CN105490501B

CN105490501B - 一种振动能量采集与无线发射装置

Info

Publication number: CN105490501B
Application number: CN201610044803.6A
Authority: CN
Inventors: 何怡刚; 汪涛; 李志刚; 项胜; 佐磊; 何威; 童晋; 李兵; 袁志杰; 尹均萍
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: CN105490501A

Abstract

一种振动能量采集与无线发射装置，基于电磁感应以及超高频电磁波传输原理，包括振动能量采集器以及能量无线发射器；振动能量采集器和能量无线发射器之间通过接口电路连接。本发明装置整体体积小，工艺简单，成本低，损耗小，易于更换与检修，适用于射频识别传感标签在变电站中的应用。本发明采用电磁感应的原理，将变压器正常运行时振动的能量转化为电能，避免了使用锂电池导致需要频繁更换的弊端；采用了无线发射能量的模式，避免了有线传输导致的成本增加，检修困难的弊端。

Description

一种振动能量采集与无线发射装置

技术领域

本发明涉及能量获取与传输，特别涉及一种振动能量采集与无线发射装置。

背景技术

物联网已被确定为中国战略性新兴产业之一，而射频识别 (RFID) 技术作为物联网发展的最关键技术，其应用市场必将随着物联网的发展而扩大。RFID技术是利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，是自动识别技术在无线电技术方面的具体应用和发展。一般来说，RFID系统可以分为有源和无源两类。由于有源RFID标签内置电池，相对于无源RFID标签，有源标签可以始终处于唤醒状态，具有很高的实时性与较快的响应速率。而在变电设备的在线监测当中，对于实时性以及响应速率的要求较高，所以有源RFID标签更符合实际的电网应用需求, 但是现有有源RFID在供能时，需频繁更换电池，且稳定性不好。近年来，RFID技术与在线监测结合的研究成为热点。RFID技术与变电站监测结合，可以有效利用RFID技术的便于安装特性及无线识别特性，同时具有良好的检测特性，是其中的重要研究方向。

变电站中，以变压器为代表的各电力设备的运行状况直接关系到发电、供电系统的安全性和可靠性.现有的获取各电力设备状态信息的方法主要有外观检查、理化和高压电气试验等，这些方法都属于传统的检测与试验，是一种事后分析的监测方法，需要在设备停运的状态下进行检测，这样一方面会导致检修的成本增加，另外一方面停运检修势必导致区域停电，对于居民的日常生活生产带来诸多不便，已不能满足现在状态检修的发展趋势。而RFID技术与电网监测相结合，一方面解决了无法实时监测的问题，另一方面也降低了整体的成本，降低了整个监测系统的维修成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有有源RFID在供能模式上的弊端，提供一种振动能量采集与无线发射装置，通过对变压器运行时自身振动能量的采集与转化，作为有源RFID标签的能量来源，有利于降低成本，避免频繁更换电池，且具有良好的稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

一种振动能量采集与无线发射装置，基于电磁感应以及超高频电磁波传输原理，包括振动能量采集器以及能量无线发射器；振动能量采集器和能量无线发射器之间通过接口电路连接。

所述振动能量采集器用于完成振动的机械能到电能的转化。

所述能量无线发射器用于对前述转化得到的电能进行处理，即将电能转变为超高频信号后发送给外部设备接收装置。

进一步，所述振动能量采集器由两部分机械结构组成：（1）隔板与永磁体的组合装置，永磁体置于隔板上；（2）放置有线圈的悬臂。隔板的右端、悬臂的左端分别固定在相应的PCB板上。

进一步，所述的振动能量采集器采用电磁感应的原理，悬臂振动时与磁场的相互作用将机械能转化为电能，因此能有效利用变压器运行时绕组振动的能量。

进一步，所述能量无线发射器包括整流器、振荡器、功率放大器、带通滤波器和天线，整流器的输出端与振荡器的输入端相连，振荡器的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与带通滤波器的输入端相连，带通滤波器的输出端与天线相连。能量无线发射器将振动能量采集器采集的电能信号通过整流器进行整流、通过振荡器将直流信号转变为射频信号、通过功率放大器进行信号放大、通过带通滤波器滤波处理后，经由天线来实现能量的无线发送。

