CN104716867B - 能量收集传感器及能量管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量收集传感器及能量管理系统。能量收集传感器包括：外壳，外壳通过第一螺钉固定至一外部振动源并且被振动源的振动带动而产生振动；压电陶瓷，压电陶瓷被外壳的振动带动而产生振动、并且产生电荷；处理电路，处理电路通过第四螺钉固定至外壳内侧的底部、通过导线连至压电陶瓷并接收来自压电陶瓷的电荷、对电荷进行处理并输出电信号，其中，外壳上还设有电缆接头，电缆接头通过导线耦接至处理电路、并且将来自处理电路的电信号传递至能量收集传感器外部的输出电缆。本发明的能量收集传感器及能量管理系统，将太阳能、振动能量、外接电能三者有序处理并且根据用户使用需求提供不同的电源输出形式。

Description

能量收集传感器及能量管理系统

技术领域

本发明涉及衡器领域，尤其涉及能量收集传感器以及含有能量收集传感器的能量管理系统。

背景技术

在衡器行业中，不同应用的场合，设备运行时会产生大量能量，而这些能量目前没有利用，比如：汽车在运动过程时，秤台和地面会产生一定的振动，而这些振动的能量是白白浪费了；在过程称重时，物品在上秤和下秤时，由于间隙，同样会产生大量的能量。

目前的车辆衡在安装时，都要做路基和线缆槽，使安装非常不便，周期长，如果采用无线传输，就可以解决上述某些方面问题。但无线的供电就需要可靠的解决。尽管无线技术正得到大量应用，而无线技术对电能的持续性使用有非常高的需求，仪表长时间使用，电池供电不足，会给客户带来不便。若能将称重过程中产生的大量能量转变为电能使用，将会大大优化车辆衡的系统设计，并且给客户带来巨大方便。

发明内容

应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。

针对现有技术中的缺陷，本发明设计了一种能量收集传感器，将太阳能、振动能量、外接电能三者有序处理并且根据用户使用需求提供不同的电源输出形式。

根据本发明一方面，提供了一种能量收集传感器，包括：外壳，外壳通过第一螺钉固定至一外部振动源并且被振动源的振动带动而产生振动；压电陶瓷，压电陶瓷被外壳的振动带动而产生振动、并且产生电荷；处理电路，处理电路通过第四螺钉固定至外壳内侧的底部、通过导线连至压电陶瓷并接收来自压电陶瓷的电荷、对电荷进行处理并输出电信号，其中，外壳上还设有电缆接头，电缆接头通过导线耦接至处理电路、并且将来自处理电路的电信号传递至能量收集传感器外部的输出电缆；外壳上还设有以下至少之一：输入外接电能的电源接口，电源接口通过导线连至处理电路；和输入太阳能的太阳能接口，太阳能接口通过导线连至处理电路。

根据本发明又一方面，压电陶瓷包括：晶体支架，晶体支架通过第二螺钉固定至外壳内侧的底部，晶体支架被外壳的振动带动而产生振动；以及多个压电晶体片，每个压电晶体片的一端通过多个第三螺钉固定至晶体支架以使得多个压电晶体片两两相对地位于晶体支架的上下两侧，每个压电晶体片的另一端固定有相应的质量块，多个压电晶体片被晶体支架的振动带动而产生振动、继而产生电荷。

根据本发明又一方面，处理电路包括：整流模块，整流模块耦接至压电陶瓷，对电荷进行整流；储能元件，储能元件耦接至整流模块，储存经整流的电荷；直流－直流转换模块，直流－直流转换模块耦接至储能元件，对经整流的电荷进行直流－直流转换以得到电信号。

