CN105680572B - 一种非侵入式自供电无线传感检测系统 - Google Patents

一种非侵入式自供电无线传感检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了开关柜领域内的一种非侵入式自供电无线传感检测系统，包括：传感线圈：用以获取电缆附近的高频电流谐波能量；能量获取调理单元：用以将传感线圈感应获得的能量储存并调理成可用的直流电压；传感信号获取调整单元：用以测量工作现场温湿度等环境变量；电路板：用以集成传感线圈、能量获取调理单元、传感信号获取调整单元；传感线圈与能量获取调理单元相连，能量获取调理单元还与传感信号获取调整单元相连，本发明采用非侵入式的设计理念，利用传感线圈获取供电电缆附近的高频电流谐波能量转换成电能给微处理器供电，提高开关柜工作的可靠性和安全性，可用于开关柜内。

Description

一种非侵入式自供电无线传感检测系统
技术领域
本发明涉及一种无线传感系统，特别涉及一种自供电无线传感系统。
背景技术
开关柜的安全稳定运行在一定程度上取决于开关柜内部的温湿度状态，超过阈值，会对开关柜稳定运行造成安全隐患，封闭式开关柜内部裸露高压母线、空间狭小，对柜内电气联结点进行温湿度监测具有重要意义。凝露现象是指开关柜柜体内壁表面温度下降到露点温度以下时，内壁表面发生水珠凝结的现象，而开关柜内部发生凝露会引起爬电、闪络事故。凝露的发生取决于柜内温度、相对湿度以及露点温度等因素，因而测量露点温度参数可以更加全面地表征高压开关柜的运行状态。然而现有技术中开关柜内的传感器通常使用电池供电或者使用独立电源供电，导致安全和维护成本增大的问题。如果监测对象在一次侧，则传感装置的取电还需要满足绝缘要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种非侵入式自供电无线传感检测系统，不需要侵入线缆即可获得电源，提高柜内工作数据检测的可靠性。
本发明的目的是这样实现的：一种非侵入式自供电无线传感检测系统，包括：
传感线圈：用以获取电缆附近的高频电流谐波能量；
能量获取调理单元：用以将传感线圈感应获得的能量储存并调理成可用的直流电压；
传感信号获取调整单元：用以测量工作现场温湿度环境变量并将其调理成0至3.3V之间的电压量；
电路板：用以集成所述传感线圈、能量获取调理单元、传感信号获取调整单元；
所述传感线圈、能量获取调理单元以及传感信号获取调整单元均固定设置在电路板内，所述传感线圈与能量获取调理单元相连，能量获取调理单元还与传感信号获取调整单元相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明采用非侵入式的设计理念，利用传感线圈获取供电电缆附近的高频电流谐波能量并通过感应到的电能经倍压整流和多二极管前馈式降压变换电路调理成可选电平为采集现场信号的微处理器供电，微处理器根据捕获的空间能量动态发送现场测得的数据，本发明可以与任意带电高压电缆形成等电位点，最大程度捕捉空间磁场能量，不会对高压设备造成负载侵入，提高开关柜工作的可靠性和安全性。本发明可用于开关柜内。
作为本发明的进一步限定，所述能量获取调理单元包括连接微控制器上的两级电路构成；
第一级电路为倍压整流电路，其包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3以及第四二极管D4，第一电容C1和第三电容C3串联后接在所述传感线圈的一端，第二电容C2和第四电容C4串联后接在传感线圈的另一端，第一电容C1和第三电容C3之间的电位点为电位E点，第三电容C3后端的电位点为电位G点，第二电容C2前端的电位点为电位B点，第二电容C2与第四电容C4之间的电位点为电位F点，第四电容C4后端的电位点为电位H点，第一二极管D1的阳极接电位B点，第一二极管D1的阴极接电位E点，第二二极管D2的阳极接电位E点，第二二极管D2的阴极接电位F点，第三二极管D3的阳极接电位F点，第三二极管D3的阴极接电位G点，第四二极管D4的阳极接电位G点，第四二极管D4的阴极接电位H点，电位H点与电位B点之间串接有齐纳二极管DZ，所述电位H点为倍压整流电路的输出高电位点，所述电位B点为倍压整流电路的输出低电位点，电位B点还为微控制器的输入负极；
第二级为电路为一个带有能量前馈的降压电路，其包括第一功率MOS开关管T1、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一电感L1以及第五电容C5，第一功率MOS开关管T1的漏极、第五二极管D5的阳极接电位H点，第五二极管D5的阴极与第六二极管D6的阳极相连，第六二极管D6的阴极与第七二极管D7的阳极相连，第七二极管的D7的阴极接微控制器输入正极，第一MOS开关管T1的源极串接第一电感L1后接微控制器的输入正极，第一MOS开关管T1的源极与第一电感L1之间的电位点为电位I点，微控制器的输入正极为电位J点，第八二极管D8的阴极接电位I点，第八二极管D8的阳极接电位B点，第五电容C5串接在电位J点和电位B点之间。保证能量获取调理单元高效稳定的传输电能。