进一步，所述整流器为全波倍压整流电路，利用肖特基二极管以及电容组成级联模式以实现多级升压。

进一步，所述整流器包括八个电容和八个二极管，结构上下对称。八个电容分别为C1、C2、C3、C4、C1’、C2’、C3’和C4’。八个二极管分别为D1、D2、D3、D4、D1’、D2’、D3’和D4’。相应的元件参数一致，即C1的元件参数和C1’ 的元件参数一致，C2的元件参数和C2’ 的元件参数一致，C3的元件参数和C3’ 的元件参数一致，C4的元件参数和C4’ 的元件参数一致，D1的元件参数和D1’ 的元件参数一致，D2的元件参数和D2’ 的元件参数一致，D3的元件参数和D3’ 的元件参数一致，D4的元件参数和D4’ 的元件参数一致；

电容C1、二极管D2、二极管D3、电容C2首尾串联；二极管D4、二极管D3、电容C3首尾串联；电容C3、二极管D2、二极管D1、电容C4首尾串联。由于结构的上下对称性，C1’、C2’、C3’、C4’、D1’、D2’、D3’和D4’的相对位置关系与上述相同。电容C1’、二极管D2’、二极管D3’、电容C2’首尾串联；二极管D4’、二极管D3’、电容C3’首尾串联；电容C3’、二极管D2’、二极管D1’、电容C4’首尾串联。

二极管D1、D2、D3、D4、D1’、D2’、D3’和D4’均为肖特基二极管。

进一步，所述振荡器采用正反馈以及多级耦合电路，以实现超高频的振荡效果。

进一步，所述振荡器包括十个电容和七个电阻。十个电容分别为C11、C21、C31、C41、C51、C61、C71、C81、C91和C10。七个电阻分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7。

电容C11、电阻R1、电容C21首尾串联；电容C21和电阻R2首尾串联；电阻R3和电容C41并联；电容C51和电容C61串联，电容C81和电容C91串联后和电阻R6并联，电容C71和电阻R6串联，电阻R4、电阻R5、和电容C10串联后与电容C31并联，电阻R7接于电容C81和电容C91之间。振荡器内部存在一个正反馈放大器，正反馈放大器包括电阻R4、电容C51、电容C11、电阻R1、电容C21和电阻R2。

进一步，所述功率放大器用来对振荡器输出的信号进行放大，以便于后续步骤处理。

进一步，所述带通滤波器用来对功率放大器输出的信号进行滤波，以消除噪声信号的干扰。

进一步，所述天线采用全向天线，用以对带通滤波器输出的信号进行发送。

本发明装置整体体积小，工艺简单，成本低，损耗小，易于更换与检修，适用于射频识别传感标签在变电站中的应用。本发明采用电磁感应的原理，将变压器正常运行时振动的能量转化为电能，避免了使用锂电池导致需要频繁更换的弊端；采用了无线发射能量的模式，避免了有线传输导致的成本增加，检修困难的弊端。同时采用新设计的整流器与振荡器，降低了损耗，更适合有源RFID的使用。

附图说明

图1为本发明振动能量采集与无线发射装置的整体框图；

图2为本发明振动能量采集器的结构图；

图3 为本发明的能量无线发射器的结构图；

图4为本发明的整流器的电路图；

图5为本发明的振荡器的电路图；

图6 为本发明的振动能量采集与无线发射装置输送能量的测试结果图。

图中：1——振动能量采集器；2——能量无线发射器；3——接口电路；1-1——隔板；1-2——永磁体；1-3——线圈；1-4——悬臂；1-5——固定隔板右端的PCB板；1-6——固定悬臂左端的PCB板；2-1——整流器；2-2——振荡器；2-3——功率放大器；2-4——带通滤波器；2-5——全向天线。

具体实施方式

下面结合附图和较优选实施例对本发明的技术方案进行详细地阐述。以下较优选实施例仅仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。

参照图1，一种振动能量采集与无线发射装置，基于电磁感应以及超高频电磁波传输原理，包括振动能量采集器1以及能量无线发射器2，振动能量采集器1的输出端与能量无线发射器2的输入端通过接口电路3有线连接。

