005]
2)水下传感器网络目前主要利用水声实现通信和组网，一般使用电池供电，水下节点发送信息耗能比接收信息耗能往往大几十倍甚至上百倍，能量的均衡消耗直接影响着水下监测网络的生存期。
[0006]
然而，传感器位置的不可接近性，可能使得服务人员难以接近和更换传感器中的电池。此外，传感器的位置可能使它们经受恶劣的环境条件，例如高温、振动、电磁力、尘污、及雨雪等。因此，因电池故障或长时间暴露在恶劣环境条件下，而导致的传感器损坏或故障会增加运营成本，也非常不利于海洋环境情况的监测，所以实现传感器的持续供电，是行业内亟待解决的重要问题。


技术实现要素：

[0007]
有鉴于此，本公开提供一种无源无线压电传感器及无源监测系统，可实现可实现在液体环境下长期持续的自供电，且该无源无线压电传感器体积小，结构简单，成本低，至少部分解决现有技术中存在的问题。
[0008]
为解决上述技术问题，本公开披露一种无源无线压电传感器，该无源无线压电传感器包括：汲能监测组件、压电换能器件及无线通信组件；其中：所述汲能监测组件用于汲取来自液体任意方向的动能及检测液体运动状态；所述压电换能器件与所述汲能监测组件及所述无线通信组件连接，用于将所述动能转化为电能并输出；所述无线通信组件用于接收所述电能，并将所述汲能监测组件检测到的所述液体运动状态信息作为无线信号发出。
[0009]
可选的是，所述汲能监测组件进一步包括：连接球体、横向汲能监测元件、纵向汲能监测元件及液下汲能监测元件；所述横向汲能监测元件、所述纵向汲能监测元件及所述液下汲能监测元件分别与所述连接球体连接；其中：所述横向汲能监测元件，与液面水平方
向垂直设置，随液体水平方向流动产生弯曲形变，用于汲取水平方向上液体流动的动能，并监测液体水平方向上流动的流速和方向；纵向汲能监测元件，与液面水平方向平行设置，随液体上下方向流动产生弯曲形变，用于汲取竖直方向上液体流动的动能，并监测液体竖直方向上流动的流速和方向；液下汲能监测元件，纵向设置于液体内部，用于汲取液体内部流动的动能，并监测液体内部的流速和流向。
[0010]
可选地，所述横向汲能监测元件进一步包括：第一横向汲能监测元件和第二横向汲能监测元件，所述第一横向汲能监测元件和所述第二横向汲能监测元件在同一平面内成角度设置；和/或，所述纵向汲能监测元件进一步包括：第一纵向汲能监测元件和第二纵向汲能监测元件，所述第一纵向汲能监测元件和所述第二纵向汲能监测元件在同一平面内成角度设置。
[0011]
可选地，所述液下汲能监测元件进一步包括：第一液下纵向汲能监测元件和第二液下纵向汲能监测元件，所述第一液下纵向汲能监测元件和所述第二液下纵向汲能监测元件所在平面成角度设置。
[0012]
可选地，所述横向汲能监测元件的形状为能量汲取杆或吸能片，其中所述能量汲取杆的杆体为柔性压电材料；可选地，所述纵向汲能监测元件的形状为能量汲取杆或吸能片，其中所述能量汲取杆的杆体为柔性压电材料；可选地，所述液下汲能监测元件的形状为能量汲取杆或吸能片，其中所述能量汲取杆的杆体为柔性压电材料。
[0013]
可选地，所述柔性压电材料为橡胶或者塑料，基于液体流动造成的形变而产生电压差。
[0014]
可选地，所述杆体末端配置有配重件。
[0015]
可选地，所述无线通信组件进一步包括：监测标识单元、信号发射电路和天线；所述监测标识单元与所述信号发射电路和天线连接，用于确定与所述监测标识单元对应连接的汲能监测组件的身份标识，所述身份标识用于确定液体的流动方向。
[0016]
可选地，所述监测标识单元进一步包括以下至少一个单元：
[0017]
第一横向监测标识单元，其一端与所述第一横向汲能监测元件连接，另一端与所述信号发射电路连接；所述第一横向监测标识单元用于生成所述第一横向汲能监测元件的身份标识号；所述第一横向汲能监测元件与所述信号发射电路并联；
[0018]
第二横向监测标识单元，其一端与所述第二横向汲能监测元件连接，另一端与所述信号发射电路连接；所述第二横向监测标识单元用于生成所述第二横向汲能监测元件的身份标识号；所述第二横向汲能监测元件与所述信号发射电路并联；
[0019]
第一纵向监测标识单元，其一端与所述第一纵向汲能监测元件连接，另一端与所述信号发射电路连接；所述第一纵向监测标识单元用于生成所述第一纵向汲能监测元件的身份标识号；所述第一纵向汲能监测元件与所述信号发射电路并联；
[0020]
第二纵向监测标识单元，其一端与所述第二纵向汲能监测元件连接，另一端与所述信号发射电路连接；所述第二纵向监测标识单元用于生成所述第二纵向汲能监测元件的身份标识号；所述第二纵向汲能监测元件与所述信号发射电路并联；
