СЕНСОРНЫЙ ИНТЕРФЕЙС
SENSOR INTERFACE

Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение относится к техническим элементам, предназначенным для мониторинга и поддержания эффективного функционирования машин или установок. Более конкретно, оно относится к упругим подложкам, помещенным между относительно жесткими объектами, чтобы ослаблять ударное воздействие или вибрацию, предотвращать абразивный износ или управлять перемещением, причем подложки содержат встроенные сенсоры, чтобы измерять статические или динамические нагрузки, расположение нагрузки, усилия сдвига, температуру или другие параметры, представляющие интерес, а также устройства обработки и хранения данных, чтобы интерпретировать сигналы из сенсоров, и устройства связи, чтобы передавать данные из сенсоров для оценки конечному пользователю.
Уровень техники
Несмотря на то что имеется много применений сенсоров, прикрепленных к жестким объектам, чтобы измерять в них механические напряжения, и сенсоров, которые могут измерять относительное перемещение между такими объектами, и сенсоров, которые встраивают в различные материалы конструкции (часто называемые “интеллектуальными материалами”), эти сенсоры не встраивают внутрь упругих или деформируемых подложек, которые также играют роль механического сопряжения, чтобы дать возможность объектам незначительно перемещаться относительно друг друга.
Некоторые сенсоры встраивают в гибкие объекты, подобные перчаткам, для того чтобы обеспечить осязательную обратную связь в робототехнике и других применениях средств сопряжения, свойственных человеку. Эти конструкции не обеспечивают желаемое устойчивое сопряжение между двумя жесткими объектами.
Преимуществами этого изобретения являются обеспечение податливости, функций обработки и передачи данных считывания в одном изделии, которое может быть установлено вместо подложки аналогичной формы, в которой отсутствует какой-либо сенсор.
Задачи изобретения
Задачей настоящего изобретения является предоставить поддающуюся деформации, несущую нагрузку подложку, которая обеспечивает деформируемый интерфейс между относительно жесткими объектами и которая содержит встроенные и заключенные в ней самой один или более сенсоров, которые могут обнаруживать и передавать состояния в подложке, такие как температура и/или различные механические напряжения и распределения в ней, таким образом, предоставляя средство, предназначенное для мониторинга, либо постоянно, либо периодически, взаимодействий между твердыми объектами и состояний, преобладающих в или вблизи интерфейса.
Сущность изобретения
Изобретение имеет отношение к интерфейсу, помещаемому между двумя объектами. Интерфейс содержит гибкую подложку, имеющую первую поверхность, которая сопрягается с одним из объектов, и вторую поверхность, которая сопрягается с другим из объектов. В гибкой подложке встроен, по меньшей мере, один сенсор. Сенсор приспособлен измерять параметр, такой как разность напряжений, световая интенсивность, интенсивность звука, тепловой поток, электрический ток, диффузия влаги, диффузия химических соединений, магнитный поток, поток нейтронов, ионизирующее излучение, температура, перемещение, скорость, ускорение, механическое напряжение, деформация, давление и сила и их комбинации. Сенсор генерирует электрический сигнал, указывающий параметр. Сенсор также включает в себя устройство обработки данных, находящееся во взаимодействии с сенсором, предназначенное для приема и обработки сигналов, сгенерированных с помощью сенсора. Устройство связи, приспособленное передавать данные из устройства обработки данных, также является частью интерфейса, также как источник питания, который подает электрическое питание в сенсор, устройство обработки данных и устройство связи.
Устройство обработки данных может содержать компонент, такой как микропроцессор, интегральную схему прикладной ориентации, программируемую вентильную матрицу, а также устройство обработки цифровых сигналов и их комбинации.
В одном варианте осуществления устройство связи содержит радиопередатчик и радиоприемник, причем эти устройства могут быть встроены в подложку.
Источник питания может содержать компонент, такой как электрическая батарея, топливный элемент, а также радиоизотопный электрический генератор. К тому же, любые из этих устройств могут быть встроены в подложку.
В конкретном варианте осуществления дополнительное приспособление может выступать из подложки и может быть расположено внешне к пространству между объектами. В дополнительное приспособление могут быть встроены различные компоненты, такие как устройство обработки данных, источник питания и устройство связи.
