CN106385198B - 一种s形压电悬臂梁自供能的无线测温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种S形压电悬臂梁自供能的无线测温装置，用于测量环境温度，该装置包括：压电自供能模块，压电自供能模块中的S形压电悬臂梁利用压电效应将环境振动机械能转换为电能，能量收集管理电路和储能器适于变换存储所述S形压电悬臂梁产生的电能；温度测量模块，适于测量环境温度；主控模块，用于控制压电自供能模块为其它模块供电、控制无线通讯模块和温度测量模块的工作；无线通讯模块，按照从外部平台接收到的控制信号，将所述温度测量结果发送到外部平台；显示模块用于显示装置的调试和运行状态。
Description
技术领域
本发明涉及能量回收和传感器供能技术领域，尤其涉及一种S形压电悬臂梁自供能的无线测温装置。
背景技术
温度在工农业生产和日常生活中具有重要的意义，早期通过人工巡查的方式对监测区域的温度进行观察和测量，这需要花费大量的人力物力。此外，传统的测温系统大多通过有线传输，存在着布线复杂、成本高、移动性差等缺点。例如：野外环境下的温度测量，针对分布式的多个测量点，如果使用外接电源或电池供电会带来诸多不便。若使用可以自供能的无线测温传感器，将不再使用外接电源或电池供电，那么维护的工作量会大大降低。
从周围环境中获取能量已逐步发展成为一种新的技术思路。环境中广泛存在的机械动能、太阳能、风能等等都可以作为供能来源。其中的振动能量广泛存在于工业现场和周围环境中，并且没有类似太阳能、风能一样的自然条件制约。因此，从振动环境中回收能量并直接转化为低功耗微型电子元件供电具有巨大的应用潜力。对此国内外学者开展了大量的研究，其中基于压电效应的能量回收方式因具有结构紧凑、无电磁干扰、能量密度较高等优点而成为国内外研究的重点。压电式振动能量回收装置常采用的振动结构有悬臂梁结构、圆形结构、钹形结构等形式。其中传统的悬臂梁结构是最常用的形式，其结构简单，较容易实现。但是也有其缺点：若降低谐振工作频率则需通过增加悬臂梁长度，但悬臂梁过长不利于器件的微型化。此外，现有压电振动能量回收多为固定频率的工作方式，即压电能量回收装置只能工作在较窄的单一频率范围之内，而环境中的振源频率可能在某一范围内随时波动，或者有多个振动频率，这时若回收装置的谐振频率与环境振源的频率不能较好地匹配，则回收的能量会大大降低，整体的输出功率也会急剧减小，难以保证如无线测温装置之类的微电子器件的正常工作。
本发明所述的一种S形压电悬臂梁自供能的无线测温装置，正是利用S形压电悬臂梁可以在较宽的振动频率范围下稳定地为无线测温装置供能，它完全抛弃外部电源或电池就可以向后台发送被测目标的温度，可广泛应用于各种生产生活中。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种S形压电悬臂梁自供能的无线测温装置，用于测量环境温度。该装置包括：压电自供能模块，压电自供能模块中的S形压电悬臂梁利用压电效应将环境振动机械能转换为电能，能量收集与管理电路和储能器适于变换存储所述S形压电悬臂梁产生的电能；温度测量模块，适于测量环境温度；主控模块，用于控制压电自供能模块为其它模块供电、控制无线通讯模块和温度测量模块的工作；无线通讯模块，按照从外部平台接收到的控制信号，将所述温度测量结果发送到外部平台；显示模块用于显示装置的调试和运行状态。
本发明采用的技术方案为：一种S形压电悬臂梁自供能的无线测温装置，用于测量环境温度，该装置包括压电自供能模块、温度测量模块、无线通讯模块和主控模块，其中：
所述的压电自供能模块，适于变换环境中振动机械能量为电能并存储与管理所得电能；
所述的温度测量模块，适于测量目标温度；
所述的无线通讯模块，与所述主控模块相连，适于根据从外部平台接收到的控制信号，将所述温度测量模块的测量结果发送到外部平台；
所述的主控模块，分别与所述压电自供能模块、温度测量模块和无线通讯模块连接，由所述压电自供能模块供电，适于控制压电自供能模块为所述温度测量模块和无线通讯模块供电，还适于控制温度测量模块和无线通讯模块的工作。
其中，所述压电自供能模块包括S形压电悬臂梁、能量收集管理电路和储能器。
其中，所述压电自供能模块中的S形压电悬臂梁采用对称中点支撑，所述S形压电悬臂梁由S形悬臂梁、压电陶瓷和质量块组成，S形悬臂梁采用金属基板，压电陶瓷垂直方向极化、上下表面镀有电极，质量块可根据不同的振动环境调节工作频率以便更好地回收振动能量。
