以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置的製作方法

2024-01-25 07:47:15 2

專利名稱：以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置。
背景技術：
物聯網技術概念已得到廣泛認同，但物聯網應用的瓶頸在於傳感器工作電能的獲 取方式，以及對電池的依賴，理論上電池在非連續工作狀態下可10年，但實際上受多種因 素影響，如環境溫度、負荷大小，致使實際壽命大大縮短。隨著通訊與網絡技術應用的發展 普及，各行各業各種環境下應用傳感器越來越多，這使得各種就地採能傳感器的技術方案 成為焦點。
在現有的無線傳感網絡中，傳感器節點大部分使用電池供電的方式。目前商用的 電池壽命普遍2-5年，需要定期更換或維護，增加了傳感器節點的維護成本。目前，很多低 功率無線傳感器和控制器的供能系統正逐步轉向採用可替代能源作為主要或輔助供能方 式；最理想的節點供能方式是完全免除增設有線電源或電池的需要，利用物理電源產生 電能轉換正在成為許多應用領域的適用電源，當然也是無線傳感器供能方式的探求方向。
獲取環境能源給節點補充能源甚至是永久供電，是傳感器網絡節點的一種重要的 能量來源。目前商業上可行的解決方案主要有太陽能、風能等，另外，振動能、環境溫差、潮 汐、雨滴動能等新型環境能源也處於研究中，並且在某些特殊場合得以應用，然而這些能源 供給方式往往受到周圍環境的限制，因而不能保證連續供電。由於眾多無線傳感器、遠程監 視器和其他低功率應用設備正逐漸發展成為只使用收集能量的近「零」功率器件，因此結 合現有使用環境(監測發熱電氣連接點溫度)開發一種熱電能量收集系統為無線傳感器節 點供電成為可能。現有技術中的溫差供電傳感器主要指半導體溫差發電器件，它是採用單 電源供電方式為測溫傳感器供電，當溫差無法滿足工作需要的情況則無法正常工作，另外 測溫傳感器無法工作的情況下並不能判斷測溫傳感器的能量採集部分出現故障或是數據 傳輸部分出現故障，無法實現測溫傳感器的連續供電，這是現有技術中的缺陷。發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種以自採能供電為主 的雙電源傳感器裝置，它在溫差滿足工作需要的情況下以半導體溫差發電器件自採能供電 為主，在溫差無法滿足工作需要的情況下切換為電池供電，實現測溫傳感器的連續供電。
本發明所採用的技術方案是本發明涉及的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝 置，包括附著於被測設備上的殼體，該殼體內設置有PCB組件且所述PCB組件上具有用於測 量該被測設備溫度的測溫傳感器，所述PCB組件還包括
為所述測溫傳感器提供第一電源的半導體溫差發電器件，該半導體溫差發電器件 具有一冷端和一熱端，該熱端直接與所述被測設備熱傳導以使熱端的溫度等於被測設備的 溫度;
為所述測溫傳感器提供第二電源的電池；以及
一切換電路，用於切換第一電源和第二電源；當所述冷端和熱端之間溫差低於某 定值時切換為第二電源，當所述冷端和熱端之間溫差在該定值以上時切換為第一電源。
具體來說，所述測溫傳感器包括第一測溫元件和第二測溫元件，該第一測溫元件 的感溫面與所述熱端的感溫面相接觸，該第二測溫元件的感溫面與所述冷端的感溫面相接 觸。該第一測溫元件測得的溫度即為所需測量的被測設備的溫度，該溫度的數據可以通過 無線的發送給採集監測系統中。
進一步，所述PCB組件上還設置有散熱器，該散熱器與所述冷端接觸，冷端的熱量 通過散熱器散發至外界，使其與熱端形成一定的溫差。
進一步，所述殼體附著於被測設備上的方式包括通過捆綁式安裝於被測設備上； 或者通過一高導熱材料的安裝支架固定於被測設備上，所述熱端與該安裝支架接觸。
進一步，所述PCB組件的接地極與安裝支架之間通過一對金屬螺栓螺母組件來連 接，以安裝支架與被測設備作為地極，通過金屬螺栓螺母組件的高導電性，使PCB組件的接 地極良好接地。
進一步，所述PCB組件還包括無線發射天線，可以用於對外發射測得的溫度數據， 在所述殼體上設置有與該無線發射天線形狀相適配的保護罩。
