專利名稱：傳感器接口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及監(jiān)視和保持機(jī)器或裝置的有效功能的工程元件。更具 體來說，本發(fā)明涉及位于相對(duì)剛性的物體之間以衰減震動(dòng)或振動(dòng)、防 止磨損或控制運(yùn)動(dòng)的彈性基底，該基底包括測(cè)量靜態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)載、負(fù) 載位置、剪切力、溫度或其它感興趣參數(shù)的嵌入式傳感器，以及解釋 來自傳感器的信號(hào)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)設(shè)備、和將來自傳感器的數(shù)據(jù)發(fā) 送到最終用戶加以評(píng)估的通信設(shè)備。
背景技術(shù)：
雖然存在附在剛性物體上以測(cè)量其中的應(yīng)力的傳感器、可以測(cè)量 這種物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳感器、和內(nèi)置在各種建筑材料(常稱為
"智能材料")中的傳感器的許多應(yīng)用，但都未將這些傳感器嵌在也起 機(jī)械接口作用以允許這些物體輕微相對(duì)運(yùn)動(dòng)的彈性或柔順
(compliant)基底內(nèi)。
在機(jī)器人和其它人機(jī)接口應(yīng)用中，將一些傳感器內(nèi)置在像手套那 樣的柔性物體中，以便提供觸覺反饋。這些配置不提供兩個(gè)剛性物體 之間的期望的持續(xù)接口。
本發(fā)明的好處是在一個(gè)物品內(nèi)提供柔順、感測(cè)數(shù)據(jù)處理和通信功 能，該一個(gè)物品可以安裝在沒有任何傳感器的相似形狀基底的位置上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可變形承重基底，該可變形承重基底提 供相對(duì)剛性的物體之間的柔順接口 ，并包括嵌在和封裝在本身內(nèi)的一 個(gè)或多個(gè)傳感器，該傳感器可以檢測(cè)和傳送諸如它的溫度和/或各種應(yīng) 力和分布的基底中的狀況，由此提供了連續(xù)地或周期性地監(jiān)視固態(tài)物體之間的相互作用和主要在它們的接口處或附近的狀況的手段。
本發(fā)明涉及能位于兩個(gè)物體之間的接口。該接口包括具有與一個(gè) 物體交接的第一表面和與另一個(gè)物體交接的第二表面的柔性基底。將 至少一個(gè)傳感器嵌在柔性基底內(nèi)。該傳感器適用于測(cè)量諸如電壓差、 發(fā)光強(qiáng)度、聲音強(qiáng)度、熱通量、電流、濕氣擴(kuò)散、化學(xué)品擴(kuò)散、磁通 量、中子通量、電離輻射、溫度、位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、 壓強(qiáng)、和力，以及它們的組合的參數(shù)。該傳感器生成指示參數(shù)的電信 號(hào)。該接口還包括與傳感器通信以便接收和處理傳感器生成的信號(hào)的 數(shù)據(jù)處理單元。適用于發(fā)送來自數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)的通信設(shè)備以及 向傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信設(shè)備提供電力的電源是該接口的一部 分。
該數(shù)據(jù)處理單元可以包括像微處理器、專用集成電路、現(xiàn)場(chǎng)可編 程門陣列、以及數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備和它們的組合那樣的部件。
在一個(gè)實(shí)施例中，該通信設(shè)備包括無線電發(fā)送器和接收器，這些 設(shè)備可以嵌在基底內(nèi)。
該電源可以包括^f象電池、燃料電池、以及放射性同位素發(fā)電機(jī)那 樣的部件。并且，這些設(shè)備的任何一種都可以嵌在基底內(nèi)。
在一個(gè)特定實(shí)施例中， 一個(gè)附件可以從基底延伸出來并位于物體 之間的空間之外。像數(shù)據(jù)處理單元、電源和通信設(shè)備那樣的各種部件 可以嵌在該附件內(nèi)。
本發(fā)明還包括測(cè)量和評(píng)估兩個(gè)物體之間的接口處的物理參數(shù)的方
法。該方法包括
(a )提供位于物體之間的柔性基底，該基底包括嵌在其中的至少 一個(gè)傳感器；
(b) 利用傳感器測(cè)量參數(shù)，該傳感器生成指示參數(shù)的電信號(hào)；
(c) 提供與傳感器通信的數(shù)據(jù)處理單元；
(d) 提供適用于發(fā)送來自數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)的通信設(shè)備；
(e) 提供向傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信設(shè)備供電的電源；
(f) 數(shù)據(jù)處理單元接收來自傳感器的信號(hào)；(g) 數(shù)據(jù)處理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行操作，該操作包括求平均、濾波、 比較、定標(biāo)、校準(zhǔn)、譜分析、加密、和模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，以及它們的
組合；和
(h) 通信設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)處理單元從信號(hào)中導(dǎo)出的信息。 可以測(cè)量的參數(shù)包括，例如，電壓差、發(fā)光強(qiáng)度、聲音強(qiáng)度、熱
通量、電流、濕氣擴(kuò)散、化學(xué)品擴(kuò)散、磁通量、中子通量、電離輻射、 溫度、位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓強(qiáng)、和力，以及它們的 組合。
附圖簡(jiǎn)述