作为本发明的进一步限定，所述传感信号获取调整单元包括温度测量传感器、湿度测量传感器及相关调理电路，其供电电源来自于能量获取调理单元的输出电压。
作为本发明的进一步限定，本发明还包括无线发射单元，所述无线发射单元与能量获取调理单元相连，所述无线发射单元为常规无线发送电路，其供电电源来自于能量获取调理单元的输出电压，其信号来源于能量获取调理单元的微控制器。使得可远程监控开关柜内的工作状况，控制更加灵活方便。
作为本发明的进一步改进，所述电路板的边缘处开设有固定孔，电路板经穿过固定孔的绝缘扎带固定在电缆上。形成等电位点，可适用于不同电压等级的场合。
作为本发明的进一步改进，所述电路板的边缘处开设有固定孔，电路板经穿过固定孔的绝缘扎带固定在导流母排上。形成等电位点，可适用于不同电压等级的场合。
作为本发明的进一步限定，所述电路板为多层电路板，其尺寸为50mm×50mm。
作为本发明的进一步限定，所述传感线圈用0.254mm宽1oz厚的印制电路板线，传感线圈下边与电路板下沿对齐。以获得最大磁场能量。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明中能量获取调理单元电路原理图。
图3为本发明应用在导流母排周围的示意图。
图4为本发明应用在高压电机中的示意图。
其中，1供电电缆，2传感线圈，3能量获取调理单元，4传感信号获取调整单元，5无线发射单元，6绝缘扎带。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述，将本发明应用于导流母排上。
如图1-3所示的一种非侵入式自供电无线传感检测系统，包括：
传感线圈：用以获取电缆附近的高频电流谐波能量，所述传感线圈用0.254mm宽1oz厚的印制电路板线，传感线圈下边与电路板下沿对齐；
能量获取调理单元：用以将传感线圈感应获得的能量储存并调理成可用的直流电压，所述能量获取调理单元包括连接微控制器上的两级电路构成；第一级电路为倍压整流电路，其包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3以及第四二极管D4，第一电容C1和第三电容C3串联后接在所述传感线圈的一端，第二电容C2和第四电容C4串联后接在传感线圈的另一端，第一电容C1和第三电容C3之间的电位点为电位E点，第三电容C3后端的电位点为电位G点，第二电容C2前端的电位点为电位B点，第二电容C2与第四电容C4之间的电位点为电位F点，第四电容C4后端的电位点为电位H点，第一二极管D1的阳极接电位B点，第一二极管D1的阴极接电位E点，第二二极管D2的阳极接电位E点，第二二极管D2的阴极接电位F点，第三二极管D3的阳极接电位F点，第三二极管D3的阴极接电位G点，第四二极管D4的阳极接电位G点，第四二极管D4的阴极接电位H点，电位H点与电位B点之间串接有齐纳二极管DZ，所述电位H点为倍压整流电路的输出高电位点，所述电位B点为倍压整流电路的输出低电位点，电位B点还为微控制器的输入负极；第二级为电路为一个带有能量前馈的降压电路，其包括第一功率MOS开关管T1、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一电感L1以及第五电容C5，第一功率MOS开关管T1的漏极、第五二极管D5的阳极接电位H点，第五二极管D5的阴极与第六二极管D6的阳极相连，第六二极管D6的阴极与第七二极管D7的阳极相连，第七二极管的D7的阴极接微控制器输入正极，第一MOS开关管T1的源极串接第一电感L1后接微控制器的输入正极，第一MOS开关管T1的源极与第一电感L1之间的电位点为电位I点，微控制器的输入正极为电位J点，第八二极管D8的阴极接电位I点，第八二极管D8的阳极接电位B点，第五电容C5串接在电位J点和电位B点之间。保证能量获取调理单元高效稳定的传输电能；
传感信号获取调整单元：用以测量工作现场温湿度等环境变量并将其调理成0至3.3V之间的电压量，所述传感信号获取调整单元包括温度测量传感器、湿度测量传感器及相关调理电路，其供电电源来自于能量获取调理单元的输出电压；
无线发射单元：用以将开柜内的环境数据发送出去，所述无线发射单元与能量获取调理单元相连，所述无线发射单元为常规无线发送电路，其供电电源来自于能量获取调理单元的输出电压，其信号来源于能量获取调理单元的微控制器；
电路板：用以集成所述传感线圈、能量获取调理单元、传感信号获取调整单元，所述电路板为多层电路板，其尺寸为50mm×50mm；
所述传感线圈、能量获取调理单元以及传感信号获取调整单元均固定设置在电路板内，所述传感线圈与能量获取调理单元相连，能量获取调理单元还与传感信号获取调整单元、无线发射单元相连，所述电路板的边缘处开设有固定孔，电路板经穿过固定孔的绝缘扎带固定在导流母排上。
