[0004] 本发明的目的在于提供一种嵌入金属内部的无线传感器通信装置及其通信方法。
[0005] 本发明一种嵌入金属内部的无线传感器通信装置，包括充电传输两用电路和供电采集两用电路。所述的充电传输两用电路嵌入在被测金属结构内。所述的供电采集两用电路包括信号发生器、第一谐振放大器、第一超声收发器和信号采集模块。所述信号发生器的输出接口与第一谐振放大器的输入接口相连。所述第一谐振放大器的输出接口与第一超声收发器的信号收发接口相连。第一超声收发器的超声收发部分与被测金属结构的外侧面贴合。所述的信号采集模块包括音频变换器和二极管包络检波器。所述音频变换器的输入接口与第一超声收发器的信号收发接口相连，输出接口与二极管包络检波器的输入接口相连。
[0006] 所述的充电传输两用电路包括第二超声收发器、第一数据选择器、第二数据选择器、整流调节模块、防反二极管、电池、控制器、与非触发器、第三数据选择器、模数转换模块和数据回传模块。第三数据选择器为2m选一数据选择器。所述的充电传输两用电路还包括补偿电感。补偿电感的两端与第一数据选择器、第二数据选择器的第一个数据输入端分别相连。所述控制器、与非触发器、模数转换模块及数据回传模块的供电接口均与电池相连。
[0007] 所述第二超声收发器的超声收发部分与第一超声收发器的超声收发部分相对设置。所述的整流调节模块包括整流器和调节器。所述整流器的两个输出接线端与调节器的两个输入接线端分别相连。所述第二超声收发器的信号收发接线端、地线端与第二数据选择器、第一数据选择器的输出端分别相连。第一数据选择器、第二数据选择器的第一个数据输入端与整流器的两个输入接线端分别相连。第一数据选择器、第二数据选择器的地址输入端与控制器的两个第一I/O口分别相连。所述调节器的两个输出接线端与防反二极管的正极、电池的负极分别相连。所述防反二极管的负极与电池的正极相连。所述与非触发器的第一输入端与防反二极管的正极相连，第二输入端与电池的正极相连，输出端与控制器的第二I/O口相连。
[0008] 所述的模数转换模块包括模数转换器和时钟发生器。所述时钟发生器、模数转换器的使能引脚与控制器的第三I/O口、第四I/O口分别相连。所述时钟发生器的输出引脚与模数转换器的时钟输入引脚相连。所述模数转换器的模拟信号输入引脚与第三数据选择器的输出端相连。第三数据选择器的m个地址输入端与控制器的m个第五I/O口分别相连。第三数据选择器的其中n个数据输入端与被测金属结构内的n个无线传感器的信号输出引脚分别相连，n≤2m。
[0009] 所述的数据回传模块包括振荡器和第二谐振放大器。所述振荡器的输入端与控制器的第六I/O口相连。振荡器的输出端与第二谐振放大器的第一输入端相连。所述第二谐振放大器的第二输入端与模数转换器的数字信号输出引脚相连。第二谐振放大器的输出端与第二数据选择器的第二数据输入端相连。
[0010] 进一步地，所述第一超声收发器的超声收发部分与第二超声收发器的超声收发部分的间距小于5m。
[0011] 进一步地，所述的无线传感器为温度传感器或应变传感器。
[0012] 进一步地，所述的控制器采用STM32系列的单片机。
[0013] 进一步地，所述第一超声收发器及第二超声收发器的型号均为USC14T/R-40MP。
[0014] 进一步地，所述的第一数据选择器及第二数据选择器均为二选一数据选择器。所述的电池采用型号为RJD2032的锂离子纽扣电池。所述的防反二极管采用型号为CMKSH-3T的二极管。所述与非触发器的型号为CD4093B。所述模数转换器的型号为LTC1096。所述的调节器采用型号为LP2951的可调节微功耗稳压器。
[0015] 进一步地，所述电池的负极、第一数据选择器的第二数据输入端、模数转换器及n个无线传感器的地线引脚的地线端均接地。
[0016] 该嵌入金属内部的无线传感器通信装置的通信方法具体如下：
[0017] 步骤一、控制器控制第一数据选择器的第一数据输入端与输出端连通，第二数据选择器的第一数据输入端与输出端连通。信号发生器启动，向第一谐振放大器发送第一交流信号。第一谐振放大器将接收到的第一交流信号放大后传输给第一超声收发器。
[0018] 步骤二、第一超声收发器将放大后的第一交流信号转换为第一超声波信号发出。第二超声收发器接收穿过被测金属结构的第一超声波信号，并将第一超声波信号转换为第二交流信号。第二交流信号经过第一数据选择器、第二数据选择器传输给整流调节模块。整流调节模块内的整流器和调节器将第二交流信号稳压为直流电压传输给电池。
[0019] 步骤四、信号发生器在启动t时间后关闭，0.5s≤t≤10s，与非触发器的输出端由低电平变为高电平。
[0020] 步骤五、控制器控制第一数据选择器的第二数据输入端与输出端连通，第二数据选择器的第二数据输入端与输出端连通。控制器的第三I/O口、第四I/O口及第六I/O口置为高电平，使得时钟发生器、模数转换器及振荡器启动。i＝1,2,…,n，依次执行步骤六至九。
[0021] 步骤六、控制器控制第三数据选择器的连接第i个无线传感器的数据输入端与输出端连通。第i个无线传感器输出的模拟信号经过第三数据选择器传输给模数转换器。
[0022] 步骤七、模数转换器将接收到的模拟信号转换为数字信号并传输给第二谐振放大器。第二谐振放大器将接收到的数字信号和振荡器输出的第三交流信号合并后放大，得到第四交流信号。
[0023] 步骤八、第四交流信号经过第一数据选择器、第二数据选择器传输给第二超声收发器。第二超声收发器将第四交流信号转换为第二超声波信号发出。第一超声收发器接收穿过被测金属结构的第二超声波信号，并将第二超声波信号转换为第五交流信号。
[0024] 步骤九、信号采集模块将第五交流信号解调并转化为数字信号，从而获取无线传感器检测到的数据信息。
[0025] 步骤十、重复执行步骤二至九。
[0026] 本发明具有的有益效果是：
[0027] 1、本发明通过超声波的方式与完全嵌入在固体金属内的无线传感器进行通信和功率传输，克服了金属的法拉第屏蔽效应。
[0028] 2、本发明中的充电传输两用电路都包含在一个紧凑的封装内，可以轻松进一步小型化，使其成为用于金属结构部件健康监测的传感器网络的理想选择。
[0029] 3、本发明采用时分复用数据反向传输方法。在正向传输的超声波功率结束后，无线传感器检测到信号自动进行传输。