圖l是描繪按照本發(fā)明的接口的示意圖； 圖2是如

圖1所示的接口的局部剖面圖； 圖3是按照本發(fā)明的接口的一個(gè)實(shí)施例的局部剖面圖； 圖4是在側(cè)框與軸承適配器之間存在接口的有軌車側(cè)框(railcar side frame)的一部分的分解圖；和
圖5是如圖4所示的接口的一部分的細(xì)節(jié)圖。
實(shí)施例詳述
圖1和2示出了按照本發(fā)明的傳感器接口 10。接口 10包括具有 第一表面14和第二表面16的柔性基底12，每個(gè)表面可與相應(yīng)的物體 18和20接合。這些物體在圖2中被顯示成厚板只是為了舉例。可以 預(yù)料，這些物體將包括其間存在持續(xù)可變負(fù)載或力或者諸如電壓差、 發(fā)光強(qiáng)度、聲音強(qiáng)度、熱通量、電流、濕氣擴(kuò)散、化學(xué)品擴(kuò)散、磁通 量、中子通量、電離輻射、溫度、位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、 壓強(qiáng)、和力，以及它們的組合的其它類型的可測(cè)量物理參數(shù)將受到關(guān) 注的部件。這種物體的例子包括重型機(jī)床和它們的基座、發(fā)動(dòng)機(jī)和它 們的機(jī)座、建筑物和它們的地基，以及輪軸軸承和它們的支承結(jié)構(gòu)。
將多個(gè)傳感器22、 24和26嵌在基底內(nèi)，該傳感器包括將諸如電 壓差、發(fā)光強(qiáng)度、聲音強(qiáng)度、熱通量、電流、濕氣擴(kuò)散、化學(xué)品擴(kuò)散、磁通量、中子通量、電離輻射、力、溫度、位移、速度、加速度、應(yīng) 力、應(yīng)變、或壓強(qiáng)的物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成指示參數(shù)的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。為 此，傳感器的類型包括測(cè)壓元件、熱敏電阻、線性可變位移轉(zhuǎn)換器、
加速度計(jì)、應(yīng)變規(guī)、壓電設(shè)備、磁強(qiáng)計(jì)、輻射熱計(jì)、蓋革(Geiger) 計(jì)數(shù)器、弦音計(jì)等。
在通信鏈路30上將來自傳感器的電信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元28， 通信鏈路30可以是，例如，導(dǎo)電體、光纖或無線通信鏈路。數(shù)據(jù)處理 單元可以是，例如，微處理器、專用集成電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、 以及按照在設(shè)備內(nèi)運(yùn)行的軟件接收和解釋來自傳感器的信號(hào)的數(shù)字信 號(hào)處理設(shè)備。模擬信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)備以及其它模擬電路也可以是數(shù)據(jù)處理 單元的一部分。當(dāng)必須存儲(chǔ)和處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元也可以 與諸如盤驅(qū)動(dòng)器或固態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備32鏈接。
數(shù)據(jù)處理單元與通信設(shè)備34通信。通信設(shè)備34可以是，例如， 在數(shù)據(jù)處理單元的控制下將信息發(fā)送到基底12外部的其它設(shè)備和從 基底12外部的其它設(shè)備接收信息的無線電發(fā)送器和接收器?？商娲?地，通信也可以通過例如從基底12延伸出來的導(dǎo)電體或光纖的物理鏈 路36實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備34可以是分別將適當(dāng)信號(hào)從數(shù)據(jù) 處理單元饋送到物理鏈路36的電信號(hào)放大器或光信號(hào)發(fā)生器。
各種設(shè)備和傳感器接收來自電源38的電力，舉幾個(gè)例子來說，電 源38可以包括電池、燃料電池或放射性同位素發(fā)電機(jī)。電源可以是太 陽能或可以是從物體18和20之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中獲得能量的發(fā)電機(jī)。 電源也可以是像振動(dòng)磁感應(yīng)設(shè)備那樣的從接口傳感器本身的運(yùn)動(dòng)中獲 得能量的設(shè)備?？商娲兀梢栽谥T如導(dǎo)電體或輸送燃料的裝置的物 理鏈路39上從外部源中獲取動(dòng)力。在這個(gè)實(shí)施例中，部件38可以是， 例如，用于將適當(dāng)電壓和電流提供給各種部件的變壓器或電力調(diào)節(jié)單 元。
如圖3所示，傳感器接口 IO是通用的和自適應(yīng)的，可以安排、模 制和構(gòu)造成適應(yīng)特定應(yīng)用所需。在這個(gè)實(shí)施例中，例示了能夠通過傳 感器的適當(dāng)放置和取向，沿著不同方向測(cè)量力或通量的角接口( corner
10interface)。尤其感興趣的是與嵌在基底內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)電子部件42 重疊地(overlying)位于基底12的表面14和16內(nèi)的凹坑40。使用這樣 的凹坑旨在減輕物體18和20之間的力引起的作用在電子部件上的應(yīng) 力，在物體18和20的表面內(nèi)可以替代地或附加地設(shè)置用于減輕應(yīng)力 的類似凹坑。
圖4例示了位于軸承適配器44與有軌車轉(zhuǎn)向架(railcar truck)的 側(cè)框48中的固定槽(retainer pocket) 46之間的傳感器接口 10的具 體例子。在這個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的適應(yīng)性再次得到印證。傳感器接 口包括由衰減軸承適配器44與側(cè)框48之間的振動(dòng)和垂直、水平和縱 向負(fù)栽的柔軟、彈性聚合物形成的承重墊片50。這樣的塾片通常具有 如美國(guó)已公布申請(qǐng)第2005/0268813號(hào)所述的類型。傳感器和電子設(shè)備 嵌在做成與軸承適配器和側(cè)框槽相配的形狀的前后接口部分52和54中。