Изобретение также включает в себя способ измерения и оценки физического параметра в интерфейсе между двумя объектами. Способ содержит этапы, на которых:
(а) обеспечивают гибкую подложку, помещенную между объектами, причем подложка содержит, по меньшей мере, один сенсор, встроенный в нее;
(b) измеряют параметр с использованием сенсора, причем сенсор генерирует электрические сигналы, указывающие параметр;
(c) обеспечивают устройство обработки данных, находящееся во взаимодействии с сенсором;
(d) обеспечивают устройство связи, приспособленное передавать данные из устройства обработки данных;
(e) обеспечивают источник питания, предназначенный для подачи питания в сенсор, устройство обработки данных и устройство связи;
(f) устройство обработки данных принимает сигналы из сенсора;
(g) устройство обработки данных выполняет операции относительно сигналов, причем операции включают в себя усреднение, фильтрацию, сравнение, масштабирование, калибровку, спектральный анализ, шифрование и аналого-цифровое преобразование и их комбинации; и
(h) устройство связи, передающее информацию, полученную из сигналов с помощью устройства обработки данных.
Параметры, которые могут быть измерены, включают в себя, например, разность напряжений, световую интенсивность, интенсивность звука, тепловой поток, электрический ток, диффузию влаги, диффузию химических соединений, магнитный поток, поток нейтронов, ионизирующее излучение, температуру, перемещение, скорость, ускорение, механическое напряжение, деформацию, давление и силу и их комбинации.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематическая диаграмма, изображающая интерфейс в соответствии с изобретением;
фиг.2 - частичный вид в разрезе интерфейса, изображенного на фиг.1;
фиг.3 - частичный вид в разрезе варианта осуществления интерфейса в соответствии с изобретением;
фиг.4 - разобранный вид части боковой рамы железнодорожного вагона со средством сопряжения между боковой рамой и несущей переходной муфтой; и
фиг.5 - детализированный вид части средства сопряжения, изображенного на фиг.4.
Подробное описание вариантов осуществления
Фиг.1 и фиг.2 изображают сенсорный интерфейс, содержащий сенсоры в соответствии с изобретением. Интерфейс 10 содержит гибкую подложку 12, имеющую первую поверхность 14 и вторую поверхность 16, причем каждая поверхность является контактируемой с соответственными объектами 18 и 20. Объекты изображены на фиг.2 как толстые пластины только в качестве примера. Предполагается, что объекты будут содержать компоненты, между которыми будут иметь место постоянное изменение нагрузок или усилий или для которых будут представлять интерес другие типы доступных для измерения физических параметров, такие как разность напряжений, световая интенсивность, интенсивность звука, тепловой поток, электрический ток, диффузия влаги, диффузия химических соединений, магнитный поток, поток нейтронов, ионизирующее излучение, температура, перемещение, скорость, ускорение, механическое напряжение, деформация, давление и сила и их комбинации. Примеры таких объектов включают в себя тяжелые станки и их станины, двигатели и их опоры, здания и их фундаменты, а также опоры колес и их поддерживающие конструкции.
В подложку встроено множество сенсоров 22, 24 и 26, причем сенсоры содержат преобразователи, которые преобразуют физический параметр, такой как разность напряжений, световая интенсивность, интенсивность звука, тепловой поток, электрический ток, диффузия влаги, диффузия химических соединений, магнитный поток, поток нейтронов, ионизирующее излучение, сила, температура, перемещение, скорость, ускорение, механическое напряжение, деформация или давление и их комбинации, в электрические сигналы, указывающие параметр. С этой целью типы сенсоров включают в себя нагрузочные элементы, термисторы, преобразователи линейной переменной деформации, акселерометры, измерители деформации, пьезоэлектрические устройства, магнитометры, болометры, счетчики Гейгера, сонометры и тому подобные.
Электрические сигналы из сенсоров посылают в устройство 28 обработки данных через линии 30 связи, которые могут быть, например, электрическими проводниками, оптическими волокнами или беспроводными линиями связи. Устройство обработки данных может быть, например, микропроцессором, интегральной схемой прикладной ориентации, программируемой вентильной матрицей, а также устройством обработки цифровых сигналов, которое принимает и интерпретирует сигналы из сенсоров в соответствии с программным обеспечением, работающим в устройстве. Устройства преобразования аналоговых сигналов, а также другие аналоговые электрические схемы также могут быть частью устройства обработки данных. Устройство обработки данных также может быть соединено с устройством 32 хранения данных, таким как накопитель на диске или устройство твердотельной памяти с произвольным доступом, когда должны быть запомнены и обработаны большие объемы данных.