進一步，在所述殼體上設置有一用於將內部的PCB組件整體灌封的灌封口，該灌 封口上蓋設有防水帽。
進一步，所述PCB組件上還設置有工作電源開關，所述殼體上具有一向殼體內部 延伸的開關保護罩以防止該工作電源開關被灌封，這樣在無必要時可以關閉該裝置的工作 電源開關，以免造成不必要的浪費。
進一步，上述的切換電路主要包括以下元件
一比較器，用於判斷所述半導體溫差發電器件的供電儲能電容的電壓值是否超過 比較器的上限閥值；
一帶使能的低壓差線性穩壓器並連接有IO 口，用於關閉和導通半導體溫差發電 器件的供電；
一增強型場效應管，用於關閉和導通電池的供電；以及
兩個結型場效應管，分別用於阻止電流倒灌向電池和低壓差線性穩壓器。
進一步，所述PCB組件的電路還包括有能量收集電路、模數轉換器、微控制器和無 線發送/接收器。
本發明的有益效果是由於本發明是以半導體溫差發電器件作為主要電源，以電 池作為第二電源的傳感器裝置，其中半導體溫差採能是一種新型的自採能技術，它既具有 無噪音、無汙染、適應範圍廣、安全可靠、長期免維護等優勢，在有熱源的地方即可利用溫差 工作以輸出電能供測溫傳感器工作，也能在無熱源地地方通過自動切換激活自帶的電池工 作。此外本發明的零部件少而且全部集中於殼體內部，結構簡單緊湊，體積小，整個裝置可 以通過安裝支架或者直接捆綁固定，安裝及攜帶非常方便。綜上所述本裝置在監測領域具 有廣闊的使用前景。


圖1是本發明的傳感器裝置的內部結構示意圖2是本發明的傳感器裝置的背部設有安裝支架的示意圖3是本發明傳感器裝置的斷面圖4是本發明中PCB組件電路系統的模塊框圖5是本發明中涉及的切換電路以及半導體溫差發電器件輸出後的升壓電路的 示意圖。
具體實施方式
本發明涉及的傳感器裝置包括附著於被測設備上的殼體，該殼體內設置有PCB組 件且所述PCB組件上具有用於測量該被測設備溫度的測溫傳感器，所述PCB組件的雙電源 分別為所述測溫傳感器提供第一電源的半導體溫差發電器件和為所述測溫傳感器提供第 二電源的電池以及用於切換第一電源和第二電源的切換電路。本傳感器裝置附著於被測設 備上的方式可以根據具體使用環境有很多種，例如通過捆綁式安裝於被測設備上，或者通 過一高導熱材料的安裝支架固定於被測設備上，下面就以支架安裝的方式對本發明做進一 步詳細的描述
如圖1和圖2所示，安裝支架4由高導熱金屬材料組成，本發明的傳感器裝置通過 安裝支架4所設的安裝孔4b安裝於被測設備上，從而得出被測設備的溫度，也是作為傳感 器裝置熱量的來源；安裝支架4另一端內設有一凹槽4a，半導體溫差發電器件5的熱端5b 的端面5bl置於凹槽4a內，為半導體溫差發電器件5的熱端5b提供熱源；由於半導體溫差 發電器件5本身具有一定的導熱係數，所以其冷端5a在某些簡單使用條件下可以不設置散 熱器，本實施例則為設置散熱器的情況，如圖1中的散熱器I固定於PCB組件3上，它的平 面端Ia與半導體溫差發電器件5的冷端5a的端面5al直接接觸，作用為給半導體溫差發 電器件5的冷端5a提供散熱。半導體溫差發電器件5通過熱端5b與冷端5a的溫度差，將 熱能轉換為電能，為測溫傳感器以及其它下遊電路提供電源。PCB組件3設有第二測溫元 件6a，第二測溫元件6a的感溫面6al與半導體溫差發電器件5冷端5a的感溫面5a2完全 接觸，用於實時測出冷端5a的溫度。PCB組件3另設有第一測溫元件6b，第一測溫元件6b 的感溫面6bl與半導體溫差發電器件5熱端5b的感溫面5b2完全接觸，用於實時測量出熱 端5b的溫度，同時也是被測設備所需測量點的溫度。
在PCB組件3中設有電池，作為本發明中輔助的第二電源，例如圖1中的鋰電池 3a，當上述半導體溫差發電器件5熱端5b與冷端5a溫差低於某定值或無溫差時，鋰電池3a 將被上述的切換電路自動激活，給第一測溫元件6b及第二測溫元件6a提供電源，從而也可 測出被測設備所需測量點的溫度即為第一測溫元件6b的溫度；當半導體溫差發電器件5的 熱端5b與冷端5a溫度差達到或超過該定值時，半導體溫差發電器件5也會被自動激活從 而提供測溫電源。由此可以理解測溫傳感器是由半導體溫差發電器件5與鋰電池3a自動 轉換供電。
