本發(fā)明涉及一種無線傳感器，尤其是一種用于壓力自供電式水電站地下廠房結構變形監(jiān)測的無線傳感器。

背景技術：

水電站地下廠房，是指水電站中安裝水輪機及各種輔助設備的建筑物。它是水工建筑物、機械和電氣設備的綜合體，又是運行人員進行生產(chǎn)活動的場所。隨著水電工程建設的高速發(fā)展，現(xiàn)代水輪發(fā)電機組的容量和尺寸日趨增大，大型水輪機的水力共振問題越來越凸出，不僅影響機組自身穩(wěn)定，也引發(fā)廠房建筑物的強烈振動。這種共振往往超出廠房結構的正常使用極限狀態(tài)，使結構產(chǎn)生變形，威脅水電站的經(jīng)濟運行乃至安全運行。所以，水電站廠房結構變形監(jiān)測是十分必要的。

目前無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點廣泛采用電池進行供電，但傳感器節(jié)點一般埋于墻體內，不易更換電池，一旦為節(jié)點提供電能的電池耗盡，節(jié)點的使用壽命就宣告結束。而且大量使用的傳感器節(jié)點上的電池無法再回收，這樣廢棄電池將對這片環(huán)境造成巨大的污染。若布置線路通過電網(wǎng)供傳感器用電，造價較高，線路復雜，維修困難。因此，亟需開發(fā)一種自供電的無線傳感器。

壓電材料的壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指壓電片不需外加電場作用，只在振動作用下發(fā)生變形，就會在它的某些相對應的面上產(chǎn)生異號電荷，這種性質為自發(fā)電技術提供了基礎，而且，水電站地下廠房為壓電材料提供了源源不斷的振動能，通過壓電材料將其轉化為電能可持續(xù)為傳感器節(jié)點供電。逆壓電效應則是指當在壓電片上施加一電場時，不僅產(chǎn)生極化，同時還能形變，此種變形可應用于無線傳感技術，發(fā)射應力波。

技術實現(xiàn)要素：

目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的問題，結合水電站地下廠房的環(huán)境振動特性和壓電材料的壓電效應，本發(fā)明提供一種壓電傳感器，用于壓力自供電式水電站地下廠房結構變形監(jiān)測。

技術方案：為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種壓力自供電式水電站地下廠房結構變形監(jiān)測的無線傳感器，其特征是，包括壓電能量采集模塊、應力波壓電感應模塊、無線信號發(fā)射模塊和集成電路模塊；其外形為中間是圓柱形腔體，兩端分別用不同方式蓋以半球殼。

進一步的，所述的壓電能量采集模塊和應力波壓電感應采集模塊均采用主材為PZT壓電智能材料（鋯鈦酸鉛）的壓電懸臂梁結構，分層均布在傳感器圓柱形腔體內部一周，每層設置五個壓電能量采集片和一個應力波壓電感應片；所述壓電能量采集片采用金屬—壓電薄膜—金屬層疊的扇形結構，通過金屬電極層將壓電薄膜產(chǎn)生的電能傳輸?shù)剿黾呻娐纺K，經(jīng)調制可為所述無線信號發(fā)射模塊恒定供電；所述的應力波壓電感應片采用上底和下底為圓弧的梯形金屬—壓電薄膜—金屬層疊結構，直接將應力波形式的混凝土結構振動特性采集轉化為電信號，該電信號通過金屬電極傳輸?shù)綗o線信號發(fā)射模塊，由無線信號發(fā)射模塊輸出，經(jīng)解析后可反映結構的變形、應力和裂縫狀態(tài)。

進一步的，所述圓柱形腔體內部中軸線處設置一撞振機構。所述撞振機構為側表面帶有凸出條狀齒和凸出半球體的細長圓柱，細長圓柱的兩端通過彈簧固定在傳感器兩端的半球殼上。

進一步的，所述的兩個半球殼，半球殼A頂部裝有無線信號發(fā)射模塊，邊緣緊緊固定在圓柱形腔體的一端；半球殼B通過滑輪與圓柱形腔體的另一端外表面上的滑道連接，使半球殼B與圓柱形腔體可由于環(huán)境激勵而產(chǎn)生小范圍的相對運動。

進一步的，在水電站地下廠房的建造過程中，此種無線傳感器以智能骨料的形式與混凝土充分混合。

有益效果：本發(fā)明提供的一種壓電傳感器，利用PZT壓電智能材料的壓電效應，進行結構振動信息采集，可通過一定數(shù)量傳感器的協(xié)同監(jiān)測，掌握水電站地下廠房結構的變形和裂縫信息；進行壓電能量采集和自供電，可避免傳感電纜在振動環(huán)境下斷路引起的傳感器失效現(xiàn)象，提升傳感器的可靠性耐久性，同時降低傳感器埋設成本，且綠色環(huán)保。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的內部縱剖圖；