根据本发明又一方面，每个压电晶体片和相对应的第三螺钉之间设有压片。

根据本发明又一方面，压电晶体片的数量为以下的任一种：六个、八个、十个、十二个。

根据本发明又一方面，处理电路和第四螺钉之间设有绝缘支撑套。

根据本发明又一方面，能量收集传感器还包括封装盖板，封装盖板盖在外壳的上方。

根据本发明还有一方面，提供了一种能量管理系统，包括：能量收集传感器，用于收集太阳能、振动能量和外部电能中的一种或多种能量、并且将所收集的能量转换成电能；一个或多个蓄电设备，耦接至能量收集传感器并且存储电能；以及直流－直流转换模块，耦接至蓄电设备并且将所存储电能转换成相应的电信号而输出。其中，能量收集传感器包括：外壳，外壳通过第一螺钉固定至一外部振动源并且被振动源的振动带动而产生振动；压电陶瓷，压电陶瓷被外壳的振动带动而产生振动、并且产生电荷；处理电路，处理电路通过第四螺钉固定至外壳内侧的底部、通过导线连至压电陶瓷并接收来自压电陶瓷的电荷、对电荷进行处理并输出电信号，其中，外壳上还设有电缆接头，电缆接头通过导线耦接至处理电路、并且将来自处理电路的电信号传递至能量收集传感器外部的输出电缆。

根据本发明又一方面，蓄电设备的数量为一个，太阳能、振动能量和外部电能给同一个蓄电设备充电。

根据本发明又一方面，蓄电设备的数量为三个，太阳能、振动能量和外部电能通过三个分别的能量通道给三个蓄电设备充电。

根据本发明又一方面，监测每个能量通道的电能蓄电的电量，以选择一个能量通道作为能量输出通道。

本发明的能量收集传感器以及包含该能量收集传感器的能量管理系统根据不同的应用场合设计不同的安装机械结构，达到节能效果和优化设计的效果。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1示出根据本发明第一实施例的能量收集传感器的剖视图。

图2示出根据本发明第一实施例的能量收集传感器拆去封装盖板后的俯视图。

图3示出根据本发明第二实施例的能量收集传感器的剖视图。

图4示出根据本发明第三实施例的能量收集传感器的剖视图。

图5示出根据本发明第四实施例的能量收集传感器的剖视图。

图6示出根据本发明的能量管理系统的功能结构框图。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。

图1示出根据本发明第一实施例的安装至振动源的能量收集传感器100的剖视图。由图1可见，能量收集传感器100紧贴着振动源9下方安装。具体而言，能量收集传感器100的外壳1通过螺钉10固定至振动源9。能量收集传感器100上方有封装盖板3，当能量收集传感器100固定至振动源9时，封装盖板3与振动源下方接触。在不同的实施例中，根据振动源9的大小不同，能量收集传感器100的外壳1和封装盖板3的尺寸也可以改变。螺钉10的安装位置和安装深度也同样非常讲究。安装浅的话，由于振动的影响，会影响螺钉10的连接程度，容易脱落。太深的话，需要打穿振动源9，会破坏原有设备的结构。对安装不方便。对于不同应用的特点，材料不同位置接受到的能量是不一样的，所以将能量收集传感器安装在不同的位置，产生的能量也是不一样的。为了达到最佳的振动能量收集效果，可以针对不同应用场合设计不同的机械结构，只要能达到最佳的振动效果并且不抑制原有振动即可，振动尽量是无阻尼作用。

图2示出根据本发明第一实施例的能量收集传感器100拆去封装盖板3后的俯视图。结合图1和图2所示，根据本发明一实施例，能量收集传感器100包括：外壳1、压电陶瓷、以及处理电路15。外壳1通过第一螺钉10固定至一外部振动源9并且被振动源9的振动带动而产生振动。压电陶瓷被外壳1的振动带动而产生振动、并且产生电荷。处理电路15通过第四螺钉14固定至外壳1内侧的底部、通过导线2连至压电陶瓷并接收来自压电陶瓷的电荷、对电荷进行处理并输出电信号。其中，外壳1上还设有电缆接头12，电缆接头12通过导线耦接至处理电路15、并且将来自处理电路15的电信号传递至能量收集传感器外部的输出电缆11。

在一个实施例中，处理电路15和第四螺钉14之间设有绝缘支撑套13，防止外界环境的静电影响到处理电路15。处理电路15对电荷进行整流、储存经整流的电荷，并且对所储存的电荷进行直流－直流转换。在一个实施例中，处理电路15包括：整流模块、储能元件和直流－直流转换模块。整流模块耦接至压电陶瓷，对电荷进行整流。储能元件耦接至整流模块，储存经整流的电荷。直流－直流转换模块耦接至储能元件，对经整流的电荷进行直流－直流转换以得到电信号。

