基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統的製作方法
2023-05-27 02:42:26 1
專利名稱：基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用於無線傳感器的自供能系統，尤其是一種基於空間電磁能的無 線傳感器自供能系統。
背景技術：
目前無線傳感器網絡是由大量分布式傳感器節點組成的面向目標信息的實時監測網絡， 其最突出優點是傳感節點佔用空間小和無線數據傳輸方式，特別適用於環境條件複雜苛刻、 布線困難的工業環境，被認為是未來傳感器技術的發展方向。然而，無線傳感器技術並未像 人們當初預想的那樣快速市場化，其中非常關鍵的一個制約瓶頸便是能量供給問題。
為解決無線傳感器的供能問題，人們研究了許多方法①增加電池的儲能密度，但電池 儲能總有一定限度，因此供能壽命有限，需重複充電，體積與質量較大，頻繁更換電池既不 經濟也不現實；②降低傳感器功耗以延長使用壽命，但僅可推後電池更新時間，無法從根本 上解決傳感器的持續供能問題。為此，自供能技術應運而生。它是一種通過收集周圍環境中 其它形式的能量並將其轉換成電能，為傳感器或其它電子設備提供安全、穩定、高效、理論 上無壽命限制的電能供給技術。自供能技術以其獨有的自持續性(self-sustaining)特點，大 大拓展了無線傳感器網絡的應用空間。
根據周圍空間可利用潛在能量源形式，如太陽能、振動能、化學能、風能、聲能、熱能、 電磁能等，自供能技術採取的電能轉換機理和方法也各異。基於光伏效應的太陽能電池發展 較為成熟，具有清潔、環保、價廉、可再生的優點，但其輸出功率受時間、天氣等因素影響 太大而不穩定；再者，提高收集能量時需顯著增大電池板面積，這與傳感器節點微小化的要 求相矛盾。基于振動的電能轉換原理分為電磁式、靜電式和壓電式，該類能量收集器具有體 積小、感測頻率高、工藝兼容性好、適於惡劣環境等優點，但目前還存在輸出功率偏小、集 成度不高、裝配精度較低等缺點，實用化的可能性較小。此外，基於熱能、風能與聲能等的 多種自供能技術，儘管原理新穎，但大多處於實驗室研究階段，離大規模應用還有較大距離。
無線傳感器採用何種自供能技術需要綜合考慮周圍環境因素影響，在眾多潛在能源中選 擇最優集能方式。隨著變電站綜合自動化技術的發展，兼具技術與經濟優勢的無線傳感器網 絡在該領域的應用前景廣闊。變電站內不僅工頻高壓母線與連接線纜密布，而且電暈放電與 操作衝擊等現象時時發生，自然形成了"工頻與高頻共生，近場與遠場耦合交融，傳導與輻射 並存"的空間強場環境。500kV變電站的實測數據表明，電場強度可達18kV/m,磁場強度可 達7.62/zT。因此，針對變電站的特殊電磁環境，收集豐富的電磁場能量為無線傳感器供電，具有其他自供能方法無法比擬的優點。其既不像太陽能受黑夜及天氣影響巨大，也不像振動能那樣需要密切的物理接觸，在變電站特殊環境條件下可實現對無線傳感器提供穩定、持續、經濟的能源，對無線傳感器網絡的廣泛應用和變電站自動化的發展具有重大意義。
實用新型內容
本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種結構簡單，應用方便，節省能源，經濟實用，可有效解決無線傳感器節點能量供給瓶頸問題的基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統。
為實現上述目的，本實用新型採用下述技術方案
一種基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統，包括電場能量收集裝置、磁場能量收集裝置和電能調理單元，電場能量收集裝置和磁場能量收集裝置通過導線分別與電能調理單元連接。
所述電場能量收集裝置為球形收集電容，其包括上下兩個金屬半球殼，上下兩個金屬半球殼之間設有絕緣介質層，上下兩個金屬半球殼內通過一高頻開關連接。
所述磁場能量收集裝置為磁能收集感應環，其由若干個相同圓環按一定空間角度均勻交叉排列成球形，每個圓環皆由若干匝導線纏繞而成。
所述電能調理單元包括依次連接的整流電路、存儲電路和穩壓輸出電路。整流電路為四個二極體組成的橋式整流電路，用一個超級電容器實現存儲電路的存儲功能，通過現有的可編程穩壓電路可實現2 5伏的穩定電壓輸出。
所述電能調理單元和電場能量收集裝置設置於磁場能量收集裝置內。
本實用新型的有益效果為原理簡單，實現方便，充分利用了高壓變電站中電磁能量豐富的固有優勢，可有效解決無線傳感器節點的能量供給瓶頸問題。自供能裝置結構簡單，體積適中，安裝方便，穩定高效，經濟實用，對推廣無線傳感器網絡技術和實現變電站綜合自動化具有重大意義。
圖1為本實用新型的整體流程示意圖；圖2為球形集能電容結構圖3(a)為磁能收集感應環的正視圖3(b)為磁能收集感應環的俯視其中，Ml、 M2分別為上、下兩個金屬半球殼，J為絕緣介質層，S為高頻開關；U、 L2
和L3為不同圓環。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖l-圖3中， 一種基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統，包括電場能量收集裝置、磁場能量收集裝置和電能調理單元，電場能量收集裝置和磁場能量收集裝置通過導線分別與電能調理單元連接。
