[0028] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0029] 如图1所示，一种评估落石风险的自供电传感器，包括壳体、压电能量收集装置111和传感电路。压电能量收集装置111和传感电路均固定在壳体内。
[0030] 如图2和3所示，压电能量收集装置111包括收集板307、滑块301、滑轨302、第一连接弹簧303、第二连接弹簧304、第一压电悬臂梁305和第二压电悬臂梁306。第一压电悬臂梁305及第二压电悬臂梁306均采用型号为PZT-5h的压电陶瓷。收集板307上开设有滑槽和两个压电槽。两个压电槽互相平行，且间隔设置。滑槽的两端与两个压电槽的一端连通。收集板307的滑槽上固定有滑轨302。滑块301与滑轨302构成滑动副。第一压电悬臂梁305、第二压电悬臂梁306的安装端与两个压电槽远离滑槽的那端分别固定。滑块301位于第一压电悬臂梁305与第二压电悬臂梁306的自由端之间。第一连接弹簧303、第二连接弹簧304的一端与滑块301的两端分别固定，另一端与第一压电悬臂梁305、第二压电悬臂梁306的自由端分别固定。当嵌入滚石内的压电能量收集装置111，随落石的滚落发生运动时，滑块301在滑轨上往复运动，从而带动第一压电悬臂梁305、第二压电悬臂梁306发生震动，进而通过压电正效应输出电压。
[0031] 如图1所示，传感电路包括主控芯片101、陀螺仪模块102、加速度计模块103、气压计模块104、充电模块110、锂电池BT1、稳压模块108、无线通信模块106、存储卡107、蜂鸣器105、LED灯109、USB插座110和GPS模块113。锂电池BT1的容量为1100mAH。主控芯片101采用型号为STM32F103C8T6的单片机。
[0032] 充电模块110通过整流桥和电压放大器将压电能量收集装置111内第一压电悬臂梁305、第二压电悬臂梁306输出的电压滤波、整流、放大为5V电压为锂电池BAT1充电。稳压模块108将锂电池传输来的电压稳压至3.3V后为主控芯片101、陀螺仪模块102、加速度计模块103、气压计模块104、无线通信模块106、蜂鸣器105、LED灯109和GPS模块113供电。陀螺仪模块102通过陀螺仪采集角速度信号并传输给主控芯片101。加速度计模块103通过加速度计采集加速度信号并传输给主控芯片101。气压计模块104通过气压计采集海拔高度信号并传输给主控芯片101。GPS模块113通过GPS芯片记录落石的运动路径并传输给主控芯片101。主控芯片101将接收到的角速度信号、加速度信号、气压信号、运动路径发送给无线通信模块106和存储卡107。存储卡107用于数据备份。无线通信模块106与上位机进行无线通信。工作人员可以通过上位机对落石滚落状态进行受力分析。
[0033] 蜂鸣器105与主控芯片101相连，在落石停止运动后发出蜂鸣声，以使得工作人员能够快速找到落石。LED灯109与主控芯片101相连，在工作、烧录程序时闪烁或常亮，可以让工作人员确定该传感器的工作状态。
[0034] 如图4所示，充电模块110包括第一整流桥DE1、第二整流桥DE2和电压放大器U4。第一整流桥DE1和第二整流桥DE2的型号均为MB6S。电压放大器U4的型号为OP07。第一压电悬臂梁305的两极与第一整流桥DE1的第一输入端(1引脚)、第二输入端(3引脚)分别相连。第二压电悬臂梁306的两极与第二整流桥DE2的第一输入端(1引脚)、第二输入端(3引脚)分别相连。第一整流桥DE1及第二整流桥DE2的正极输出端(2引脚)均接第七电容CE1、第十一电阻RE1的一端及电压放大器U4的正供电电压端，负极输出端(4引脚)均接第七电容CE1的另一端、第十二电阻RE2的一端、电压放大器U4的负供电电压端和锂电池BAT1的负极。电压放大器U4的正相输入端接第十一电阻RE1和第十二电阻RE2的另一端，反相输入端接锂电池BAT1正极，输出端接第一场效应管QE1的栅极。第一场效应管QE1的源极接第八电容CE2的一端及锂电池的负极。第八电容CE2的另一端接锂电池的正极及第二场效应管QE2的漏极。第一场效应管QE1的漏极接第二场效应管QE2的栅极及第十三电阻RE3的一端。第二场效应管QE2的源极接第十三电阻RE3的另一端及电压放大器U4的正供电电压端。电压放大器U4的其余引脚均悬空。
[0035] 如图5所示，稳压模块108包括稳压芯片U5。稳压芯片U5的型号为ADM7170。稳压芯片U5的1及2引脚均接第十四电阻RW1及第十电容CW2的一端，3引脚接第十四电阻RW1另一端及第十五电阻RW2的一端，4引脚接第十一电容CW3的一端。第十电容CW2、第十一电容CW3及第十五电阻RW2的另一端均接地。稳压芯片U5的6引脚与第九电容CW1的一端相连并接地，7及8引脚均接第九电容CW1的另一端及锂电池BT1的正极。稳压芯片U5的1及2引脚作为稳压模块108的电压输出端。