所述接口电路为RS485接口电路。

所述振动能量采集器1用于完成振动的机械能到电能的转化。

所述能量无线发射器2用于对前述转化得到的电能进行处理，即将电能转变为超高频信号后发送给外部设备接收装置（图中未示出）。

图2为本发明振动能量采集器1的结构图，共由两部分机械结构组成：（1）隔板1-1与永磁体1-2的组合装置，永磁体1-2置于隔板1-1上；（2）放置有线圈1-3的悬臂1-4。隔板1的右端固定在PCB板1-5上，悬臂1-4的左端固定在另一PCB板1-6上。

所述隔板1-1的材质为聚氯代对二甲苯，永磁体1-2为钕铁硼材质。伴随着周围环境的振动，隔板1-1会发生上下方向的小幅度位移，此时就会使得悬臂上的一组线圈1-3中的磁通量发生改变，由电磁感应原理可知，在这个过程当中振动信号的机械能被转化为了电能。

整个振动能量采集器由环境振动来激励，取决于环境振动的两个物理量ω和y，其中ω和y分别表示环境振动信号的频率以及环境振动的位移幅度。隔板1-1与永磁体1-2的组合装置的固有频率与环境振动信号的频率之间相差小于10Hz，而环境振动信号的频率与悬臂1-4的固有频率相差超过1kHz时，会使得只有隔板1-1与永磁体1-2的组合装置会被环境振动信号所激励，而悬臂1-4却不受影响。由此，振动能量采集器的动力学模型可由以下两个二阶线性微分方程来描述：

；

其中m、k、b分别代表物体等效质量、弹簧弹性系数和阻尼系数。d则表示相对于初始位置的相对位移量。t表示时间, y表示环境振动的位移幅度, m_c表示悬臂质量。m_m 表示永磁体等效质量， d_m表示永磁体相对于初始位置的相对位移量，b_m表示永磁体阻尼系数，k_m表示永磁体整体的弹性系数， d_c表示悬臂相对于初始位置的相对位移量b_c表示悬臂阻尼系数，k_c表示悬臂整体的弹性系数。

设悬臂1-4左端固定不动，右端在距水平位置的距离为d ₀处开始返回水平位置，那么可以得到悬臂1-4相对于水平位置的动态相对位移量：

；

式中，δ _c和ω _d分别表示悬臂的整体阻尼比和阻尼固有频率，ω _n表示悬臂的一阶弯曲固有频率。在得到悬臂的动态特性之后，在每个悬臂上由电磁感应产生的感生电动势就可以由下式获得：

；

其中B表示磁感应强度，N表示每个悬臂上的线圈匝数，L _P表示每个线圈的有效长度。因此，每个悬臂1-4上由电磁感应产生的感生电动势可以表示为:

；

单个悬臂上可供输出的电能则可以由下式获得：

；

式中R _L和R _C分别表示负载和线圈电阻。

图3为能量无线发射器的结构图。能量无线发射器2包括整流器2-1、振荡器2-2、功率放大器2-3以及带通滤波器2-4和全向天线2-5，整流器2-1、振荡器2-2、功率放大器2-3以及带通滤波器2-4依次电连接，带通滤波器2-4接全向天线2-5。

能量无线发射器2将振动能量采集器1采集的电能信号经过整流器2-1整流成直流信号，再经振荡器2-2振荡后转变为射频信号，再由功率放大器2-3进行放大，随后经由带通滤波器2-4滤除感应电流，最后由全向天线2-5发送给外部设备接收装置。

图4为所述整流器的电路图。整流器包括八个电容和八个二极管，结构上下对称。八个电容分别为C1、C2、C3、C4、C1’、C2’、C3’和C4’。八个二极管分别为D1、D2、D3、D4、D1’、D2’、D3’和D4’。相应的元件参数一致，即C1的元件参数和C1’ 的元件参数一致，C2的元件参数和C2’ 的元件参数一致，C3的元件参数和C3’ 的元件参数一致，C4的元件参数和C4’ 的元件参数一致，D1的元件参数和D1’ 的元件参数一致，D2的元件参数和D2’ 的元件参数一致，D3的元件参数和D3’ 的元件参数一致，D4的元件参数和D4’ 的元件参数一致。