本发明工作时，启动阶段，传感线圈感应高频电流谐波能量，使得第一级电路的输出电压逐渐上升，第二级电路暂不工作，第一功率MOS开关管不开通，此时能量通过多级串联的前馈二极管（D5-D7）加载到微控制器供电端、传感信号获取调理单元的供电端以及无线发射单元的供电端；第一级的输出电容（DZ）集聚电荷升至一定电压后经过三级二极管（D5-D7）降压2.1V后直接供给微控制器（MCU）作为供电电压，如果VHB达到5.1V，VHB-2.1V大于等于启动电压VTH，微控制器启动；微控制器启动后通过采集电位点HB点之间的电压获知能量捕获的情况，采集电位点JB之间电压进行电压反馈控制，将电压控制在微控制器的正常工作电压VCC（例如3.3V），通常VCC>VTH，此时二极管D5、D6、D7反偏截止，启动完成，电位点BH点之间的电能高效传递至系统中各耗电负载。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，如图4所示，将本发明应用在高压电机上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种非侵入式自供电无线传感检测系统，其特征在于，包括：
传感线圈：用以获取电缆附近的高频电流谐波能量；
能量获取调理单元：用以将传感线圈感应获得的能量储存并调理成可用的直流电压，所述能量获取调理单元包括连接微控制器上的两级电路构成；
第一级电路为倍压整流电路，其包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3以及第四二极管D4，第一电容C1和第三电容C3串联后接在所述传感线圈的一端，第二电容C2和第四电容C4串联后接在传感线圈的另一端，第一电容C1和第三电容C3之间的电位点为电位E点，第三电容C3后端的电位点为电位G点，第二电容C2前端的电位点为电位B点，第二电容C2与第四电容C4之间的电位点为电位F点，第四电容C4后端的电位点为电位H点，第一二极管D1的阳极接电位B点，第一二极管D1的阴极接电位E点，第二二极管D2的阳极接电位E点，第二二极管D2的阴极接电位F点，第三二极管D3的阳极接电位F点，第三二极管D3的阴极接电位G点，第四二极管D4的阳极接电位G点，第四二极管D4的阴极接电位H点，电位H点与电位B点之间串接有齐纳二极管DZ，所述电位H点为倍压整流电路的输出高电位点，所述电位B点为倍压整流电路的输出低电位点，电位B点还为微控制器的输入负极；
第二级电路为一个带有能量前馈的降压电路，其包括第一功率MOS开关管T1、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一电感L1以及第五电容C5，第一功率MOS开关管T1的漏极、第五二极管D5的阳极接电位H点，第五二极管D5的阴极与第六二极管D6的阳极相连，第六二极管D6的阴极与第七二极管D7的阳极相连，第七二极管的D7的阴极接微控制器输入正极，第一MOS开关管T1的源极串接第一电感L1后接微控制器的输入正极，第一MOS开关管T1的源极与第一电感L1之间的电位点为电位I点，微控制器的输入正极为电位J点，第八二极管D8的阴极接电位I点，第八二极管D8的阳极接电位B点，第五电容C5串接在电位J点和电位B点之间；
传感信号获取调整单元：用以测量工作现场温湿度环境变量并将其调理成0至3.3V之间的电压量；
电路板：用以集成所述传感线圈、能量获取调理单元、传感信号获取调整单元；
所述传感线圈、能量获取调理单元以及传感信号获取调整单元均固定设置在电路板内，所述传感线圈与能量获取调理单元相连，能量获取调理单元还与传感信号获取调整单元相连。
2.根据权利要求1所述的一种非侵入式自供电无线传感检测系统，其特征在于，所述传感信号获取调整单元包括温度测量传感器、湿度测量传感器及相关调理电路，其供电电源来自于能量获取调理单元的输出电压。
3.根据权利要求1所述的一种非侵入式自供电无线传感检测系统，其特征在于，还包括无线发射单元，所述无线发射单元与能量获取调理单元相连，所述无线发射单元为常规无线发送电路，其供电电源来自于能量获取调理单元的输出电压，其信号来源于能量获取调理单元的微控制器。
4.根据权利要求1所述的一种非侵入式自供电无线传感检测系统，其特征在于，所述电路板的边缘处开设有固定孔，电路板经穿过固定孔的绝缘扎带固定在电缆上。
5.根据权利要求1所述的一种非侵入式自供电无线传感检测系统，其特征在于，所述电路板为多层电路板，其尺寸为50mm×50mm。
6.根据权利要求1 所述的一种非侵入式自供电无线传感检测系统，其特征在于，所述传感线圈用0.254mm宽1oz厚的印制电路板线，传感线圈下边与电路板下沿对齐。
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Denomination of invention: A non-invasive self powered wireless sensor detection system

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