[0021]
第一液下纵向监测标识单元，其一端与所述第一液下纵向汲能监测元件连接，另一端与所述信号发射电路连接；所述第一液下纵向监测标识单元用于生成所述第一液下纵向汲能监测元件的身份标识号；所述第一液下纵向汲能监测元件与所述信号发射电路并
联；
[0022]
第二液下纵向监测标识单元，其一端与所述第二液下纵向汲能监测元件连接，另一端与所述信号发射电路连接；所述第二液下纵向监测标识单元用于生成所述第二液下纵向汲能监测元件的身份标识号；所述第二液下纵向汲能监测元件与所述信号发射电路并联。
[0023]
可选地，所述信号发射电路和天线为lc/rlc/rc/石英振荡器，用于将所述压电换能器件产生的电压差信号接收并发射出去。其中，l为电感，r为电阻，c为电容。
[0024]
可选地，所述连接球体上设置有容置杆体，所述容置杆体与所述连接球体连通，二者内开设有用于容置所述信号发射电路和天线的容置空间；所述无源无线压电传感器工作过程中，所述容置杆体露出液面。
[0025]
此外，本公开还披露一种无源监测系统，该系统包括：如上述任一种方案所述的无源无线压电传感器组成的监测阵列，用于监测液体流动的纵向流速分量、横向流速分量、以及内部流速分量，并将监测信号发送出去。
[0026]
可选地，上述无源监测系统还可包括：接收器，用于接收所述监测阵列发射的监测信号；处理器，用于处理所述监测信号并提取异常特征；分析预警装置，用于根据预先建立的标准特征，对所述异常特征进行分析判断，并在确定异常之后进行预警。
[0027]
可选地，所述监测阵列中的至少一个无线无源传感器下部配置有定位锚。
[0028]
可选地，所述监测阵列中的至少一个无线无源传感器通过钢性或柔性绳索连接在车载液体容器底部或者水域底部。
[0029]
与现有技术相比，本公开披露的无源无线压电传感器及无源监测系统具有以下技术效果：
[0030]
本公开通过设计一种新型的压电传感器，适用于任何液体环境，通过液体流动对柔性压电材料造成的形变将动能转换为电能，实现长期、持续的自供电，因此，在使用过程中不必考虑器件的供电问题，且避免了更换电池的难题。
[0031]
并且，该无源无线压电传感器的柔性压电部件在汲能的同时，将测得的液体流动信息包括流速和流向，通过无线通信组件发射出去，实现对所监测液体环境的准确、有效反馈动态信息。
[0032]
此外，该无源无线压电传感器的体积小，结构简单，造价成本低，可作为一次性监测设备，投放至不便于更换、或回收的液体环境中。因此，本公开披露的无源监测系统采用的是由无源无线压电传感器组成的监测阵列，可以高效准确完成液体内复杂环境下的监测任务。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
[0034]
图1为本公开实施例中无源无线传感器的组成框图；
[0035]
图2为本公开实施例中无源无线传感器的一种结构示意图；
[0036]
图3为本公开实施例中无源无线传感器的另一种结构示意图；
[0037]
图4为本公开实施例中液下汲能监测元件的设置示意图；
[0038]
图5为本公开实施例中无源无线传感器的又一种结构示意图；
[0039]
图6为本公开实施例中无源无线传感器的一种内部电路结构示意图；
[0040]
图7为本公开实施例中无源无线传感器的另一种内部电路结构示意图。
[0041]
附图标记说明：
[0042]
10 连接球体
[0043]
20 横向汲能监测元件
[0044]
21 第一横向汲能监测元件
[0045]
22 第二横向汲能监测元件
[0046]
30 纵向汲能监测元件
[0047]
31 第一纵向汲能监测元件
[0048]
32 第二纵向汲能监测元件
[0049]
40 液下汲能监测元件
[0050]
41 第一液下纵向汲能监测元件
[0051]
42 第二液下纵向汲能监测元件
[0052]
43 配重件
[0053]
50 容置杆体
具体实施方式
[0054]
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
[0055]
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0056]
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
[0057]
为实现传感器的持续供电问题，本公开披露一种无源无线压电传感器，下面结合图1至图4，对本公开披露的无源无线压电传感器实施例展开说明：
[0058]