墊片部分52詳細(xì)顯示在圖5中，它包括其中嵌入傳感器和電子部 件的柔軟、彈性基底12。在本例中，負(fù)載傳感器56位于基底的表面 垂直取向部分58中，使它可以測(cè)量由制動(dòng)引起或在轉(zhuǎn)向架不穩(wěn)定(例 如搖晃)期間引起的車輪與側(cè)框之間的力。另一個(gè)負(fù)載傳感器60位于 沿著與部分58垂直的平面取向的基底側(cè)翼部分62內(nèi)，用于測(cè)量車輪 與側(cè)框之間的橫向負(fù)載。熱敏電阻64嵌在基底的水平部分66內(nèi)，用 于測(cè)量軸承溫度。另一個(gè)負(fù)載傳感器68位于水平部分66上，用于測(cè) 量軸承適配器與側(cè)框之間的垂直負(fù)載。能量利用設(shè)備(scavenging device) 70，例如，壓電基底也有利地位于這個(gè)基底部分上，以便從 軸承適配器相對(duì)于側(cè)框的垂直運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)力中生成電能，以便對(duì)各 種部件供電。
可以是例如導(dǎo)電體或光纖的通信鏈路30將各種傳感器和能量生 成設(shè)備與數(shù)據(jù)處理單元28連接。數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備32和 通信設(shè)備34 —起嵌在附件(appendage ) 72內(nèi)。該附件是基底12的 一部分，該部分向外伸出而不位于任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)部分之間，因此，與 負(fù)載或偏轉(zhuǎn)隔離，從而保護(hù)嵌在其中的電子設(shè)備。在本實(shí)施例中，通信設(shè)備34包括如嵌在附件內(nèi)的RF天線74所示的無線電發(fā)送器和接 收器。
上述的示范性應(yīng)用提供了可以用于診斷貨車上的各種操作缺陷的 傳感器接口。
在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器接口是用于改善貨車的轉(zhuǎn)彎性能的氨基 甲酸乙酯基底的一部分?；子蔁峁叹郯被姿嵋阴?，尤其是來自 Middleberry, Connecticut的Chemtura Corporation的Adiprene L167 制成?；撞牧系倪x擇要最適合預(yù)定的應(yīng)用(例如，耐用轉(zhuǎn)向墊)。
為了診斷貨車上的各種操作缺陷，傳感器接口垂直、縱向、橫向 和根據(jù)偏航運(yùn)動(dòng)解析和測(cè)量直接施加于它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力。還能夠測(cè) 量軸承適配器的溫度，以評(píng)估軸承的溫度。另外，也可以測(cè)量垂直震 動(dòng)。
由于在傳感器所在的區(qū)域中的表面14和16之間的接口 12中產(chǎn)生 的大應(yīng)力，可以支承和保護(hù)導(dǎo)線30，以防止損壞。該支承件由剛性50 Shore D聚氨基甲酸乙酯制成，與基底材料相比，它提供了相對(duì)高的 抗拉強(qiáng)度。盡管可以使用其它類型材料，但將聚氨基曱酸乙酯用于支 承件提供了與用在基底中的聚氨基曱酸乙酯的良好接合。
該支承件可以處在由于基底和軸承適配器的聯(lián)鎖使變形最小的基 底的軸承適配器側(cè)，并且使它與軸承適配器良好配合，以便使支承件 的彎曲最小。在支承件中可以包括凹進(jìn)通道，用于連線、連接器和傳 感器。這些通道使與導(dǎo)線的方向垂直作用的大剪切力有所減輕。如果 預(yù)計(jì)存在多向剪切，可以將用于導(dǎo)線的通道設(shè)計(jì)成彎曲的。通過利用 室溫固化聚氨基甲酸乙酯或借助于基底材料本身將它們埋嵌在通道 中，可以進(jìn)一步減輕作用在導(dǎo)線、連接器和傳感器上的大剪切力。
因?yàn)橹С屑系倪B線很少變形或沒有變形，所以可以使用銅線。 利用埋嵌化合物或基底材料本身將這些導(dǎo)線接合到通道中。 一種替代 方案是使用激光直接構(gòu)建， 一種由德國(guó)Garbsen的LPKF開發(fā)的工藝， 它使用改進(jìn)支承材料和激光器在通道中畫出連線路徑，該導(dǎo)電連線通 過隨后的化學(xué)操作形成。來自Princeton Junction, New Jersey的ATTechnology公司的環(huán)氧化銀可以形成各個(gè)部分之間的導(dǎo)電連接，而鉚 釘可以形成穿過和圍繞兩個(gè)部分的機(jī)械連接。
至少三種不同類型的傳感器用于測(cè)量三種不同特性。壓力通過來 自Boston, Massachusetts的Tekscan的厚膜壓敏電阻壓力傳感器測(cè) 量。振動(dòng)用來自Hampton, Virginia的MSI的壓電薄膜傳感器檢測(cè)。 溫度通過來自德國(guó)Munich的Epcos公司的NTC熱敏電阻測(cè)量。
運(yùn)行系統(tǒng)所需的儲(chǔ)能器來自Port Washington, New York的 Tadiran公司制造的長(zhǎng)壽命電池?？商娲兀瑏碜訦ampton, Virginia 的MSI公司的壓電薄膜用于從環(huán)境中的振動(dòng)中生成電能以對(duì)電容器 充電?？商娲?，能量可以來自列車的動(dòng)力系統(tǒng)，從ECP制動(dòng)器中獲 取動(dòng)力或利用安裝在車輪或轉(zhuǎn)向架的相鄰部分上的磁性元件，從而利 用車輪與側(cè)框之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
用于這個(gè)系統(tǒng)的電子線路可以是Crossbow OEM芯片、運(yùn)算放大 器、分壓器電路、儲(chǔ)能電容器和天線。
特征和進(jìn)一步示例
