集成無線能量發射和接收裝置的傳感器系統的製作方法

2023-06-12 13:53:56

專利名稱：集成無線能量發射和接收裝置的傳感器系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器領域，具體而言，本發明涉及集成無線能量發射和接收裝置的傳感器。
背景技術：
傳感器為能感受規定的被測量並按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置， 通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器作為一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，並能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。目前，傳感器例如光電、振動、壓電等，在人類活動的各個領域的應用都極為廣泛， 傳感器作為一個信號源，其後續調理電路包括電荷的放大、濾噪及數模轉換等處理，這就需要額外提供電壓源。由此，使得傳感器系統的供電裝置複雜。並且，在考慮傳感器的應用前景時，僅考慮其信號的分析，而其所實現的其他如光、機械等能量轉化成的電能則沒有合理應用的方案。另一方面，傳感器在實現能量轉化方面可以作為能量轉換器，能夠實現其他形式的能量向電能的轉換。在低碳新能源的開發中，該能量轉換可以應用在發電裝置中作為潛在新能源。以壓電傳感器為例，目前諸多的應用前景主要是利用公路路面振動能量壓電發電用於道路燈具系統，實現壓電地板、保溫鞋等裝置實現能量的收集，主要局限於能量的直接應用或能量的存儲。傳感器和發電器都是作為單獨的設備有著應用或應用前景。傳感器系統都需要直流或交流電壓裝置提供其信號處理電路的電源，由此帶來的便攜、綠色性能差，對環境要求高。傳感器系統也是機械能轉換為電能的換能器，不對該能量進行合理利用，造成能量的損失。目前的傳感或發電元件的功能單一，往往僅從實現傳感或發電功能等單一目標來出發。目前為止，尚沒有將傳感器和發電裝置結合使用，即在實現傳感的同時對其產生的信號進行存儲利用，輸出信號可儲存或經過無線發射裝置發射出去，經由能量接收裝置接收。目前也沒有將傳感器的轉換能量應用在其自身的能量需求上。

發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別針對將傳感器的轉換能量應用在其自身的能量需求上，滿足傳感目的的同時實現發電功能，以實現節能、環保的發電方式，提出了一種集成無線能量發射和接收裝置的傳感器系統。為實現上述目的，本發明的實施例的一個方面提出了一種集成無線能量發射裝置的傳感器系統，將無線能量發射裝置集成於傳感器系統，將傳感換能產生的能量作為所述傳感器系統的信號處理電路的能量源。根據本發明的實施例，所述傳感器系統包括傳感元件，所述傳感元件對外界能源信號進行感應，以轉換所述能源信號為電信號；整流濾波器，所述整流濾波器對所述電信號進行整流濾波，以得到穩定連續的充電電流；電壓調整器，所述電壓調整器將所述充電電流調整到預定電壓；能量存儲器，所述能量存儲器以化學能形式將預定電壓的所述充電電流進行存儲；以及整流逆變器，所述整流逆變器將所述化學能逆變為所述傳感器系統的信號處理電路所需的能量源，其中信號處理電路包括所述整流濾波器和所述電壓調整器。當所述傳感器系統傳感換能產生的能量大於所述傳感器系統的信號處理電路需要的能量時，利用所述無線發射裝置將剩餘能量發射出去供其他負載使用。所述無線能量發射裝置通過無線電磁能量傳播方式傳輸所述傳感器系統產生的能量°本發明的實施例的另一方面提出了一種集成無線能量接收裝置的傳感器系統，將無線能量接收裝置集成於傳感器系統，將傳感換能產生的能量作為所述傳感器系統的信號處理電路的能量源。根據本發明的實施例，所述傳感器系統包括傳感元件，所述傳感元件對外界能源信號進行感應，以轉換所述能源信號為電信號；整流濾波器，所述整流濾波器對所述電信號進行整流濾波，以得到穩定連續的充電電流；電壓調整器，所述電壓調整器將所述充電電流調整到預定電壓；能量存儲器，所述能量存儲器以化學能形式將預定電壓的所述充電電流進行存儲；以及整流逆變器，所述整流逆變器將所述化學能逆變為所述傳感器系統的信號處理電路所需的能量源，其中信號處理電路包括所述整流濾波器和所述電壓調整器。