Устройство обработки данных взаимодействует с устройством 34 связи. Устройство 34 связи, например, может быть радиопередатчиком и радиоприемником, которое под управлением устройства обработки данных посылает информацию в другие устройства вне подложки 12 и принимает информацию из них. В качестве альтернативы, связь также может быть осуществлена с помощью физического канала передачи данных 36, такого как электрический проводник или оптическое волокно, который выступает из подложки 12. В этом варианте осуществления устройство 34 может быть усилителем электрических сигналов или генератором оптических сигналов, соответственно, которое подает соответствующие сигналы из устройства обработки данных в физический канал передачи данных 36.
Различные устройства и сенсоры принимают электрическое питание из источника 38 питания, который может содержать электрическую батарею, топливный элемент или радиоизотопный электрический генератор, чтобы привести несколько примеров. Источник питания может получать питание от солнца или может быть генератором, который получает энергию от соответствующего перемещения между объектами 18 и 20. Источник питания также может быть устройством, таким как устройство вибрационной магнитной индукции, которое получает энергию от перемещения самого сенсорного интерфейса. В качестве альтернативы, питание также может быть получено из внешнего источника через физический канал передачи данных 39 связи, такой как электрический проводник или средство, предназначенное для подачи топлива. В этом варианте осуществления компонент 38, например, может быть трансформатором или устройством преобразования мощности, используемым, чтобы подавать соответствующие напряжения и токи в различные компоненты.
Как изображено на фиг.3, сенсорный интерфейс является универсальным и адаптируемым и может быть скомпонован, сформован или сконструирован, как требуется для конкретного применения. В этом варианте осуществления проиллюстрирован угловой интерфейс, допускающий измерение усилий или потоков в различных направлениях с помощью соответствующего помещения и ориентации сенсоров. Особый интерес представляют углубления 40, которые помещены в поверхности или в поверхностях 14 и 16 подложки 12, налегающие над одним или более электрических компонентов 42, встроенных в подложку. Использование таких углублений предназначено для ослабления механического напряжения на электронные компоненты, вызванного усилиями между объектами 18 и 20, на поверхностях которых, в качестве альтернативы, или дополнительно могут быть обеспечены подобные углубления, предназначенные для ослабления механического напряжения.
Фиг.4 иллюстрирует конкретный пример сенсорного интерфейса 10, помещенного между несущей переходной муфтой 44 и стопорным карманом 46 в боковой раме 48 тележки железнодорожного вагона или вагонетки. В этом варианте осуществления опять подтверждается возможность адаптации изобретения. Сенсорный интерфейс содержит несущую нагрузку прокладку 50, сформированную из гибкого, упругого полимера, который демпфирует вибрацию и вертикальную, горизонтальную и продольную нагрузки между несущей переходной муфтой 44 и боковой рамой 48. Такие прокладки являются типичными, описанными в опубликованной заявке CША № 2005/0268813. Сенсоры и электронные устройства встроены по всей длине частей 52 и 54 средства сопряжения, которым приданы формы, чтобы разместить несущую переходную муфту и карман боковой рамы.
Часть 52 прокладки изображена подробно на фиг.5 и содержит гибкую упругую подложку 12, в которую встроены сенсоры и электронные компоненты. В этом примере сенсор 56 нагрузки помещен во внешней вертикально ориентированной части 58 подложки, что дает ему возможность измерять усилия между колесом и боковой рамой, которое могло бы быть вызвано торможением или во время неустойчивости тележки, такой как виляние. Другой сенсор 60 нагрузки помещен в части 62 крыла подложки, ориентированной в плоскости, перпендикулярной к части 58, для измерения поперечных нагрузок между колесом и боковой рамой. Термистор 64 встроен в горизонтальную часть 66 подложки для измерения температуры опоры. Другой сенсор 68 нагрузки помещен в горизонтальной части 66 для измерения вертикальных нагрузок между несущей переходной муфтой и боковой рамой. Устройство сбора 70 энергии, например, пьезоэлектрическая подложка, также преимущественно помещено на этой части подложки, чтобы генерировать электрическую энергию из механических напряжений, наведенных с помощью вертикального перемещения несущей переходной муфты относительно боковой рамы, чтобы обеспечивать электропитание различных компонентов.