本發(fā)明的一個(gè)特征是，通過將傳感器以及其它上述部件嵌在形成 基底或它的未受應(yīng)力的延伸部分的柔性材料內(nèi)，為它們提供保護(hù)，這 可以提供防止?jié)駳?、蒸汽和化學(xué)侵蝕的密封，以及防止冷熱、沖擊和 震動(dòng)的極端狀況的保護(hù)。
本發(fā)明的一個(gè)特征是，嵌入式傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信設(shè)備 和內(nèi)部能源組合在一起使本發(fā)明可以自動(dòng)地起作用，并且，可以通過 使用電磁學(xué)、聲學(xué)或光學(xué)手段，無需電連接地將傳感器讀數(shù)傳送到外 界。關(guān)于這后一種效果，可以使基底完全由半透明或透明聚合材料制 成或包括半透明或透明聚合材料。
本發(fā)明的一個(gè)特征是，通過修改基底的機(jī)械特性或通過降低它的 耐用性，傳感器不會(huì)嚴(yán)重影響基底作為柔順接口構(gòu)件的功能。
本發(fā)明的一個(gè)特征是，可以將基底設(shè)計(jì)成具有位置相關(guān)和各向異 性的特性，例如沿著不同軸具有不同硬度或具有取決于運(yùn)動(dòng)方向的不 同運(yùn)動(dòng)范圍。本發(fā)明的一個(gè)特征是，基底是耐磨的，并且防止傳感器在基底的 交接面上受到磨損。
基底材料可以是像橡膠那樣的天然彈性材料，或合成聚合物，例 如熱塑性或熱固性材料。本發(fā)明的一個(gè)特征是，將基底和嵌在其中的 組成器件的構(gòu)成材料設(shè)計(jì)成與提供組成部分之間的良好機(jī)械接合相 容，以便基底的機(jī)械功能不會(huì)變差，或者在制造時(shí)或在使用期間由于 部件與基底的分離或脫層而使得基底的機(jī)械功能受損。
基底的形式不局限于是平板，也可以是如填充相互交接的剛性物 體之間的空間所需的任何適當(dāng)形狀。也可以將形狀修整成提供對(duì)準(zhǔn)物 體的手段，并且包括容納除了傳感器之外的其它部件所需的從基底伸 出的不承重的附件。如上所述，這些特性維護(hù)了防止各種部件受惡劣 環(huán)境影響的密封。
由于承重基底在一個(gè)或多個(gè)方向受到壓縮或剪切時(shí)可能變形，通 信鏈路，例如，將各種部件相互鏈接的連線和連接器必須能夠適應(yīng)這
些變形?？梢詫?duì)連線使用兩種基本策略來滿足這種要求(i)建立可 變形連線，或(ii)為連線提供抗變形的支承件。另一方面，連接器 需要提供連線與部件之間的機(jī)械接合，并且往往需要某種類型的支承 件。
期望可變形連線在展示長(zhǎng)疲勞壽命的同時(shí)，能夠適應(yīng)大的應(yīng)變和 高的剪切速率。提供高電導(dǎo)率來支持好的電連接性也是有利的。導(dǎo)線 最好具有相對(duì)小的剖面，以便使大量導(dǎo)線能夠在基底內(nèi)共存。在例如 具有在柔性基底中感生波紋的柔性電路板、和甚至柔性導(dǎo)電聚合物的 應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)扁鋼彈簧是理想的，但后者在變形時(shí)可能呈現(xiàn)顯著的電 導(dǎo)率變化。
當(dāng)對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行支承以抵抗變形時(shí)，支承件與它周圍的基底材料相 比，應(yīng)該具有相對(duì)高的抗拉強(qiáng)度。它應(yīng)該是薄的，具有高的抗剪切性， 并且視應(yīng)用而定，應(yīng)該與基底材料很好地接合。該支承件還應(yīng)該展示 某種柔性、以及抗疲勞和大壓縮力性。例如硬聚氨基甲酸乙酯、添加 了玻璃的尼龍、碳化纖維或Kevlar⑧疊層，或甚至鋼板的多種材料都可以用于支承導(dǎo)線或其它通信鏈路。如果使用的支承件是導(dǎo)電的，那 么必須將導(dǎo)線與它絕緣。
任何導(dǎo)線都可以與抗變形支承件一起使用。另外，當(dāng)未發(fā)生顯著 變形時(shí)，也可以利用其它連線技術(shù)。這包括使用柔性電路或激光直接
構(gòu)建(LDS)。后一種工藝牽涉到利用包括金屬-有機(jī)物復(fù)合體的激光 可激活塑性品級(jí)，借助于標(biāo)準(zhǔn)注入模塑法生成支承件。借助于激光激 活該材料，這為隨后的無電鍍敷工藝生成籽層，無電鍍敷工藝在激光 激活的區(qū)域上生長(zhǎng)出5微米到8微米的銅。
可變形連線提供了在變形相對(duì)較大的情況下被支承的連線的替代物。
用于將導(dǎo)線附在傳感器上的連接器應(yīng)該提供高導(dǎo)電性路徑和可能 不相似的材料之間的機(jī)械接合(譬如，將金屬導(dǎo)線與用于厚膜傳感器 的柔性聚合物基底接合)。連接器還應(yīng)該經(jīng)得住用于制造基底的處理 溫度，以及基底可能要承受的工作溫度范圍。連接器還應(yīng)該展示某種 柔性和良好的抗疲勞性。在這種苛刻環(huán)境下，添加銀的導(dǎo)電環(huán)氧化物 提供了很好的選擇。
雖然傳統(tǒng)的應(yīng)變規(guī)依賴于支承材料的彈性，但在本發(fā)明中應(yīng)用其 功能不依賴于基底材料的彈性的應(yīng)力測(cè)量傳感器是有利的。這是由于 優(yōu)選基底材料的流變特性一般來說高度非線性，并且常常允許相對(duì)大 的變形。
像溫度傳感器、加速度計(jì)、壓電震動(dòng)或振動(dòng)傳感器、或入射輻射 傳感器那樣的其它傳感器被選擇成對(duì)作為柔順接口的基底的性能具有 最小程度或可忽略不計(jì)的影響。
如果使用像安裝在柔性電路上的厚膜傳感器那樣的柔性傳感器， 可能需要支承件。該支承件應(yīng)該具有與描述成支承連線和連接器的那 種支承件相似的特性。另外，該支承件可以用于隔離對(duì)一個(gè)特定方向 的感測(cè)，以便使例如傳感器能夠測(cè)量垂直負(fù)載而不受橫向剪切力影響。
支承件也可以為傳感器提供額外強(qiáng)度，使它能夠經(jīng)受得住否則將 超出它的機(jī)械設(shè)計(jì)界限的環(huán)境。
15像數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)設(shè)備、通信設(shè)備和能源那樣的各種部件最好包 括電子線路。這些設(shè)備不需要是平面的，而是可以配置成與與分離的 剛性物體的形狀一致的基底的幾何形狀相匹配。