圖2是本發(fā)明的外形整體示意圖；

圖3是本發(fā)明的內部橫剖圖；

圖4是本發(fā)明的第二半球體結構示意圖；

圖5是本發(fā)明的滑輪與滑道組成結構示意圖；

圖6是本發(fā)明的工作流程示意圖；

圖中：壓電能量采集模塊1、應力波壓電感應模塊2、無線信號發(fā)射模塊3、集成電路模塊4；撞振機構5、條狀齒51、凸出半球體52，半球殼B6，滑輪61，圓柱形腔體7，滑道71，半球殼A8。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1和圖2所示，一種壓力自供電式水電站地下廠房結構變形監(jiān)測的無線傳感器，其外形為中間是圓柱形腔體7，兩端分別用不同方式蓋以半球殼（半球殼B6、半球殼A8）；包括壓電能量采集模塊1、應力波壓電感應模塊2、無線信號發(fā)射模塊3和集成電路模塊4；所述集成電路模塊4布置在圓柱形腔體內壁上，所述無線信號發(fā)射模塊3設置在半球殼A8上。

如圖1、圖3所示，所述的壓電能量采集模塊1和應力波壓電感應模塊2均采用主材為PZT壓電智能材料（鋯鈦酸鉛）的壓電懸臂梁結構，所述壓電能量采集模塊1包括多個壓電能量采集片，應力波壓電感應模塊2包括多個應力波壓電感應片；壓電能量采集片和應力波壓電感應片沿圓柱形腔體軸線方向分層均布在圓柱形腔體內部一周，本實施例中，每層設置五個壓電能量采集片和一個應力波壓電感應片；所述壓電能量采集片采用金屬—壓電薄膜—金屬層疊的扇形結構，通過金屬電極層將壓電薄膜產(chǎn)生的電能傳輸?shù)剿黾呻娐纺K4，經(jīng)調制可為所述無線信號發(fā)射模塊3恒定供電；所述的應力波壓電感應片采用上底和下底為圓弧的梯形金屬—壓電薄膜—金屬層疊結構，直接將應力波形式的混凝土結構振動特性采集轉化為電信號，該電信號通過金屬電極傳輸?shù)綗o線信號發(fā)射模塊3，由無線信號發(fā)射模塊3輸出，經(jīng)解析后可反映結構的變形、應力和裂縫狀態(tài)。

如圖1、圖3所示，所述圓柱形腔體內部中軸線處設置一組撞振機構5。所述撞振機構為側表面帶有條狀齒51和凸出半球體52的細長圓柱，撞振機構細長圓柱的兩端分別通過彈簧連接在傳感器兩端的半球殼上。

如圖2所示，兩個半球殼中，半球殼A8頂部裝有無線信號發(fā)射模塊3，邊緣緊緊固定在圓柱形腔體7的一端。

如圖4、圖5所示，圓柱形腔體7的另一端外表面上設置有滑道71，半球殼B6通過滑輪61與圓柱形腔體7上的滑道71連接，使半球殼B與圓柱形腔體可由于環(huán)境激勵而產(chǎn)生小范圍的相對運動。

如圖2所示，當本發(fā)明由于環(huán)境激勵而隨墻體產(chǎn)生受迫振動時，半球殼B6與圓柱形腔體7可發(fā)生小范圍的相對運動，進一步的，半球殼B6通過固定在其上的彈簧帶動撞振機構5與壓電能量采集片及應力波壓電感應片產(chǎn)生相對運動。在相對運動的過程中，撞振機構上的凸出半球體52和條狀齒51，分別撞擊擠壓壓電能量采集片及應力波壓電感應片，使兩者由于形變在其相對的兩個表面上產(chǎn)生極化電荷，通過壓電片兩面的金屬電極收集傳輸電荷，進而產(chǎn)生電能。

如圖6所示，在水電站地下廠房的建造過程中，此種無線傳感器以智能骨料的形式與混凝土充分混合，建成后，可實時監(jiān)測水電站地下廠房的結構變形。大量的本發(fā)明布置在墻體中，通過應力波的發(fā)射和感知形成網(wǎng)絡，各節(jié)點協(xié)作感知、采集水電站廠房結構的裂縫信息，再利用無線傳感技術將此裂縫信息傳遞給處理系統(tǒng)即人機界面，進而對水電站廠房的振動情況進行實時監(jiān)測。此種壓電式非供電無線傳感器網(wǎng)絡是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。