更具体地，压电陶瓷包括晶体支架4和多个压电晶体片7。晶体支架4通过第二螺钉16固定至外壳内侧的底部，晶体支架4被外壳1的振动带动而产生振动。每个压电晶体片7的一端通过多个第三螺钉5固定至晶体支架4，以使得多个压电晶体片两两相对地位于晶体支架4的上下两侧。每个压电晶体片7的另一端固定有相应的质量块8。多个压电晶体片7被晶体支架4的振动带动而产生振动、继而产生电荷。在外形结构设计上对晶体支架4的材料选择非常关键，不同的材料对振动频率会有不同的影响。由于不同的材料的刚度是不一样的，所以对振动频率的传递会产生不同的阻尼系数，所以传递的能量会有所变化，最终影响振动的频率。

在一实施例中，每个压电晶体片7和相对应的第三螺钉5之间设有压片6，压片6防止第三螺钉5对压电晶体片7的破坏，同时压片6如果阻尼系数比较高会抑制振动效果。

在图1和2所示的实施例中，压电晶体片7的数量为八个。然而，本领域的普通技术人员能够理解，针对不同的应用场合，例如针对不同尺寸的能量收集传感器、不同的电能需求量等等，压电晶体片的数量可以是不同的。例如，压电晶体片7的数量也可以是六个、十个或十二个，等等。

在一实施例中，能量收集传感器100还包括封装盖板3，封装盖板3盖在外壳1的上方，用于将压电陶瓷和处理电路15封装在外壳1之中。当能量收集传感器100安装至振动源9的下方时，封装盖板3的外表面与振动源9的底部接触。

当确定能量采集机构，则整个能量收集传感器的大小已经固定，振动源进入到能量收集传感器内部，整个传感器是处于振动状态，而压电陶瓷的振动是由振臂产生的振动来触发的。压电陶瓷7的振臂是由压电晶体和夹着压电晶体材料的组成(就像汉堡，中间是压电晶体，通过上下两层面包将压电晶体夹着)。

为了使压电陶瓷能够充分产生能量，在机械结构的设计上，考虑了多方面的影响因数，例如压电陶瓷7的振臂的长短、质量块8的大小及质量、等等。振臂的质量越重，臂长越长，产生的能量越大，振幅也越大，但是能量收集传感器的空间是固定的，同时压电陶瓷的振臂的材料(夹压电晶体的材料)对振动幅度也有限制要求，所以合理的振臂和质量块是能量收集传感器的关键设计，比方质量为1g和2g，而振动的加速度为固定的，那么2g的质量产生的能量一定大于1g产生的能量，则有能量守恒可知，产生的压电的能量转化也大；同样振臂的长短是控制质量块的力矩，长度越长，力矩越大，则产生的能量也越大。能有效的控制影响因数，对能量收集传感器的能量的转化率有直接关系。

图3示出根据本发明第二实施例的能量收集传感器200的剖视图。图3所示的能量收集传感器200与图1和2所示的能量收集传感器100的各个相同部件用相同的附图标记表示，其功能不再赘述。和能量收集传感器100的不同之处在于，图3所示的能量收集传感器100的外壳1上还设有用于输入外接电能的电源接口17，电源接口17通过导线连至处理电路15。处理电路15能够对外接电能以及振动能量经转换后得到的电信号进行有序处理。能量的有序处理将结合图6进一步详述。

图4示出根据本发明第三实施例的能量收集传感器300的剖视图。图4所示的能量收集传感器300与图1和2所示的能量收集传感器100的各个相同部件用相同的附图标记表示，其功能不再赘述。和能量收集传感器100的不同之处在于，图4所示的能量收集传感器300的外壳1上还设有输入太阳能的太阳能接口18，太阳能接口18通过导线连至处理电路15。处理电路15能够对太阳能进行整流、储存经整流的电荷，并且对所储存的电荷进行直流－直流转换。处理电路15还能对太阳能经转换后得到的电信号以及振动能量经转换后得到的电信号进行有序处理。能量的有序处理将结合图6进一步详述。