數(shù)據(jù)處理單元最好包括像微處理器那樣的電子部件，該微處理器 提供傳感器輸出的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)從傳感器中獲得的數(shù)據(jù)，和 在軟件或嵌入式算法的命令下，管理通信和提供存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的局部分析。
雖然按照本發(fā)明的基底的最簡(jiǎn)單形式可以配置成從基底的外部到 嵌入式傳感器直接電連接，以提取傳感器生成的原始模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)， 但在向外界發(fā)送從傳感器中獲得的信號(hào)之前對(duì)它們進(jìn)行一 些操作是有 好處的。
這樣的操作可以包括，但不局限于，求平均、濾波以除去噪聲成 分、定標(biāo)、非線性校準(zhǔn)和解釋調(diào)整、譜分析、來自未必相同類型的多 個(gè)傳感器的讀數(shù)的組合、通過像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣的手段作出有關(guān)這種讀 數(shù)的推測(cè)，建立主要狀況的評(píng)估、減少要發(fā)送的信息以消除數(shù)據(jù)流的 冗余、或?yàn)榱税踩l(fā)送而加密或編碼信息或準(zhǔn)備警告信號(hào)。
基底中的電子部件的進(jìn)一步功能是控制數(shù)據(jù)獲取的定時(shí)以適合應(yīng) 用。例如， 一些應(yīng)用需要突發(fā)性的密集數(shù)據(jù)收集活動(dòng)，而其它應(yīng)用需 要延長(zhǎng)間隔的規(guī)則測(cè)量。提供這樣的設(shè)施還使可能有限的電能得到節(jié) 約。為嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微處理器可以回復(fù)到低功率休眠狀態(tài)， 其中時(shí)鐘仍然提供定時(shí)以便在確定間隔之后返回到激活狀態(tài)。
能夠雙向通信的基底的進(jìn)一步特征是，在安裝之后，可以進(jìn)行校 準(zhǔn)測(cè)試，以便將必要的轉(zhuǎn)換因子和調(diào)整量提供給內(nèi)部部件，將來自傳 感器的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合以后使用的幅度。
基底中的電子部件的進(jìn)一步功能是，在推測(cè)或檢測(cè)主要狀況的處 理之前，或在提供歷史記錄的分析之后，可以將從傳感器中獲得的數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)在像閃速存儲(chǔ)器那樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備中。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的功能可以包括存儲(chǔ)傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在對(duì)趨勢(shì) 或其它評(píng)估進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析之前保存來自傳感器的原始數(shù)據(jù)，保存由這 樣的統(tǒng)計(jì)分析引起的關(guān)聯(lián)系數(shù)，保存從以前保留的傳感器數(shù)據(jù)的鐠分析中獲得的譜數(shù)據(jù)，和保存其它推測(cè)性分析的結(jié)果，以便為以后的按 時(shí)或按需輸送創(chuàng)建可查詢歷史記錄。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的進(jìn)一 步功能是存儲(chǔ)訪問代碼和地址密鑰，以便設(shè) 備的網(wǎng)絡(luò)能夠核實(shí)通信業(yè)務(wù)、查詢和響應(yīng)是合法的和安全的。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的又一種功能是為用在數(shù)據(jù)處理單元中的額外軟件 程序提供存儲(chǔ)。這樣的設(shè)施使設(shè)備可以具有比可以內(nèi)置在數(shù)據(jù)處理單 元本身中更大的功能庫(kù)。借助于適合數(shù)據(jù)處理單元的操作系統(tǒng)的編程， 可以將這種能力擴(kuò)展成允許在安裝之后重新編程設(shè)備。這樣的功能可
作為San Jose， California的Crossbow, Inc.當(dāng)前制造的無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)中的特制套件的一部分獲得。通過由操作系統(tǒng)控制的無線電/處理器 電路使這些設(shè)備具有雙向通信能力。該操作系統(tǒng)運(yùn)行允許傳感器與無 線電/處理器電路接口并從那里向諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理或因 特網(wǎng)的外部處理系統(tǒng)接口，以及與其它網(wǎng)絡(luò)接口的軟件。軟件的使用 提供了極大的通用性，并且便于編程可以用于改變功能或修理受損或 有缺陷代碼的嵌入式設(shè)備。
基底中的電子部件的進(jìn)一步功能是可以控制傳出數(shù)據(jù)的發(fā)送定 時(shí)。可以以預(yù)定間隔或在接收到來自外界的信號(hào)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。例如， 可以使設(shè)備對(duì)信息請(qǐng)求作出響應(yīng)，仿佛它是RFID標(biāo)簽。請(qǐng)求信號(hào)不 必具有與發(fā)送的響應(yīng)信號(hào)相同的類型。例如，光脈沖可以形成請(qǐng)求， 通過形成基底的半透明聚合材料檢測(cè)，而響應(yīng)可以通過電磁感應(yīng)。可 以想4象，許多其它組合也適合應(yīng)用。