本發明中的殼體是由主殼體2與後蓋8裝配組成，PCB組件3容納於其中。在散 熱器I與PCB組件3之間設有一墊塊7，高度與半導體溫差發電器件5的冷端5a的高度相 同，用於散熱器I安裝時與半導體溫差發電器件5的冷端5a端面5al平衡並接觸充分；後 蓋8上設有一組凸臺8a，高度與半導體溫差發電器件5的熱端5b所突出後蓋8的高度相 同，作用是使安裝支架4與熱端5b的端面5bl保持平衡並接觸充分。後蓋8另設有一讓位孔8b，作用為給第一測溫元件6b讓位及固定。
在PCB組件3中設有無線發射天線3b，主殼體2上設有一薄層的保護罩2b，用於 保護無線發射天線3b而不影響其無線發射。PCB組件3中另設有貼片螺母3d，貼片螺母3d 焊接於PCB組件3的接地極，安裝支架4與被測設備接觸固定且作為地極，螺栓或螺釘10 通過鎖置安裝支架4與貼片螺母3d連接，上述的貼片螺母3d以及螺栓或螺釘10都是金屬 導電的，這樣使得PCB組件3的接地極能有效的接地。
如圖1和圖3，在主殼體2上還設有一灌封口 2a，用於將PCB組件3整體灌封，灌 封完成後，用防水帽9蓋住灌封口 2a，作用為防水防塵及保持外觀整體性。在主殼體2上設 有另一組開關保護罩2c且延伸至殼體內部，PCB組件3內設有總的工作電源開關3c，當灌 封時開關保護罩2c保護工作電源開關3c不會被灌封上，從而可有效控制本裝置的電源，使 其在不工作時造成不必要的浪費。
如圖4所示，PCB組件的電路系統模塊框圖包括連接在某個發熱源上的熱電發生 器(下文簡稱TEG)，即前面所述的半導體溫差發電器件5。當熱電發生器的兩端有溫差的時 候，它能夠將很小的溫差轉換為電能，產生的電能隨後均可由一個能量收集電路進行轉換 並被變更為一種可用的形式，用於給下遊電路供電。這些下遊電子線路通常將包括測溫傳 感器、模數轉換器和一個超低功率的微控制器，上述組件可以獲取該收集的能量(如今以 電流的形式存在)並喚醒測溫傳感器，以獲得一個讀數或測量結果，然後使該數據可通過 一個超低功率的無線發送/接收器進行傳輸，即通過圖1中所示的無線發射天線3b將測得 的溫度數據發射傳輸給監測系統。
如圖5所示，TEG輸出後的升壓電路使用典型的反激式轉換器，為測量TEG的開路 電壓使用Q2來斷開後端負載，通過IO 口來控制Q2。由於微處理器(單片機)以及測溫傳感 器的後續處理電路等都可以是現有技術，在此並未具體圖示作詳細說明；例如測溫傳感器 的電路可以使用PT100(第一測溫元件)來測量熱端的溫度，後續的信號放大電路可使用零 漂移的運放0PA333，PT100的電橋供電由單片機的AD基準電壓提供，保證了後續運算的精 度，另外0PA333的供電由單片機的IO 口控制，測量電路的供電均可關斷，保證了整個電路 的低功耗。另外可使用貼片測溫IC (第二測溫元件)來測量冷麵的溫度，IC由IO 口供電， 測量電路的供電均可關斷，保證了整個電路的低功耗。
圖5中所示的虛線內的為本發明的切換電路，它包括兩個結型場效應管(簡稱 JFET), 一個增強型場效應管(簡稱PM0S)，一個帶使能的低壓差線性穩壓器(簡稱LD0)，一 個帶中斷功能IO 口以及一個比較器。其工作過程如下
當TEG供電儲能電容電壓值超過比較器的上限閥值時(即冷端和熱端之間的溫差 在預定值以上時)，比較器輸出高電平，帶使能的LDO導通，輸出2. 4V電源供給後續電路使 用，同時關斷Q3 (PMOS)斷開電池Al供電，此時連接LDO的IO 口置高通知單片機現在為 TEG供電。同時結型場效應管Q5的使用阻止了 TEG供電時LDO的電流不會倒灌向電池Al， 保證了整個電路的低功耗，另外也不會降低電池Al的輸出電壓。當TEG供電儲能電容電壓 值低於比較器的下限閥值時(即冷端和熱端之間的溫差小於該預定值時)，比較器輸出低電 平，關斷LD0，後續電路供電停止，此時Q3 (PMOS)導通，電路切換到由電池Al供電，連接LDO 的IO 口置低通知單片機現在為電池供電，同樣結型場效應管Q6的使用阻止了電池Al供電 時電流灌向LD0，保證了整個電路的低功耗，另外也不會降低LDO的輸出電壓。
權利要求