图5示出根据本发明第四实施例的能量收集传感器400的剖视图。外壳1上还设有输入外接电能的电源接口17，电源接口17通过导线连至处理电路15。输入太阳能的太阳能接口18，太阳能接口18通过导线连至处理电路15。图5所示的能量收集传感器400与图1和2所示的能量收集传感器100的各个相同部件用相同的附图标记表示，其功能不再赘述。和能量收集传感器100的不同之处在于，图5所示的能量收集传感器400的外壳1上既设有用于输入外接电能的电源接口17，又设有输入太阳能的太阳能接口18。电源接口17和太阳能接口18通过导线连至处理电路15。处理电路15能够对太阳能进行整流、储存经整流的电荷，并且对所储存的电荷进行直流－直流转换。处理电路15能够对外接电能、太阳能经转换后得到的电信号以及振动能量经转换后得到的电信号进行有序处理。能量的有序处理将结合图6进一步详述。

图6示出根据本发明的能量管理系统600的功能结构框图。如图6所示，根据本发明的能量管理系统600包括能量收集传感器602、蓄电设备604、以及直流－直流转换模块606。能量收集传感器602为图5所示的能量收集传感器400，能够同时接收太阳能、振动能量以及外接电能，对三种能量进行有序处理，然后将处理后的电信号输出并有效地存储至蓄电设备604。蓄电设备604输出的电能经直流－直流转换模块606处理，根据需要传输至外部的称重电子系统。

在一实施例中，能量收集传感器602包括太阳能接口612、太阳能处理电路614、压电陶瓷622、振动能量处理电路624、电源接口632、以及三合一能源充电管理模块616。

太阳能处理电路614包括第一整流模块616、第一储能元件618和第一直流－直流转换模块620。第一整流模块616耦接至太阳能接口612，对输入的太阳能进行整流。第一储能元件618耦接至第一整流模块616，储存经整流的电荷。第一直流－直流转换模块620耦接至第一储能元件618，对经整流的电荷进行直流－直流转换以得到第一电信号。

振动能量处理电路624包括第二整流模块626、第二储能元件628和第二直流－直流转换模块630。第二整流模块626耦接至压电陶瓷622，对输入的振动能量进行整流。第二储能元件628耦接至第二整流模块626，储存经整流的电荷。第二直流－直流转换模块630耦接至第二储能元件628，对经整流的电荷进行直流－直流转换以得到第二电信号。

三合一能源充电管理模块616耦接至第一直流－直流转换模块620、第二直流－直流转换模块630以及电源接口632，对太阳能经处理后得到的第一电信号、振动能量经处理后得到的第二电信号、以及外接电能进行有序处理。经处理的能量被有效地存储至蓄电设备604。

在一个实施例中，有三个蓄电设备604，太阳能、振动能量和外接电能通过分别的能量通道给不同的蓄电设备604充电。对于有三个通道的蓄电设备604，可以对每个通道的电能蓄电的电量进行监测，通过监测的数据进行判断，来选择一个通道作为能量输出通道。

在另一个实施例中，只有一个蓄电设备604，阳能、振动能量和外接电能给同一个蓄电设备604充电，三个能量通道汇聚到一点。对于只有一个蓄电设备604的实施例，在不接外接电源时，直接由蓄电设备604供电。当有外接电源时，由外接电源直接供电，同时外接电源给蓄电设备604充电。

在不同的使用场合，考虑不同的需求，例如对尺寸、对使用环境防爆防污染等的需求，可以采用不同的蓄电设备604。蓄电设备604可以为以下的一个或多个：锌电池、镍电池、锂电池、铅酸电池、黄金电容等。

另外，由于使用的场合不同，能量收集传感器的大小也不同，所以安装的蓄电设备604的大小也可以不同。例如，蓄能量相同时，锂电池和铅电池的大小不同。

蓄电设备604存储的能量经直流－直流转换模块606转换后，根据需要传输至能量管理系统600外部的称重电子系统。由于用户现场的使用的电能需求形式是不一样的，比如：有的需求为+5V，有的为+12V，有的为电流源，所以可以根据不同的客户需求，设计不同的电信号输出形式。