雖然認(rèn)為電子部件的上述功能通過微處理器提供是方便的，但既 沒有必要也不經(jīng)濟(jì)。視應(yīng)用而定，如上所迷，所需功能可以通過專用 集成電路，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備或包括模擬電路部 件以及分立邏輯和數(shù)字部件的它們的各種組合來提供。基本功能是能 夠從傳感器中檢索測(cè)量結(jié)果和作好發(fā)送它們的準(zhǔn)備。
作出有關(guān)主要狀況的推測(cè)可以基于來自各種傳感器的讀數(shù)的比 較。例如，承受垂直負(fù)載的基底可能檢測(cè)到負(fù)載正在搖擺，因?yàn)榛?的相對(duì)邊緣附近的壓強(qiáng)讀數(shù)正在相互異相地變化。周期性行為可能是局部機(jī)械問題；非周期性行為可能由地震或其它干擾引起。
倘若基底可以發(fā)送和接收信號(hào)，那么，可以將基底配置成可互操 作，以便可以組合來自不止一個(gè)基底的讀數(shù)。例如，遵從例如 IEEE802.15.4 (系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換，在此引用以供參考)的 信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的自組織網(wǎng)絡(luò)提供了這種相互作用的基礎(chǔ)。這樣的信息 纟且合可以利用例:i口 San Jose, California的Crossbow, Inc.制造的 "Mica"單元的微處理器和無線電組合來處理。
嵌在基底內(nèi)的通信設(shè)備可以通過使用電磁學(xué)、聲學(xué)或光學(xué)手段， 無需電連接地將局部處理的傳感器讀數(shù)傳送到外界。這個(gè)系統(tǒng)的一個(gè) 特征是通信設(shè)備可以在它的內(nèi)部生成的能源和存儲(chǔ)器所施加的約束內(nèi) 工作。像網(wǎng)狀聯(lián)網(wǎng)那樣的低功率射頻通信方案提供了在比單個(gè)低功率 RF發(fā)送器提供的距離長(zhǎng)得多的距離上通信的途徑。
本發(fā)明的可替代特征提供了有線通信和電力。
本發(fā)明允許通過利用壓電產(chǎn)生或電-機(jī)械微型發(fā)電機(jī)或類似部件， 對(duì)相鄰物體的微小相對(duì)運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)的效應(yīng)加以利用的手段，無限期地 在內(nèi)部為它的功能生成足夠的電能，以便在需要這樣的電力時(shí)，向前 述傳感器、電子線路和通信設(shè)備供電。
一種替代是在需要時(shí)，使用熱生成電能或光電生成，包括使用激 光能源。
本發(fā)明的可替代特征允許連續(xù)地或只有當(dāng)需要測(cè)量或提取數(shù)據(jù) 時(shí)，通過電磁感應(yīng)輸送所需電能。例如，可以從傳送千線電流的相鄰 回路的交變磁場(chǎng)中提取少量所需能量。
電能的可替代來源是使用生成少量但持續(xù)的電荷產(chǎn)物的少量放射 性成分。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例允許通過例如可以在需要時(shí)提供燃料的燃料 電池的電-化學(xué)裝置提供所需電能。 另一種能源是芯片大小的電池。
本發(fā)明還有一個(gè)特征是，如果在較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)緩慢地生成電能，可 以通過電池中的光化學(xué)裝置或通過電容器存儲(chǔ)電能，供需要比連續(xù)產(chǎn) 生的電力大的電力時(shí)使用。本發(fā)明的可替代特征是將高能量密度電池用作不可再充電儲(chǔ)能設(shè) 備。 一個(gè)例子是亞石克酰氯化鋰電池。
權(quán)利要求
1. 一種能位于兩個(gè)物體之間的傳感器接口，所述傳感器接口包括柔性基底，具有與一個(gè)所述物體交接的第一表面和與另一個(gè)所述物體交接的第二表面；和嵌在所述柔性基底內(nèi)的至少一個(gè)傳感器，所述傳感器適用于測(cè)量參數(shù)和生成指示所述參數(shù)的電信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器接口，進(jìn)一步包括 與所述傳感器通信以便接收和處理所述信號(hào)的數(shù)據(jù)處理單元； 適用于發(fā)送來自所述數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)的通信設(shè)備；和 向所述傳感器、所述數(shù)據(jù)處理單元和所述通信設(shè)備提供電力的電源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器接口，其中，所述參數(shù)是從由電 壓差、發(fā)光強(qiáng)度、聲音強(qiáng)度、熱通量、電流、濕氣擴(kuò)散、化學(xué)品擴(kuò)散、 磁通量、中子通量、電離輻射、溫度、位移、速度、加速度、應(yīng)力、 應(yīng)變、壓強(qiáng)、和力，以及它們的組合構(gòu)成的一個(gè)組中選擇出來的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器接口，其中，所述數(shù)據(jù)處理單元 嵌在所述基底內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器接口，其中，所述第一和第二表 面的至少一個(gè)具有位于其中并與所述數(shù)據(jù)處理單元重疊的凹坑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器接口，其中，所述數(shù)據(jù)處理單元 包括從由模擬信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)備、模擬電路、微處理器、專用集成電路、 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備，以及它們的組合構(gòu)成的一個(gè) 組中選擇出來的部件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器接口，其中，所述通信設(shè)備嵌在 