所述電場能量收集裝置為球形收集電容，其包括上下兩個金屬半球殼，上下兩個金屬半球殼之間設有絕緣介質層，上下兩個金屬半球殼內通過一高頻開關連接。
所述磁場能量收集裝置為磁能收集感應環，其由若干個相同圓環按一定空間角度均勻交叉排列成球形，每個圓環皆由若千匝導線纏繞而成。
所述電能調理單元包括依次連接的整流電路、存儲電路和穩壓輸出電路。整流電路為四個二極體組成的橋式整流電路，用一個超級電容器實現存儲電路的存儲功能，通過現有的可編程穩壓電路可實現2 5伏的穩定電壓輸出。
所述電能調理單元和電場能量收集裝置設置於磁場能量收集裝置內。
圖l為基於空間電磁能的自供能技術整體方案示意圖。步驟A為電場能收集，利用本實用新型提出的球形集能電容將電場能轉化電能；步驟B為整流，將從球形電容得到的波形較差的電流調理為理想波形；步驟C為存儲，將整流後的電流存儲到電容器中方便無線傳感器使用；步驟D為輸出，為無線傳感器提供穩定的電壓輸出。步驟E為磁能收集部分，因磁能相對較弱，轉化的電能有限，僅作為輔助能量源接入存儲電路。
圖2為球形集能電容結構，包括上下兩個金屬半球殼M和M2,中間J為絕緣介質層以及一高頻開關S。開關斷開時，根據電磁感應原理，由上下兩個金屬半球殼M,和M2組成的兩金屬電極板之間將出現電壓差，金屬電極板上出現感應電荷；開關閉合時將兩金屬電極板短路，將產生一個短路脈衝電流， 一旦感應電荷都隨著脈衝短路電流傳導出去，兩金屬電極板之間電壓差為零；結束兩金屬電極板短路，電壓差出現，兩金屬電極板上將會感應出新的電荷可供提取。以較高的頻率重複上述過程，就可得到由電場能量轉化而來的間歇電流，實現了電場能到電能的簡單轉化。這種拓撲結構有以下優點①易於計算其表面感應電荷與電場的關係；②近似封閉的金屬面還為內置調理電路提供了電磁屏蔽；③電場的畸變程度較小，可避免可能的尖端放電現象。
圖3(a)和圖3(b)分別為磁能收集感應環的正視圖和俯視圖。磁能收集感應環由數個相同圓環按一定空間角度均勻交叉排列成球形，每個圓環皆由若干匝導線纏繞而成。為說明方便，本圖僅採用3個圓環L" L2和Ls，相隔120度交叉排列，(a)為正視圖，(b)為俯視圖。實際應用中，圓環的個數可根據現場需要制定。磁場能量的收集方法類似於天線接受電磁波，根據電磁感應定律，當磁能收集感應環中的線圈交鏈空間磁通變化時，線圈中將感生電動勢，同球形電容一樣，通過在線圈的兩齣線端設置高頻開關，開關閉合時由於感應電動勢的存在而產生電流，實現磁能到電能的轉化。各圓環位置按一定空間角度交叉排列，利於收集來自各個方向的高頻磁場，從而儘可能多地收集磁場能量。
由圖1所示，球形收集電容和磁能收集感應環都可得到斷續間歇電流，該電流經過後續的整理和存儲迴路後，即可為無線傳感器供電。
權利要求1.一種基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統，其特徵在於，包括電場能量收集裝置、磁場能量收集裝置和電能調理單元，電場能量收集裝置和磁場能量收集裝置通過導線分別與電能調理單元連接。
2. 根據權利要求1所述的基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統，其特徵在於，所述 電場能量收集裝置為球形收集電容，其包括上下兩個金屬半球殼，上下兩個金屬半球殼之間 設有絕緣介質層，上下兩個金屬半球殼內通過一高頻開關連接。
3. 根據權利要求1所述的基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統，其特徵在於，所述 磁場能量收集裝置為磁能收集感應環，其由若干個相同圓環按一定空間角度均勻交叉排列成 球形，每個圓環皆由若干匝導線纏繞而成。
4. 根據權利要求1所述的基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統，其特徵在於，所述 電能調理單元包括依次連接的整流電路、存儲電路和穩壓輸出電路，整流電路為四個二極體 組成的橋式整流電路，存儲電路由一個超級電容器組成。
5. 根據權利要求1所述的基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統，其特徵在於，所述 電能調理單元和電場能量收集裝置設置於磁場能量收集裝置內。
專利摘要本實用新型涉及一種基於空間電磁能的無線傳感器自供能系統，包括電場能量收集裝置、磁場能量收集裝置和電能調理單元，電場能量收集裝置和磁場能量收集裝置通過導線分別與電能調理單元連接。本實用新型的有益效果為原理簡單，實現方便，充分利用了高壓變電站中電磁能量豐富的固有優勢，可有效解決無線傳感器節點的能量供給瓶頸問題。本實用新型自供能裝置，結構簡單，體積適中，安裝方便，穩定高效，經濟實用，對推廣無線傳感器網絡技術和實現變電站綜合自動化具有重大意義。
文檔編號H02J15/00GK201417967SQ20092002757
公開日2010年3月3日 申請日期2009年6月16日 優先權日2009年6月16日
發明者呂鑫昌, 黎 張, 李慶民, 黃金鑫 申請人:山東大學