當所述傳感器系統傳感換能產生的能量小於所述傳感器系統的信號處理電路需要的能量時，利用所述無線能量接收裝置從外界能量源接收能量。所述傳感器系統的信號處理電路需要的能量通過所述傳感器系統傳感換能產生的能量和/或所述無線能量接收裝置從外界能量源接收的能量提供。並且，所述無線能量接收裝置通過無線電磁能量傳播方式接收外界能量源的能量。本發明的實施例的再一方面提出了一種傳感器系統，所述傳感器系統包括傳感元件，所述傳感元件對外界能源信號進行感應，以轉換所述能源信號為電信號；整流濾波器，所述整流濾波器對所述電信號進行整流濾波，以得到穩定連續的充電電流；電壓調整器，所述電壓調整器將所述充電電流調整到預定電壓；能量存儲器，所述能量存儲器以化學能形式將預定電壓的所述充電電流進行存儲；以及整流逆變器，所述整流逆變器將所述化學能逆變為負載所需的能量。根據本發明實施例提供的傳感器系統，合理將傳感元件的傳感與發電功能結合起來，傳感換能產生的能量可以作為其自身信號處理電路或其他負載的能量源，實現節能綠色發電和傳感。此外，將傳感元件和無線能量發射和接收裝置集成在一起，以實現能量的無線傳輸。當傳感元件的傳感功耗大於其自身所提供的能量時，可以由無線能量接收器件接收外界的發射能量，省略了大體積的電壓源，降低了對環境的要求。當傳感元件的傳感功能的耗能小於其自身所提供的能量時，可以由無線能量發射器件將剩餘能量發射出去，供其他用途來使用。利用傳感元件的傳感與發電性能，使之在使用過程中相結合，在滿足傳感目的的同時實現發電功能，以實現節能、環保的發電方式。
本發明提出的上述方案，對現有系統的改動很小，不會影響系統的兼容性，而且實現簡單、高效。本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。


本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為根據本發明實施例的傳感器系統的結構框圖；圖2為根據本發明實施的集成無線能量發射裝置的傳感器系統的結構框圖；圖3為根據本發明實施的集成無線能量接收裝置的傳感器系統的結構框圖；圖4為根據本發明實施例無線能量發射和接收裝置與傳感器系統的傳輸能量示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。參考圖1，該圖為根據本發明實施例的傳感器系統的結構框圖。如圖1所示，本發明實施例的傳感器系統包括所述傳感器系統包括傳感器2、能量存儲器3以及整流逆變器4。其中，傳感器2包括傳感元件22、整流濾波器M以及電壓調整器26。傳感元件22對外界能源信號，例如力、光、熱等信號進行感應，並轉換所述能源信號為電信號。但是，該信號沒有穩定的較長時間的連續充電電流，因此需要利用整流濾波器 24對該電信號進行整流濾波，以得到穩定連續的充電電流。並且，由電壓調整器沈將整流濾波器M輸出的充電電流調整到預定電壓。能量存儲器3則以化學能形式將電壓調整器沈輸出的預定電壓的充電電流進行存儲，能量存儲器3可以例如是蓄電池等設備，其中能量存儲器3的容量及其他的特性參數可以依照傳感器2換能量的大小而合理選擇。化學能形式的能量可以進一步通過整流逆變器4，從而將化學能逆變為負載10所需的交流或直流電供給其他負載用戶使用。當整流逆變器4將化學能逆變成傳感器2所需的電能、提供給傳感器2時，從而傳感器系統換能產生的能量可以用作其自身信號處理電路的能量源，其中信號處理電路可以包括整流濾波器M、電壓調整器沈以及其他的傳感器後續調理電路，例如電荷放大、濾噪及數模轉換等處理電路(圖中未顯示)。當然，整流逆變器4輸出的電能也可以為傳感元件 22和其信號處理電路連接時所需的電學器件或電路供電。相比目前傳感器系統需要直流或交流電壓裝置提供其信號處理電路的電源，本發明的便攜性能好，而且對環境要求較低。圖2示出了本發明實施例的集成無線能量發射裝置的傳感器系統的結構框圖。如圖中所示，將無線能量發射裝置5集成於傳感器系統，將傳感器系統傳感換能產生的能量作為其自身信號處理電路的能量源。結合圖4所示，傳感器系統為實現傳感的目的，其信號處理電路需要消耗外界能量，該能量可以通過其自身所產生的能量提供。