Линии 30 связи, которые могли бы быть, например, электрическими проводниками или оптическими волокнами, соединяют различные сенсоры и устройства генерации энергии с устройством 28 обработки данных. Устройство обработки данных вместе с устройством 32 хранения данных и устройством 34 связи встроены в дополнительное приспособление 72. Дополнительное приспособление является частью подложки 12, которая выступает наружу, и не помещена между любыми относительно перемещающимися частями, и, следовательно, изолирована от нагрузок или деформаций, таким образом, защищая устройства, встроенные в ней. В этом варианте осуществления устройство 34 связи содержит радиопередатчик и радиоприемник, о чем свидетельствует RF антенна 74, встроенная в дополнительное приспособление.
Примерное применение, описанное выше, предоставляет сенсорный интерфейс, который может быть использован для того, чтобы диагностировать различные неисправности работы товарного вагона.
В одном варианте осуществления сенсорный интерфейс является частью уретановой подложки, которую используют, чтобы улучшить эффективность прохождения кривой пути товарного вагона. Подложку изготавливают из отверждаемого полиуретана, в частности Adiprene L167 от Chemtura Corporation, Middleberry, Коннектикут. Выбор материала подложки оптимизируют для применения, для которого она предназначена (например, долговечная прокладка рулевого управления).
Чтоб диагностировать различные неисправности работы грузового вагона, сенсорный интерфейс устраняет и измеряет приложенные статические и динамические усилия, направленные в нее вертикально, продольно и поперечно и от перемещения вокруг вертикальной оси. Также можно измерять температуру несущей переходной муфты, чтобы определять температуру опоры. Кроме того, также могут быть измерены вертикальные ударные нагрузки.
Вследствие больших механических напряжений, создаваемых в средстве 12 сопряжения между поверхностями 14 и 16 в областях, в которых расположены сенсоры, проводники 30 могут быть поддержаны и защищены, чтобы противодействовать повреждению. Основа изготовлена из жесткого полиуретана 50 Shore D, который обеспечивает относительно высокую прочность на растяжение по сравнению с материалом подложки. Использование полиуретана для основы обеспечивает хорошее сцепление с полиуретаном, использованным в подложке, хотя могут быть использованы другие типы материалов.
Основа может быть расположена на стороне несущей переходной муфты подложки, где деформация минимизирована вследствие зацепления подложки и несущей переходной муфты, и это создает хорошую посадку с несущей переходной муфтой, чтобы минимизировать изгиб основы. В основу могут быть включены прорезанные каналы для проводников, разъемов и сенсоров. Каналы обеспечивают некоторое ослабление больших усилий сдвига, действующих перпендикулярно к направлению проводника. Каналы для проводников могут быть сконструированы таким образом, чтобы изгибаться, если ожидается сдвиг во многих направлениях. Кроме того, ослабление больших усилий сдвига, действующих на проводники, разъемы и сенсоры, обеспечивают с помощью герметизации их в каналах с использованием полиуретана с отверждением при комнатной температуре или с использованием материала самой подложки.
Так как в основе имеется небольшая деформация или отсутствует деформация разводки, могут быть использованы медные проводники. Их закрепляют в каналы с использованием герметизирующего компаунда или материала самой подложки. Альтернативой является использовать лазерное прямое структурирование, процесс, разработанный LPKF, Garbsen, Германия, который использует модифицированный материал основы и лазер, чтобы записывать проводные соединения в каналы, причем проводящую разводку формируют с помощью последующих химических операций. Серебряная эпоксидная смола от AI Technology of Princeton Junction, Нью-Джерси, может создать электрическое проводящее соединение между частями, и заклепки могут создать полное механическое соединение двух частей.
Для того чтобы измерять, по меньшей мере, три различные характеристики, используют, по меньшей мере, три различных типа сенсоров. Давление измеряют с помощью тонкопленочного тензорезистивного сенсора давления от Tekscan, Бостон, Массачусетс. Вибрацию измеряют с помощью сенсора в виде пьезоэлектрической пленки от MSI, Хамптон, Виржиния. Температуру измеряют с помощью термистора NTC от Epcos, Мюнхен, Германия.