所述基底內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器接口，其中，所述第一和第二表 面的至少一個(gè)具有位于其中并與所述通信設(shè)備重疊的凹坑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器接口，其中，所述通信設(shè)備包括無線電發(fā)送器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器接口，其中，所述通信設(shè)備進(jìn) 一步包括無線電接收器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器接口，其中，所述電源嵌在所 述基底內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的傳感器接口，其中，所述第一和第二 表面的至少一個(gè)具有位于其中并與所述電源重疊的凹坑。
13. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器接口，其中，所述電源包括從 由電池、燃料電池和放射性同位素發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個(gè)組中選擇出來的 部件。
14. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的傳感器接口，其中，所述電源包括從 所述物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中獲得能量的發(fā)電機(jī)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器接口，其中，所述電源包括從 傳感器接口的運(yùn)動(dòng)中獲得能量的振動(dòng)磁感應(yīng)設(shè)備。
16. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器接口，進(jìn)一步包括從所述基底 延伸出來并位于所述物體之間的空間外部的附件，所述數(shù)據(jù)處理單元 和所述通信設(shè)備嵌在所述附件內(nèi)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器接口，其中，所述電源嵌在所 述附件內(nèi)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的傳感器接口，進(jìn)一步包括嵌在所述附 件內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。
19. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器接口，進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的傳感器接口，其中，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè) 備嵌在所述基底內(nèi)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的傳感器接口，其中，所述第一和第二 表面的至少一個(gè)具有位于其中并與所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備重疊的凹坑。
22. —種能位于兩個(gè)物體之間的傳感器接口，所述傳感器接口包括柔性基底，具有與一個(gè)所述物體交接的第一表面和與另一個(gè)所述物體交接的第二表面；嵌在所述柔性基底內(nèi)的多個(gè)傳感器，所述傳感器適用于測(cè)量從由 溫度、位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓強(qiáng)、和力，以及它們的 組合構(gòu)成的一個(gè)組中選擇出來的多個(gè)參數(shù)，所述傳感器生成指示所述 參數(shù)的電信號(hào)；數(shù)據(jù)處理單元，嵌在所述基底內(nèi)并與所述傳感器通信以便接收和 處理所述信號(hào)；通信設(shè)備，嵌在所述基底內(nèi)并適用于發(fā)送來自所述數(shù)據(jù)處理單元 的數(shù)據(jù)；和電源，嵌在所述基底內(nèi)并向所述傳感器、所述數(shù)據(jù)處理單元、和 所述通信設(shè)備提供電力。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的傳感器接口，其中，所述第一和第二 表面的至少一個(gè)具有位于其中并與所述數(shù)據(jù)處理單元重疊的第一凹 坑、與所述通信i殳備重疊的第二凹坑、和與所述電源重疊的第三凹坑。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的傳感器接口，進(jìn)一步包括從所述基底 延伸出來并位于所述物體之間的空間外部的附件，所述數(shù)據(jù)處理單元、 所述通信設(shè)備和所述電源嵌在所述附件內(nèi)。
25. —種測(cè)量和評(píng)估兩個(gè)物體之間的接口處的物理參數(shù)的方法， 所述方法包括提供位于所述物體之間的柔性基底，所述基底包括嵌在其中的至 少一個(gè)傳感器；利用所述傳感器測(cè)量所述參數(shù)，所述傳感器生成指示所述參數(shù)的 電信號(hào)；提供與所述傳感器通信的數(shù)據(jù)處理單元； 提供適用于發(fā)送來自所述數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)的通信設(shè)備； 提供電源以便向所述傳感器、所述數(shù)據(jù)處理單元和所述通信設(shè)備 供電；所述數(shù)據(jù)處理單元接收來自所述傳感器的所述信號(hào)；所述數(shù)據(jù)處理單元對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行操作，所述操作是從由求平均、 濾波、比較、定標(biāo)、校準(zhǔn)、譜分析、加密、和模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，以及它們的組合構(gòu)成的一個(gè)組中選擇的；和所述通信設(shè)備發(fā)送所述數(shù)據(jù)處理單元從所述信號(hào)中導(dǎo)出的信息。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述測(cè)量步驟進(jìn)一步包 括測(cè)量從由電壓差、發(fā)光強(qiáng)度、聲音強(qiáng)度、熱通量、電流、濕氣擴(kuò)散， 化學(xué)品擴(kuò)散、磁通量、中子通量、電離輻射、溫度、位移、速度、加 速度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓強(qiáng)、和力，以及它們的組合構(gòu)成的一個(gè)組中選 擇的參數(shù)。