根據本發明實施例，將傳感器系統和無線能量發射裝置5集成在一起，傳感器系統的傳感元件產生的電荷通過無線電磁能量傳播方式進行傳輸。其將傳感換能產生的能量可以作為其自身信號處理電路的能量源。當傳感器系統傳感換能產生的能量大於其傳感元件的傳感功耗，即其信號處理電路需要的能量時，利用無線能量發射裝置5將剩餘能量發射出去，以供其他的設備應用。結合圖4可知，無線能量發射裝置5可將蓄電池等能量存儲器4中的剩餘能量發射給外部負載或者能量存儲裝置6。無線能量發射裝置5可以通過無線電磁能量傳播方式傳輸傳感器系統產生的能量。無線能量發射裝置5是將剩餘能量傳輸出去的一個裝置，該能量可以作為外界能量源供其他耗能負載使用，並經由能量發射站如射頻等無線傳輸方式發射出去。本發明實施例的另一方面公開了一種集成無線能量接收裝置的傳感器系統，圖3 示出了上述集成無線能量接收裝置的傳感器的結構示意圖。如圖3中所示，將無線能量接收裝置7集成於傳感器系統，將傳感換能產生的能量作為傳感器系統的信號處理電路的能量源。當傳感器系統傳感換能產生的能量小於其傳感元件的傳感功耗時，即其自身提供的能量已經不能滿足需要時，由無線能量接收裝置7接收來自外界的能量源8。其中，外界能量源8是經由電磁傳輸的能量。由此，可以省略大體積的電壓源，降低了對環境的要求。外界能量源8 一般來講是能量發射電站，該能量發射站與無線能量接收器7之間能定點傳輸能量；另外，該結構還可以與各種將其他的能量轉換為電能的裝置集成，將其他能源轉換為電能的裝置有將機械能、太陽能、風能等轉換為電能的裝置。具體的說，結合圖4所示，傳感器系統為實現傳感的目的，其信號處理電路需要消耗外界能量。該能量可以通過其自身所產生的能量，也可以通過無線能量接收裝置7接收來自外界能量源8，例如能量發射站或者集成的換能裝置的能量。根據本發明實施例，將傳感器系統和無線能量接收裝置7以及無線能量發射裝置 5集成在一起，傳感器系統的傳感元件產生的電荷通過無線電磁能量傳播方式進行傳輸。其將傳感換能產生的能量可以作為其自身信號處理電路的能量源。當傳感器系統傳感換能產生的能量大於其傳感元件的傳感功耗，即其信號處理電路需要的能量時，利用無線能量發射裝置5將剩餘能量發射出去，以供其他的設備應用。結合圖4可知，無線能量發射裝置5 可將剩餘能量發射給無線能量接收裝置7和/或外部負載或者能量存儲裝置6。當傳感器系統傳感換能產生的能量小於其傳感元件的傳感功耗時，即其自身提供的能量已經不能滿足需要時，由無線能量接收裝置7接收來自外界能量源8。其中，外界能量源8是經由電磁傳輸的能量。由此，可以省略大體積的電壓源，降低了對環境的要求。在傳感器系統傳感換能產生的能量大於或小於其傳感元件的傳感功耗的前提下， 控制①和②對應的開通或斷開狀態，從而確定由無線能量發射裝置5將來自整流逆變器4 的剩餘能量發射出去，還是由無線能量接收裝置7接收來著外界能量源8的外部能量。
優選的，傳感器系統的傳感元件包括壓力傳感器、壓電傳感器或磁力傳感器。上述類型的傳感器均可與無線能量發射裝置和/或無線能量接收裝置相集成，實現上述實施例中涉及的功能。根據本發明實施例提供的集成無線能量發射和接收裝置的傳感器系統，合理將傳感元件的傳感與發電功能結合起來，實現節能綠色發電和傳感。將傳感元件和無線能量發射和接收系統集成在一起，以實現能量的無線傳輸。當傳感元件的傳感功耗大於其自身所提供的能量時，可以由無線能量接收器件接收外界的發射能量，省略了大體積的電壓源，降低了對環境的要求。當傳感元件的傳感功能的耗能小於其自身所提供的能量時，可以由無線能量發射器件將剩餘能量發射出去，供其他用途來使用。利用傳感元件的傳感與發電性能，使之在使用過程中相結合，在滿足傳感目的的同時實現發電功能，以實現節能、環保的發電方式。本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法攜帶的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬體完成，所述的程序可以存儲於一種計算機可讀存儲介質中， 該程序在執行時，包括方法實施例的步驟之一或其組合。另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以採用硬體的形式實現，也可以採用軟體功能模塊的形式實現。所述集成的模塊如果以軟體功能模塊的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁碟或光碟等。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，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明的保護範圍。