该整流器结构上对称，以实现全波整流并增大输出电压的效果。本文所采用的二极管（即二极管D1、D2、D3、D4、D1’、D2’、D3’和D4’）为肖特基二极管。各个二极管结构上对地成镜像，实现了全波整流的效果，同时与各电容一起起到提升压的作用。为了与全波整流相匹配，电容的配置上也是采用对地成镜像，以达到全波倍压的效果。

图5为振荡器的结构图，振荡器包括十个电容和七个电阻。十个电容分别为C11、C21、C31、C41、C51、C61、C71、C81、C91和C10。七个电阻分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7。

电容C11、电阻R1、电容C21首尾串联；电容C21和电阻R2首尾串联；电阻R3和电容C41并联；电容C51和电容C61串联，电容C81和电容C91串联后和电阻R6并联，电容C71和电阻R6串联，电阻R4、电阻R5、和电容C10串联后与电容C31并联，电阻R7接于电容C81和电容C91之间。振荡器内部存在一个正反馈放大器，正反馈放大器包括电阻R4、电容C51、电容C11、电阻R1、电容C21和电阻R2。振荡器通过该电路实现正反馈以及多级耦合。通过振荡器的多级耦合谐振的作用使得输出的振荡频率可以到达超高频的频段以满足需求。同时由于正反馈以及多级耦合，使得能量在传递过程中的损耗被降低。

本发明的振动能量采集与无线发射装置，利用变压器自身能量为RFID标签供能，整体结构简单，通常传感标签工作功率为μw级，而本发明提供的能量均在15mw以上（图6），足够RFID标签使用，适合在变电站中为有源RFID标签提供能量。

Claims

1.一种振动能量采集与无线发射装置，其特征在于，基于电磁感应以及超高频电磁波传输原理，包括振动能量采集器以及能量无线发射器；振动能量采集器和能量无线发射器之间通过接口电路连接；

所述振动能量采集器用于完成振动的机械能到电能的转化；

所述能量无线发射器用于对前述转化得到的电能进行处理，即将电能转变为超高频信号后发送给外部设备接收装置；

所述振动能量采集器由两部分机械结构组成：（1）隔板与永磁体的组合装置，永磁体置于隔板上；（2）放置有线圈的悬臂；隔板的右端、悬臂的左端分别固定在相应的PCB板上；

伴随着周围环境的振动，隔板会发生上下方向的小幅度位移，就会使得悬臂上的一组线圈中的磁通量发生改变；

振动能量采集与无线发射装置通过对变压器运行时自身振动能量的采集与转化，作为有源RFID标签的能量来源；

能量无线发射器包括整流器、振荡器、功率放大器、带通滤波器和天线，整流器的输出端与振荡器的输入端相连，振荡器的输出端与功率放大器的输入端相连，功率放大器的输出端与带通滤波器的输入端相连，带通滤波器的输出端与天线相连；能量无线发射器将振动能量采集器采集的电能信号通过整流器进行整流、通过振荡器将直流信号转变为射频信号、通过功率放大器进行信号放大、通过带通滤波器滤波处理后，经由天线来实现能量的无线发送；

振荡器采用正反馈以及多级耦合电路，以实现超高频振荡；

振荡器包括十个电容和七个电阻，十个电容分别为C11、C21、C31、C41、C51、C61、C71、C81、C91和C10，七个电阻分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7；电容C11、电阻R1、电容C21首尾串联；电容C21和电阻R2首尾串联；电阻R3和电容C41并联；电容C51和电容C61串联，电容C81和电容C91串联后和电阻R6并联，电容C71和电阻R6串联，电阻R4、电阻R5、和电容C10串联后与电容C31并联，电阻R7接于电容C81和电容C91之间；振荡器内部存在一个正反馈放大器，正反馈放大器包括电阻R4、电容C51、电容C11、电阻R1、电容C21和电阻R2；振荡器通过该电路实现正反馈以及多级耦合；通过振荡器的多级耦合谐振的作用使得输出的振荡频率可以到达超高频的频段以满足需求；同时由于正反馈以及多级耦合，使得能量在传递过程中的损耗被降低。

2.根据权利要求1所述的振动能量采集与无线发射装置，其特征在于，整流器为全波倍压整流电路，利用肖特基二极管以及电容组成级联模式以实现多级升压。