[0036] 如图6所示，陀螺仪模块102包括陀螺仪芯片U1。陀螺仪芯片U1的型号为ITG-3701。陀螺仪芯片U1的1引脚接第四电阻RG4的一端以及主控芯片101的第一I2C数字通信端SDA1(22引脚)。第四电阻RG4的另一端接稳压模块108的电压输出端VDD。陀螺仪芯片U1的3引脚及4引脚均接第一电容CG1的一端和稳压模块108的电压输出端VDD。第一电容CG1的另一端接地。陀螺仪芯片U1的6、7、8引脚与第一电阻RG1、第二电容CG2、第二电阻RG2的一端分别相连。第一电阻RG1、第二电容CG2及第二电阻RG2的另一端均接地。陀螺仪芯片U1的9引脚接第三电容CG3一端和稳压模块108的电压输出端VDD。第三电容CG3的另一端接地。陀螺仪芯片U1的10引脚接第三电阻RG3的一端和主控芯片101的第一I/O口INT(用作外部中断功能)。第三电阻RG3的另一端接稳压模块108的电压输出端VDD。陀螺仪芯片U1的12及14引脚均接地，
16引脚接第五电阻RG5的一端和主控芯片101的第一I2C时钟端SCL1(21引脚)，第五电阻RG5的另一端接稳压模块108的电压输出端VDD。陀螺仪芯片U1其余引脚均悬空。
[0037] 如图7所示，加速度计模块103包括加速度计芯片U2。加速度计U2的型号为ADXL001-250Z。加速度计芯片U2的7、8引脚均接第四电容CA1的一端和稳压模块108的电压输出端VDD。加速度计芯片U2的3引脚和第四电容CA1的另一端均接地。加速度计芯片U2的6引脚接第五电容CA2的一端。第五电容CA2的另一端接地GND。加速度计芯片U2的6引脚为加速度计模块103的加速度信号输出端Xout，与主控芯片101的第一I/O口。加速度计芯片U2的其余引脚均悬空。
[0038] 加速度计模块103共有三个。三个加速度计模块103的加速度信号输出端Xout与主控芯片101的第一数模转换端(11引脚)、第二数模转换端(12引脚)、第三数模转换端(13引脚)分别相连。三个加速度计模块103内加速度计芯片U2的长度方向两两之间相互垂直(分别检测X、Y、Z轴三个方向的加速度值。)
[0039] 其中，关于陀螺仪芯片U1和三个加速度计芯片U2的校准，使用一种基于旋转盘的校准装置，其旋转速度可以精确控制。待校准的本发明安装在该盘的离轴位置，并针对500°/s至3000°/s的不同速度设置测量旋转速度和向心力。对所有三个传感器轴重复该过程，无线通信模块将所测得的数据发送至上位机，工作人员使用线性矫正功能计算每一个传感器轴，并计算其补偿值。
[0040] 如图8所示，气压计模块104包括气压计芯片U3。气压计芯片U3的型号为ms5611-01ba03。气压计芯片U3的1引脚接第六电容CB1和稳压模块108的电压输出端VDD。第六电容CB1的另一端接地。气压计芯片U3的2引脚接第六电阻RB1的一端；第六电阻RB1的另一端接稳压模块108的电压输出端VDD。气压计芯片U3的3引脚接地，4引脚接第七电阻RB2的一端，5引脚接第八电阻RB3的一端。第七电阻RB2及第八电阻RB3的另一端均接地。气压计芯片U3的
7引脚接第十电阻RB5的一端和主控芯片101的第二I2C数字通信端SDA2(43引脚)。第十电阻RB5的另一端接稳压模块108的电压输出端VDD。气压计芯片U3的8引脚接第九电阻RB4的一端和主控芯片101的第二I2C时钟端SCL2(42引脚)，第九电阻RB4的另一端稳压模块108的电压输出端VDD。气压计芯片U3的其余引脚悬空。
[0041] 该用于诱导落石试验的低功率传感器装置的使用方法如下：
[0042] 步骤一、在一块落石上打孔后，将传感器装置的外壳固定到落石的几何中心处。
[0043] 步骤二、将步骤一所得的落石放置到需要检测的山坡坡顶后，推下山坡。
[0044] 步骤三、落石滚下山坡的过程中，压电能量收集装置111和充电模块110持续为锂电池BT1供电。陀螺仪模块102通过陀螺仪采集落石的角速度信号并传输给主控芯片101。加速度计模块103通过加速度计采集落石的加速度信号并传输给主控芯片101。气压计模块104通过气压计采集落石的海拔高度信号并传输给主控芯片101。GPS模块113通过GPS芯片记录采集落石的运动路径并传输给主控芯片101。
[0045] 主控芯片101将接收到的角速度信号、加速度信号、海拔高度信号、运动路径发送给无线通信模块106和存储卡107。无线通信模块106将接收到的信号传输给上位机。
[0046] 步骤四、上位机根据角速度信号、加速度信号、运动路径，计算落石收到的冲击力Fn(t)，计算方法如下；
[0047] 根据冲量定理可得：
[0048]
[0049] 其中，Fn(t)为落石所受的冲击力，为待求量；m为落石的质量；a(t)为落石所受的加速度；Δt为落石碰撞持续时间，即撞击时刻与停止时刻的时间差；停止时刻为角速度ω(t)及加速度a(t)同时变为0的时刻，撞击时刻为停止时刻前最后一个加速度a(t)由正变负的时刻；v0为落石撞击初速度，即撞击时刻落石的速度，v0＝ω0·R；ω0为撞击时刻落石的角速度；v1为落石碰撞后的速度，其值为0。
[0050] 由此可以求出 的大小，由于落石碰撞持续时间十分短暂，故可以视为碰撞过程中撞击力不变，因此能求出落石所受的冲击力
[0051] 步骤五、根据角速度信号、加速度信号、运动路径及计算出的冲击力，判断该山坡的落石冲击风险。