Запас энергии, необходимый для работы системы, поступает из батареи с большим сроком службы, изготовленной Tadiran, Порт Вашингтон, Нью-Йорк. В качестве альтернативы, используют пьезоэлектрическую пленку от MSI, Хамптон, Виржиния, чтобы генерировать электрическую энергию от вибраций в среде, чтобы заряжать конденсатор. В качестве альтернативы, энергия может поступать от системы электропитания поезда, берущей электропитание от тормозов ECP, или с помощью использования магнитных элементов, установленных на колесе и смежной части тележки, таким образом, используют относительное перемещение между колесами и боковой рамой.
Электронными схемами для этой системы может быть микросхема Crossbow OEM, операционные усилители, схемы делителей напряжения, конденсатор накопления энергии и антенна.
Признаки и дополнительные иллюстративные примеры
Признаком этого изобретения является обеспечить защиту для сенсоров, а также других вышеупомянутых компонентов с помощью встраивания их в гибкий материал, образующий подложку или ее дополнения, лишенные механического напряжения, что может обеспечить изолирование от воздействия влаги, паров и химического воздействия, а также защиту от перепадов тепла и холода, воздействия удара.
Признаком этого изобретения является то, что объединение встроенных сенсоров, устройств обработки данных, устройство связи и внутреннего источника энергии дает возможность изобретению работать автономно и, кроме того, передавать данные сенсоров наружу без создания электрических соединений с помощью использования электромагнитного, акустического или оптического средства. Для этого последнего эффекта подложка может быть изготовлена полностью из полупрозрачного или прозрачного полимерного материала или может включать в себя такой материал.
Признаком этого изобретения является то, что сенсоры не существенно влияют на функциональные возможности подложки в ее роли в качестве податливого элемента средства сопряжения ни с помощью изменения ее механических характеристик, ни с помощью уменьшения ее долговечности.
Признаком этого изобретения является то, что подложка может быть сконструирована с зависимыми от позиции и не изотропными характеристиками, такими как наличие разного коэффициента упругости вдоль разных осей или разного диапазона перемещения в зависимости от направления перемещения.
Признаком этого изобретения является то, что подложка устойчива к абразивному износу и что сенсоры могут быть защищены от абразивного воздействия на граничащих поверхностях подложки.
Материал подложки может быть натуральным упругим полимерным материалом, таким как каучук, или синтетическим полимером, например, термопластичным или отверждаемым материалом. Признаком этого изобретения является то, что материалы конструкции для подложки и устройств компонентов, встроенных в нее, разработаны для совместимости, чтобы обеспечить хорошее механическое сцепление между составными частями, таким образом, что не ухудшают механические функции подложки, или иначе, не ставят под угрозу, либо когда изготавливают, либо во время использования вследствие отделения или отслаивания компонентов от подложки.
Форма подложки не ограничена плоским слоем, но она может быть любой подходящей формы, которая требуется, чтобы заполнить пространство между взаимодействующими жесткими объектами. Форма также может быть приспособлена включать в себя дополнительные приспособления, выступающие из подложки, которые не несут нагрузки, когда требуется разместить компоненты, отличные от сенсоров. Как указано выше, эти характеристики сохраняют герметическую изоляцию, которая защищает различные компоненты от жестких окружающих воздействий.
Поскольку подложка, несущая нагрузку, может деформироваться при сжатии или сдвиге в одном или более направлениях, линии связи, например, разводка и разъемы, соединяющие различные компоненты друг с другом, должны быть в состоянии приспосабливаться к деформации. Для того чтобы отвечать этому требованию, могут быть использованы две основные стратегии относительно разводки: (i) создать деформируемую разводку или (ii) обеспечить основу для разводки, чтобы противодействовать деформации. С другой стороны, разъемы должны обеспечивать механическое сцепление между разводкой и компонентами и иметь тенденцию требовать некоторый вид поддержки.
Желательно, чтобы деформируемая разводка была в состоянии приспосабливаться к большим коэффициентам деформации и большим коэффициентам сдвига, в то же время показывая большой предел усталости. Также выгодно обеспечить высокую проводимость, чтобы поддерживать хорошую электрическую связность. Предпочтительно проводники имеют относительно малый профиль, чтобы дать возможность большим количествам проводников совместно существовать в подложке. Обнаружено, что плоская стальная пружина является идеальной в таких применениях, которые имеют гибкие схемные платы, в которых наведена неравномерность в гибкой подложке, и даже гибкие проводящие полимеры, несмотря на то что последние показывают существенное изменение проводимости при деформации.