参照图1所示，本实施例中，该无源无线压电传感器包括：汲能监测组件、压电换能器件及无线通信组件。其中，汲能监测组件用于汲取来自液体任意方向的动能及检测液体运动状态。压电换能器件与汲能监测组件及无线通信组件连接，用于将动能转化为电能并输出。无线通信组件用于接收电能，并将汲能监测组件检测到的液体运动状态信息作为无线信号发出。
[0059]
参照图2所示，作为一种可选的实现方式，上述实施例的汲能监测组件可进一步包括：连接球体10、横向汲能监测元件20、纵向汲能监测元件30及液下汲能监测元件40；横向
汲能监测元件20、纵向汲能监测元件30及液下汲能监测元件40分别与连接球体10连接。本实施例中：
[0060]
横向汲能监测元件20与液面水平方向垂直设置，随液体水平方向流动产生弯曲形变，用于汲取水平方向上液体流动的动能，并监测液体水平方向上流动的流速和方向；
[0061]
纵向汲能监测元件30与液面水平方向平行设置，随液体上下方向流动产生弯曲形变，用于汲取竖直方向上液体流动的动能，并监测液体竖直方向上流动的流速和方向；
[0062]
液下汲能监测元件40纵向设置于液体内部，用于汲取液体内部流动的动能，并监测液体内部的流速和流向。
[0063]
本实施例中，通过设计一种新型的压电传感器，适用于任何液体环境，通过液体流动对柔性压电材料造成的形变将动能转换为电能，实现长期、持续的自供电，因此，在使用过程中不必考虑器件的供电问题，且避免了更换电池的难题。并且，该无源无线压电传感器的压电换能器，在汲能的同时，将测得的液体流动信息包括流速和流向，通过无线通信组件发射出去，实现对所监测液体环境的准确、有效反馈动态信息。此外，该无源无线压电传感器的体积小，结构简单，造价成本低，可作为一次性监测设备，非常适合投放至不便于更换、或回收的液体环境中，实现监测。
[0064]
参照图3所示，作为一种可选的实现方式，上述横向汲能监测元件20还可进一步包括：第一横向汲能监测元件21和第二横向汲能监测元件22，第一横向汲能监测元件21和第二横向汲能监测元件22分别嵌入设置于连接球体10内，在同一平面内成角度设置，如互相垂直设置。
[0065]
参照图3所示，作为一种可选的实现方式，上述纵向汲能监测元件30还可进一步包括：第一纵向汲能监测元件31和第二纵向汲能监测元件32，第一纵向汲能监测元件31和第二纵向汲能监测元件32分别嵌入设置于连接球体10内，在同一平面内成角度设置，如互相垂直设置。
[0066]
参照图3所示，作为一种可选的实现方式，上述液下汲能监测元件40还可进一步包括：第一液下纵向汲能监测元件41和第二液下纵向汲能监测元件42，第一液下纵向汲能监测元件41和第二液下纵向汲能监测元件42分别嵌入设置于连接球体10内，第一液下纵向汲能监测元件41和第二液下纵向汲能监测元件42的吸能面板所在平面互相垂直设置。
[0067]
作为一种可选的实现方式，上述横向汲能监测元件20的形状可为能量汲取杆或吸能片，其中能量汲取杆的杆体为柔性压电材料。可选的是，该能量汲取杆的杆体末端配置有配重件。
[0068]
作为一种可选的实现方式，上述纵向汲能监测元件30的形状为能量汲取杆或吸能片，其中能量汲取杆的杆体为柔性压电材料。可选的是，该能量汲取杆的杆体末端配置有配重件。
[0069]
作为一种可选的实现方式，上述液下汲能监测元件40的形状为能量汲取杆或吸能片，其中能量汲取杆的杆体为柔性压电材料。可选的是，该能量汲取杆的杆体末端配置有配重件。
[0070]
作为一种可选的实现方式，上述柔性压电材料为橡胶或者塑料，基于液体流动造成的形变而产生电压差。
[0071]
参照图4所示，作为一种可选的实现方式，该能量汲取杆的杆体末端配置有配重件
43。该配重件43可以起到定位的作用，协助天线部分位于上方，并露出液面。
[0072]
作为一种可选的实现方式，上述无线通信组件进一步包括：监测标识单元、信号发射电路和天线。
[0073]
作为一种可选的实现方式，上述监测标识单元与信号发射电路和天线连接，用于确定与监测标识单元对应连接的汲能监测组件的身份标识，身份标识用于确定液体的流动方向。可选的是，实施例中的监测标识单元可为电感器件，如图7中所示的l
0-l6，不同的汲能监测组件通过产生不同的电压信号，而形成各自的身份标识。
[0074]
作为一种可选的实现方式，上述信号发射电路和天线为lc/rlc/rc/石英振荡器，用于将压电换能器件产生的电压差信号接收并发射出去。
[0075]
参照图4所示，作为一种可选的实现方式，连接球体上设置有容置杆体50，容置杆体与连接球体10连通，二者内开设有用于容置信号发射电路和天线的容置空间；无源无线压电传感器工作过程中，容置杆体露出液面.