本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (11)

1.一种能量收集传感器，包括：

外壳(1)，所述外壳(1)通过第一螺钉(10)固定至一外部振动源(9)并且被所述振动源(9)的振动带动而产生振动；

压电陶瓷，所述压电陶瓷被所述外壳(1)的振动带动而产生振动、并且产生电荷；

处理电路(15)，所述处理电路(15)通过第四螺钉(14)固定至所述外壳(1)内侧的底部、通过导线(2)连至所述压电陶瓷并接收来自所述压电陶瓷的电荷、对所述电荷进行处理并输出电信号，

其中，所述外壳(1)上还设有电缆接头(12)，所述电缆接头(12)通过导线耦接至所述处理电路(15)、并且将来自所述处理电路(15)的电信号传递至能量收集传感器外部的输出电缆(11)；

所述外壳(1)上还设有以下至少之一：

输入外接电能的电源接口(17)，所述电源接口(17)通过导线连至所述处理电路(15)；和

输入太阳能的太阳能接口(18)，所述太阳能接口(18)通过导线连至所述处理电路(15)。

2.如权利要求1所述的能量收集传感器，其特征在于，所述压电陶瓷包括：

晶体支架(4)，所述晶体支架(4)通过第二螺钉(16)固定至所述外壳内侧的底部，所述晶体支架(4)被所述外壳(1)的振动带动而产生振动；以及

多个压电晶体片(7)，每个压电晶体片(7)的一端通过多个第三螺钉(5)固定至所述晶体支架(4)以使得所述多个压电晶体片两两相对地位于所述晶体支架的上下两侧，每个压电晶体片(7)的另一端固定有相应的质量块(8)，所述多个压电晶体片(7)被所述晶体支架(4)的振动带动而产生振动、继而产生电荷。

3.如权利要求1所述的能量收集传感器，其特征在于，所述处理电路(15)包括：

整流模块，所述整流模块耦接至所述压电陶瓷，对所述电荷进行整流；

储能元件，所述储能元件耦接至整流模块，储存经整流的电荷；

直流－直流转换模块，所述直流－直流转换模块耦接至储能元件，对经整流的电荷进行直流－直流转换以得到所述电信号。

4.如权利要求2所述的能量收集传感器，其特征在于，每个压电晶体片(7)和相对应的所述第三螺钉(5)之间设有压片(6)，防止第三螺钉(5)对压电晶体片(7)的破坏。

5.如权利要求2所述的能量收集传感器，其特征在于，所述压电晶体片(7)的数量为以下的任一种：六个、八个、十个、十二个。

6.如权利要求1所述的能量收集传感器，其特征在于，所述处理电路(15)和所述第四螺钉(14)之间设有绝缘支撑套(13)，防止处理电路(15)受到外界环境的静电影响。

7.如权利要求1所述的能量收集传感器，其特征在于，所述能量收集传感器还包括封装盖板(3)，所述封装盖板(3)盖在所述外壳(1)的上方。

8.一种能量管理系统，包括：

如权利要求1－7的任一项所述的能量收集传感器(602)，用于收集太阳能、振动能量和外部电能中的一种或多种能量、并且将所收集的能量转换成电能；

一个或多个蓄电设备(604)，耦接至所述能量收集传感器(602)并且存储所述电能；以及

直流－直流转换模块(606)，耦接至所述蓄电设备(604)并且将所存储电能转换成相应的电信号而输出。

9.如权利要求8所述的能量管理系统，其特征在于，所述蓄电设备的数量为一个，太阳能、振动能量和外部电能给同一个蓄电设备充电。

10.如权利要求8所述的能量管理系统，其特征在于，所述蓄电设备的数量为三个，太阳能、振动能量和外部电能通过三个分别的能量通道给三个蓄电设备充电。

11.如权利要求10所述的能量管理系统，其特征在于，监测每个能量通道的电能蓄电的电量，以选择一个能量通道作为能量输出通道。