1.一種以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，包括附著於被測設備上的殼體，該殼體內設置有PCB組件且所述PCB組件上具有用於測量該被測設備溫度的測溫傳感器，其特徵在於，所述PCB組件還包括為所述測溫傳感器提供第一電源的半導體溫差發電器件，該半導體溫差發電器件具有一冷端和一熱端，該熱端直接與所述被測設備熱傳導以使熱端的溫度等於被測設備的溫度；為所述測溫傳感器提供第二電源的電池；以及一切換電路，用於切換第一電源和第二電源；當所述冷端和熱端之間溫差低於某定值時切換為第二電源，當所述冷端和熱端之間溫差在該定值以上時切換為第一電源。
2.根據權利要求1所述的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特徵在於，所述測溫傳感器包括第一測溫元件和第二測溫元件，該第一測溫元件的感溫面與所述熱端的感溫面相接觸，該第二測溫元件的感溫面與所述冷端的感溫面相接觸。
3.根據權利要求1所述的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特徵在於，所述 PCB組件上還設置有散熱器，該散熱器與所述冷端接觸。
4.根據權利要求1或2或3所述的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特徵在於，所述殼體附著於被測設備上的方式包括通過捆綁式安裝於被測設備上；或者通過一高導熱材料的安裝支架固定於被測設備上，所述熱端與該安裝支架接觸。
5.根據權利要求4所述的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特徵在於，所述 PCB組件的接地極與安裝支架之間通過一對金屬螺栓螺母組件來連接。
6.根據權利要求1或2或3所述的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特徵在於，所述PCB組件還包括無線發射天線，在所述殼體上設置有與該無線發射天線形狀相適配的保護罩。
7.根據權利要求1或2或3所述的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特徵在於，在所述殼體上設置有一用於將內部的PCB組件整體灌封的灌封口，該灌封口上蓋設有防水帽。
8.根據權利要求7所述的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特徵在於，所述 PCB組件上還設置有工作電源開關，所述殼體上具有一向殼體內部延伸的開關保護罩以防止該工作電源開關被灌封。
9.根據權利要求1或2或3所述的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特徵在於，所述切換電路包括一比較器，用於判斷所述半導體溫差發電器件的供電儲能電容的電壓值是否超過比較器的上限閥值；一帶使能的低壓差線性穩壓器並連接有IO 口，用於關閉和導通半導體溫差發電器件的供電；一增強型場效應管，用於關閉和導通電池的供電；以及兩個結型場效應管，分別用於阻止電流倒灌向電池和低壓差線性穩壓器。
10.根據權利要求1或2或3所述的以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特徵在於，所述PCB組件的電路還包括有能量收集電路、模數轉換器、微控制器和無線發送/接收器。
全文摘要
本發明公開了一種以自採能供電為主的雙電源傳感器裝置，它包括附著於被測設備上的殼體，該殼體內設置有PCB組件且所述PCB組件上具有用於測量該被測設備溫度的測溫傳感器，所述PCB組件還包括為所述測溫傳感器提供第一電源的半導體溫差發電器件；為所述測溫傳感器提供第二電源的電池；以及一切換電路，用於切換第一電源和第二電源。在溫差滿足工作需要的情況下切換為第一電源，以半導體溫差發電器件自採能供電為主，在溫差無法滿足工作需要的情況下切換為第二電源的電池供電，這樣可實現測溫傳感器在不同條件下的連續供電。
文檔編號G01K1/00GK103017913SQ20121035078
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月19日 優先權日2012年9月19日
發明者楊志強, 汪俊, 安羽, 田斌 申請人:珠海一多監測科技有限公司