[0076]
作为一种可选的实现方式，上述实施例中的监测标识单元可进一步包括以下至少一个单元：
[0077]
第一横向监测标识单元，其一端与第一横向汲能监测元件连接，另一端与信号发射电路连接；第一横向监测标识单元用于生成第一横向汲能监测元件的身份标识号；第一横向汲能监测元件与信号发射电路并联；
[0078]
第二横向监测标识单元，其一端与第二横向汲能监测元件连接，另一端与信号发射电路连接；第二横向监测标识单元用于生成第二横向汲能监测元件的身份标识号；第二横向汲能监测元件与信号发射电路并联；
[0079]
第一纵向监测标识单元，其一端与第一纵向汲能监测元件连接，另一端与信号发射电路连接；第一纵向监测标识单元用于生成第一纵向汲能监测元件的身份标识号；第一纵向汲能监测元件与信号发射电路并联；
[0080]
第二纵向监测标识单元，其一端与第二纵向汲能监测元件连接，另一端与信号发射电路连接；第二纵向监测标识单元用于生成第二纵向汲能监测元件的身份标识号；第二纵向汲能监测元件与信号发射电路并联；
[0081]
第一液下纵向监测标识单元，其一端与第一液下纵向汲能监测元件连接，另一端与信号发射电路连接；第一液下纵向监测标识单元用于生成第一液下纵向汲能监测元件的身份标识号；第一液下纵向汲能监测元件与信号发射电路并联；
[0082]
第二液下纵向监测标识单元，其一端与第二液下纵向汲能监测元件连接，另一端与信号发射电路连接；第二液下纵向监测标识单元用于生成第二液下纵向汲能监测元件的身份标识号；第二液下纵向汲能监测元件与信号发射电路并联。
[0083]
相应地，基于上述实施例，本公开披露一种无源监测系统实施例，该无源监测系统包括：
[0084]
由前述任一实施例披露的至少一个无源无线压电传感器组成的监测阵列，该监测阵列用于监测液体流动的纵向流速分量、横向流速分量、以及内部流速分量，并将监测信号发送出去。
[0085]
作为一种可选的实现方式，上述实施例中的，无源监测系统还可包括：
[0086]
接收器，用于接收监测阵列发射的监测信号；
[0087]
处理器，用于处理监测信号并提取异常特征；
[0088]
分析预警装置，用于根据预先建立的标准特征，对异常特征进行分析判断，并在确定异常之后进行预警。
[0089]
本实施例的监测阵列通过汲取液体内部横向和纵向波动的动能，通过压电材料将动能转化为电能，通过等效lc/rlc/rc/石英振荡电路储存电能和传输信号，为压电传感器提供能量。液体波动越剧烈，传感器获得的能量越大，传输信号的振幅越大。
[0090]
作为一种可选实现方式，上述监测阵列中的至少一个无线无源传感器下部配置有定位锚，使监测阵列中的无线无源传感器在预设区域进行监测。
[0091]
作为一种可选实现方式，上述监测阵列中的至少一个无线无源传感器通过钢性或柔性绳索连接在车载液体容器底部或者水域底部，使监测阵列中的无线无源传感器在预设区域进行监测。
[0092]
上述实施例中，柔性压电材料基于形变产生电压差，形变越大电压差越大。压电换能器件与lc/rlc/rc/石英电路并联，当压电换能器件产生电压差为lc/rlc/rc/石英振荡电路充电。液体波动越大，压电传感器获得的能量越大，压电传感器的传输能量越远，振幅越大。
[0093]
本实施例中，采用的无源无线压电传感器的体积小，结构简单，造价成本低，可作为一次性监测设备，投放至不便于更换、或回收的液体环境中。因此，本实施例的无源监测系统通过多个无源无线压电传感器组成监测阵列，完成液体内复杂环境下的监测任务，不仅成本低，且准确，可持续。
[0094]
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。