27. —種具有傳感器接口的有軌車轉(zhuǎn)向架，所述傳感器接口位于 軸承適配器與所述轉(zhuǎn)向架的側(cè)框的固定槽之間，所述傳感器接口包括柔性基底，具有與所述軸承適配器交接的第一表面和在所述固定 槽中與所述側(cè)框交接的第二表面；嵌在所述柔性基底內(nèi)的至少一個(gè)傳感器，所述傳感器適用于測(cè)量 從由溫度、位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓強(qiáng)、和力，以及它 們的組合構(gòu)成的一個(gè)組中選擇出來的參數(shù)，所述傳感器生成指示所述 參數(shù)的電信號(hào)；數(shù)據(jù)處理單元，與所述傳感器通信以便接收和處理所述信號(hào)； 通信設(shè)備，適用于發(fā)送來自所述數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)；和 向所述傳感器、所述數(shù)據(jù)處理單元、和所述通信設(shè)備提供電力的 電源。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，其中，所述數(shù)據(jù)處理 單元嵌在所述基底內(nèi)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，其中，所述數(shù)據(jù)處理 單元包括從由模擬信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)備、模擬電路、微處理器、專用集成電 路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備，以及它們的組合構(gòu)成的 一個(gè)組中選擇出來的部件。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，其中，所述通信設(shè)備 嵌在所述基底內(nèi)。
31，根據(jù)權(quán)利要求30所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，其中，所述通信設(shè)備 包括無線電發(fā)送器和接收器。
32. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，其中，所述電源嵌在 所述基底內(nèi)。
33. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，其中，所述電源包括 從由電池、燃料電池和放射性同位素發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個(gè)組中選擇出來 的部件。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，其中，所述電源包括 從所述軸承適配器與所述側(cè)框之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中獲得能量的發(fā)電機(jī)。
35. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，進(jìn)一步包括從所述基 底延伸出來并位于所述軸承適配器和所述側(cè)框外部的附件，所述數(shù)據(jù) 處理單元和所述通信設(shè)備嵌在所述附件內(nèi)。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，其中，所述電源嵌在 所述附件內(nèi)。
37. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 設(shè)備。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，其中，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 設(shè)備嵌在所述基底內(nèi)。
39. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的有軌車轉(zhuǎn)向架，進(jìn)一步包括嵌在所述 附件內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種傳感器接口，包括柔性基底，在柔性基底中嵌入了傳感器，所述傳感器用于測(cè)量例如有軌車軸承和轉(zhuǎn)向架側(cè)框的物體之間出現(xiàn)的諸如溫度、位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓強(qiáng)和力的物理參數(shù)。該基底位于感興趣的物體之間。像數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、通信設(shè)備和電源那樣的電子部件也可以嵌在基底內(nèi)。電子設(shè)備相互通信并與傳感器通信，以便處理傳感器生成的指示正在測(cè)量的參數(shù)的信號(hào)。
文檔編號(hào)G01G3/12GK101427113SQ200780014575
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者A·H·馬丁, F·貝克三世, M·J·邁卡恩, W·萊弗布里 申請(qǐng)人:Asf-基斯通公司