Когда проводники поддерживают, чтобы противодействовать деформации, основа должна иметь относительно высокую прочность на растяжение по сравнению с материалом подложки вокруг нее. Она должна быть тонкой, должна иметь большое сопротивление сдвигу и, в зависимости от применения, должна надежно сцепляться с материалом подложки. Основа также должна показывать некоторую гибкость и стойкость к усталости и большим силам сжатия. Чтобы поддерживать проводники или другие линии связи, может быть использован широкий диапазон материалов, таких как полиуретаны, нейлон, заполненный стеклом, углеродистое волокно или слоистые материалы Kevlar R, или даже сталь. Если используемая основа является проводящей, тогда проводники должны быть изолированы от нее.
С устойчивой к деформации основой может быть использован любой проводник. Кроме того, также могут быть использованы другие способы разводки, когда не будет иметь место существенная деформация. Это включает в себя использование гибких схем или лазерное непосредственное структурирование (LDS). Последний процесс включает в себя создание основы с помощью стандартной инжекционной формовки с использованием пластиковой фракции, активируемой с помощью лазера, которая содержит металлоорганическое комплексное соединение. Материал активируют с помощью лазера, который создает слой затравки для последующего процесса осаждения без участия электричества, который наращивает от 5 микрон до 8 микрон меди в областях, активированных с помощью лазера.
Деформируемая разводка предоставляет альтернативу разводке, которую поддерживают, когда деформация является относительно большой.
Разъем, используемый, чтобы присоединять проводники к сенсорам должен обеспечивать как межсоединение высокой проводимости, так и механическое сцепление между материалами, которые могут быть непохожими (например, сцепление металлического проводника с гибкой подложкой из полимера, используемой для тонкопленочного сенсора). Разъем также должен выдерживать температуры обработки, используемые при изготовлении подложки, а также рабочие температурные режимы, воздействию которых может быть подвержена подложка. Разъем также должен показывать некоторую гибкость и хорошую устойчивость к усталости. Проводящая эпоксидная смола, заполненная серебром, является отличным выбором в этой требующейся среде.
Несмотря на то что традиционные средства измерения деформации зависят от упругости поддерживающего материала, в изобретении выгодно использовать сенсоры измерения механического напряжения, которые не зависят от упругости материала подложки для их функций. Это является следствием реологических характеристик предпочтительных материалов подложки, которые обычно являются высоконелинейными и часто допускают относительно большие деформации.
Другие сенсоры, такие как сенсоры температуры, измерители ускорения, пьезоэлектрические сенсоры удара и вибрации или сенсоры падающего излучения, выбирают таким образом, чтобы они имели минимальное или незначительное влияние на поведение подложки в качестве податливого средства сопряжения.
Если используют гибкие сенсоры, такие как тонкопленочный сенсор, установленный в гибкую схему, может требоваться основа. Основа должна иметь характеристики, аналогичные описанным характеристикам, чтобы поддерживать разводку и разъемы. Кроме того, основа может быть использована для того, чтобы изолировать считывание в одном конкретном направлении, например, чтобы дать возможность сенсору измерять вертикальную нагрузку и не испытывать воздействия со стороны поперечной силы сдвига.
Основы также могут быть использованы для того, чтобы обеспечивать дополнительную прочность для сенсора, давая ему возможность сохраняться в среде, которая, в противном случае, находится за границами ее механической конструкции.
Различные компоненты, такие как устройства обработки и запоминания данных, устройства связи и источник энергии, предпочтительно содержат электронные схемы. Эти устройства не обязательно должны быть планарными, но могут быть сконфигурированы с возможностью соответствия геометрии подложки в соответствии с формой жестких объектов, которые она разделяет.
Устройство обработки данных предпочтительно содержит электронные компоненты, такие как микропроцессор, который обеспечивает аналого-цифровое преобразование выходных сигналов сенсора, запоминает данные, полученные из сенсоров, и под управлением программного обеспечения или встроенных алгоритмов управляет передачами и обеспечивает локальный анализ сохраненных данных.