權利要求
1.一種傳感器系統，其特徵在於，所述傳感器系統包括傳感元件，所述傳感元件對外界能源信號進行感應，以轉換所述能源信號為電信號； 整流濾波器，所述整流濾波器對所述電信號進行整流濾波，以得到穩定連續的充電電流；電壓調整器，所述電壓調整器將所述充電電流調整到預定電壓；能量存儲器，所述能量存儲器以化學能形式將預定電壓的所述充電電流進行存儲；以及整流逆變器，所述整流逆變器將所述化學能逆變為負載所需的能量。
2.如權利要求1所述的傳感器，其特徵在於，所述負載包括所述整流濾波器和所述電壓調整器。
3.一種集成無線能量發射裝置的傳感器系統，其特徵在於，無線能量發射裝置與傳感器系統集成在一起，所述傳感器系統傳感換能產生的能量作為所述傳感器系統的信號處理電路的能量源。
4.如權利要求3所述的傳感器系統，其特徵在於，所述傳感器系統包括傳感元件，所述傳感元件對外界能源信號進行感應，以轉換所述能源信號為電信號； 整流濾波器，所述整流濾波器對所述電信號進行整流濾波，以得到穩定連續的充電電流；電壓調整器，所述電壓調整器將所述充電電流調整到預定電壓；能量存儲器，所述能量存儲器以化學能形式將預定電壓的所述充電電流進行存儲；以及整流逆變器，所述整流逆變器將所述化學能逆變為所述傳感器系統的信號處理電路所需的能量源，其中信號處理電路包括所述整流濾波器和所述電壓調整器。
5.如權利要求3或4所述的傳感器系統，其特徵在於，當所述傳感器系統傳感換能產生的能量大於所述傳感器系統的信號處理電路所需的能量時，利用所述無線能量發射裝置將剩餘能量發射出去供其他負載使用。
6.如權利要求5所述的傳感器系統，其特徵在於，所述無線能量發射裝置通過無線電磁能量傳播方式傳輸所述傳感器系統產生的能量。
7.一種集成無線能量接收裝置的傳感器系統，其特徵在於，無線能量接收裝置與所述傳感器系統集成在一起，所述傳感器系統傳感換能產生的能量作為所述傳感器系統的信號處理電路的能量源。
8.如權利要求7所述的傳感器系統，其特徵在於，所述傳感器系統包括傳感元件，所述傳感元件對外界能源信號進行感應，以轉換所述能源信號為電信號； 整流濾波器，所述整流濾波器對所述電信號進行整流濾波，以得到穩定連續的充電電流；電壓調整器，所述電壓調整器將所述充電電流調整到預定電壓； 能量存儲器，所述能量存儲器以化學能形式將預定電壓的所述充電電流進行存儲；以及整流逆變器，所述整流逆變器將所述化學能逆變為所述傳感器系統的信號處理電路所需的能量源，其中信號處理電路包括所述整流濾波器和所述電壓調整器。
9.如權利要求7或8所述的傳感器，其特徵在於，當所述傳感器系統傳感換能產生的能量小於所述傳感器系統的信號處理電路所需的能量時，利用所述無線能量接收裝置從外界能量源接收能量。
10.如權利要求9所述的傳感器，其特徵在於，所述無線能量接收裝置通過無線電磁能量傳播方式接收外界能量源的能量。
11.如權利要求7或8所述的傳感器系統，其特徵在於，所述傳感器系統的信號處理電路所需的能量由所述傳感器系統產生的能量和/或所述無線能量接收裝置從外界能量源接收的能量提供。
全文摘要
本發明公開了一種傳感器系統，包括傳感元件，對外界能源信號進行感應，以轉換所述能源信號為電信號；整流濾波器，對所述電信號進行整流濾波，以得到穩定連續的充電電流；電壓調整器，將所述充電電流調整到預定電壓；能量存儲器，以化學能形式將預定電壓的所述充電電流進行存儲；以及整流逆變器，將所述化學能逆變為負載所需的能量。本發明的傳感器系統利用傳感元件的傳感與發電性能，使之在使用過程中相結合，在滿足傳感目的的同時實現發電功能，以實現節能、環保的發電方式。
文檔編號H02J7/00GK102377249SQ20101025070
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月11日 優先權日2010年8月11日
發明者孔延梅, 鍾匯才 申請人:中國科學院微電子研究所