Несмотря на то что самый простой вариант подложки в соответствии с изобретением может быть сконфигурирован для прямого электрического соединения извне подложки с встроенными сенсорами, чтобы извлекать необработанные аналоговые или цифровые данные, сгенерированные с помощью сенсоров, преимущества должны быть получены с помощью выполнения операций относительно сигналов, полученных из сенсоров, до передачи наружу.
Такие операции могут включать в себя усреднение, фильтрацию, чтобы удалить компоненты шума, масштабирование, регулировки нелинейной калибровки и интерпретации, спектральный анализ, объединение считываний из множества сенсоров, которые не обязательно являются одного и того же типа, получение выводов о таких считываниях, например, посредством нейронных сетей, чтобы создавать оценки преобладающих состояний, уменьшение передаваемой информации, чтобы исключить избыточность в потоке данных, или шифрование или кодирование информации для защищенной передачи или подготовки предупредительных сигналов, но не ограничены ими.
Дополнительной функцией электронных компонентов в подложке является управление синхронизацией сбора данных таким образом, чтобы она была подходящей для применения. Например, некоторые применения требуют вспышек интенсивного процесса сбора данных, в то время как другие требуют регулярных измерений в широких интервалах. Обеспечение такой способности также дает возможность сохранения электрической энергии, которая может быть ограничена. Микропроцессоры, предназначенные для встроенных систем управления, могут возвращаться в состояние покоя с малым питанием, в котором тактовый генератор, все же обеспечивает синхронизацию для возврата в активное состояние после определенного интервала времени.
Дополнительным признаком подложки, которая может взаимодействовать в двух направлениях, является то, что после установки могут быть выполнены тесты калибровки таким образом, что внутренние компоненты обеспечивают необходимыми коэффициентами преобразования и регулировками, чтобы преобразовывать необработанные данные из сенсоров в соответствующие величины для дальнейшего использования.
Дополнительной функцией электронных компонентов в подложке является то, что данные, полученные из сенсора или сенсоров, могут быть запомнены в устройстве хранения данных, таком как флэш-память, либо до обработки, чтобы делать выводы или обнаруживать преобладающие состояния, либо после анализа, чтобы предоставлять запись предыстории.
Функции устройства хранения данных могут включать в себя хранение данных калибровки для сенсоров, сохранение необработанных данных из сенсоров до выполнения статистического анализа, сохранения спектральных данных, полученных из спектрального анализа ранее сохраненных данных сенсора и сохранения результатов других логически полученных анализов, чтобы создать доступную для запроса запись предыстории для последующей выдачи по расписанию или по требованию.
Дополнительной функцией устройства хранения данных является хранение ключей кодов и адресов доступа, таким образом, что сеть устройств могла быть способна проверять, что трафик передач данных, запросы и ответы являются легитимными и защищенными.
Еще одной функцией устройства хранения данных является обеспечение хранения дополнительных программ программного обеспечения, предназначенных для использования в устройстве обработки данных. Такая способность дает возможность устройствам иметь более широкий набор функциональных возможностей, чем может быть встроен в само устройство обработки данных. С помощью подходящего программирования операционной системы для устройства обработки данных, эта способность может быть расширена таким образом, чтобы дать возможность перепрограммирования устройств после установки. Такие функции являются доступными как часть набора признаков в беспроводных сетях, содержащих сенсоры, производимых в настоящее время Crossbow, Inc., Сан-Хосе, Калифорния. Эти устройства обеспечены функциональной возможностью двухсторонней связи через схемы радиосвязи/процессора, которыми управляют через операционную систему. Операционная система выполняет программное обеспечение, которое дает возможность сенсорам взаимодействовать со схемами радиосвязи/процессора и из них с внешними системами обработки, таким как персональные компьютеры, персональные цифровые ассистенты или Интернет, а также с другими сетями. Использование программного обеспечения обеспечивает большую универсальность или допускает возможность программирования встроенных устройств, которая может быть использована для того чтобы изменять функциональные возможности или исправлять поврежденные или дефектные коды.
Дополнительной функцией электронных компонентов в подложке является то, что можно управлять синхронизацией передач выходных данных. Данные могут быть переданы в предварительно запланированные интервалы времени или после приема сигнала извне. Например, устройство может быть создано с возможностью ответа на запрос информации, как, если это был бы тег RFID. Запрашивающий сигнал не должен быть того же типа, что и переданный ответный сигнал. Например, запрос могли бы формировать импульсы света, обнаруживаемые через полупрозрачный полимерный материал, образующий подложку, в то время как ответ мог бы быть электромагнитной индукцией. Могут быть предусмотрены многочисленные другие комбинации, которые подходят для применения.
Несмотря на то что удобно рассматривать вышеупомянутые функциональные возможности электронных компонентов как обеспечиваемые с помощью микропроцессоров, это может быть как необязательно, так и неэкономично. В зависимости от применения, как замечено выше, требуемые функции могут быть обеспечены с помощью интегральной схемы прикладной ориентации, с помощью программируемой вентильной матрицы, с помощью устройства обработки цифровых сигналов или различных их комбинаций, включая компоненты аналоговых схем, а также дискретные логические схемы и цифровые компоненты. Существенной функцией является способность выбирать результаты измерений от сенсоров и подготавливать их для передачи.
Получение выводов о преобладающих состояниях может быть основано на сравнении считываний из различных сенсоров. Например, подложка, несущая вертикальную нагрузку, может обнаружить, что нагрузка качалась, поскольку считывания давления вблизи противоположных краев подложки изменялись относительно друг друга по фазе. Циклическое поведение могло бы быть локальной механической проблемой, ациклическое поведение могло бы быть вследствие землетрясения или другого возмущения.
При условии, что подложка может передавать и принимать сигналы, подложки могут быть сконфигурированы с возможностью совместной работы, таким образом, что считывания более чем из одной подложки могут быть объединены. Например, специальные сети, соответствующие стандартам для информационной технологии, таким как IEEE802.15.4 (Телекоммуникационный и информационный обмен между системами, включенный в настоящее описание в качестве ссылки), обеспечивают основу для таких взаимодействий. Такое объединение информации может быть обработано с помощью объединения радиосвязи и микропроцессора, такого как устройства “Mica”, изготовленные Crossbow, Inc., Сан-Хосе, Калифорния.
Устройства связи, встроенные в подложку, могут передавать локально обработанные считывания сенсора наружу без создания электрических соединений с помощью использования электромагнитного, акустического или оптического средства. Признаком этой системы является то, что устройство связи может работать в рамках ограничений, наложенных его источником внутренней генерируемой энергии и памятью. Схемы, предназначенные для радиочастотной связи с малым питанием, такие как создание сотовой сети, обеспечивают подход для связи через значительно большие расстояния, чем расстояния, обеспеченные с помощью одного RF передатчика с малым питанием.
Альтернативный признак этого обеспечения предусматривает проводную связь и питание.
Изобретение предусматривает внутреннюю генерацию достаточной электрической энергии для своего функционирования в течение неопределенного периода посредством, например, с помощью сбора результатов небольших относительных перемещений или вибраций граничащих объектов, с использованием пьезоэлектрической генерации или электромеханических генераторов или подобных компонентов, чтобы обеспечивать питанием вышеупомянутые сенсоры, электронные схемы и устройства связи, когда такое питание требуется.
Альтернативой является возможность использовать электрическую энергию, генерируемую с помощью тепла или фотоэлектрической генерации, включая использование лазерного источника энергии, как и когда требуется.
Альтернативный признак этого изобретения дает возможность подавать требуемую электрическую энергию с помощью электромагнитной индукции, либо постоянно, либо только когда требуется, чтобы делать измерение или выбирать данные. Например, небольшое необходимое количество энергии могло бы быть выбрано из переменного магнитного поля тока смежных питающих проводников, несущих петлю гистерезиса.
Альтернативным источником для электрической энергии является использование небольших радиоактивных компонентов, которые создают небольшую, но постоянную генерацию заряда.
Один вариант осуществления этого изобретения дает возможность обеспечения требуемой электрической энергии с помощью электрохимических средств, таких как топливная ячейка, для которой топливо может быть обеспечено, когда необходимо.
Другим источником энергии является батарея масштаба чипа.
Также признаком этого изобретения является то, что электрическая энергия, если сгенерирована медленно в течение большого периода времени, может быть запомнена с помощью электрохимических средств в батарее или с помощью электронных конденсаторов для использования в случаях, когда требуется большая электрическая энергия, чем созданная на постоянной основе.
Альтернативным признаком этого изобретения является использование батареи с высокой плотностью энергии в качестве неперезаряжаемого устройства хранения питания. Примером является батарея на основе литий-тионил хлорида.