其中，所述压电自供能模块中的S形压电悬臂梁在振动环境下利用压电效应会产生交变电压，该交变电压经过能量收集管理电路储存在储能器中为所述温度测量模块、无线通讯模块和主控模块供能。
其中，所述温度测量模块用于测量目标温度。
其中，所述无线通讯模块用于将温度测量模块的测量结果发送到外部平台。
其中，所述主控模块用于控制温度测量模块、无线通讯模块和显示模块的工作。
其中，该无线测温装置还包括可选装的显示模块，与所述主控模块连接，适于将所述温度测量模块的测量结果与本装置运行状态显示在显示模块上。
本发明的优点在于：
1.本发明采用的S形压电悬臂梁易于起振，且能够在较宽的振动频率范围下稳定地输出能量，提高了实用性。
2.本发明外部没有电线连接，测温装置的安装更为简便，免于定期人工维护。这对于野外环境下的测温尤其重要。
3.本发明利用环境中的振动能量来维持无线测温装置的工作，振动能量富余时供给内部储能器充电，振动能量不足时自动唤醒储能器为整个装置供电，无任何外接电源。
4.本发明可以通过选装的液晶屏幕直接读取目标温度，还可以通过远程外部平台通过无线通讯远程读取记录的目标温度。
附图说明
图1是本发明一种S形压电悬臂梁自供能的无线测温装置结构示意图。
图2是本发明一种S形压电悬臂梁自供能的无线测温装置中S形压电悬臂梁结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合以下附图，对本发明进一步详细说明。此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
根据本发明的一个实施例，提供一种S形压电悬臂梁自供能的无线测温装置，参照图1，包括：压电自供能模块1，其内部包括S形压电悬臂梁11、能量收集管理电路12、储能器13；温度测量模块2；无线通讯模块3；主控模块4以及可选装的液晶显示模块5。
S形压电悬臂梁11，它将环境中的振动能量转化为电能，当环境中存在简谐振动时，S形悬臂梁101上产生应变。利用压电效应，在压电陶瓷片102会产生交变电压，所产生的电能经过能量收集管理电路12变换储存在储能器13中为间歇工作的低功耗温度测量模块2、无线通讯模块3和主控模块4供电。所述的S形压电悬臂梁11采用对称中点支撑，所述S形压电悬臂梁11由S形悬臂梁101、压电陶瓷102和质量块103组成，S形悬臂梁101采用金属基板，压电陶瓷102垂直方向极化、上下表面镀有电极，质量块103可根据不同的振动环境调节工作频率以便更好地回收振动能量。
能量收集管理电路12，本实施例以LTC3588为例还适于其他类型的能量采集芯片，用于把S形压电悬臂梁上产生的电能整流、滤波后储存在储能器13中，达到可以为各模块供电的作用。
所述压电自供能模块1能够产生3V、3.3V、5V三种不同电压。压电自供能模块1输出3.3V为温度测量模块2和可选装的超低功耗液晶显示模块5供电，输出5V电压为主控模块4供电。此外，压电自供能模块1还输出可控电压为无线通讯模块3供电。
温度测量模块2，本实施例以热敏电阻PT100搭配惠斯通电桥电路为例还适于其他形式温度测量传感器，温度测量模块2由主控模块4所控制，用于测量环境温度。
无线通讯模块3是以CC2530为核心的无线通讯模块，睡眠状态下只消耗1μA的电流，满足低功耗的要求。发送功率可达4.5dBm，具有较好的接收灵敏度和抗干扰性能。
主控模块4是由超低功耗单片机8051MCU完成，它是本发明S形压电悬臂梁供能的无线测温装置的控制核心。主控模块4的供电来源于压电自供能模块1的3.3V输出。主控模块4通过控制线输出高低电平信号控制压电自供能模块1是否为无线通讯模块3供电。主控模块4还控制温度测量模块2的工作。当外部平台呼叫所述S形压电悬臂梁供能的无线测温装置时，所述无线通讯模块3被激活，由所述主控模块4产生中断，主控模块4把温度测量模块2的测量结果发送给所述无线通讯模块3并发送到外部平台。主控模块4可连接选装的液晶显示模块5，实时显示被测目标的温度。
液晶显示模块5是一个可以选装的模块，可根据实际需要确定是否选装。以nokia5110LCD为例，3.3V的工作电压，正常显示时的工作电流在200μA以下，适合低功耗的便携式设备。
本发明中涉及到的本领域公知技术未做详细阐述。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或等同替换，而未脱离本发明精神实质和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明和权利要求范围之内。
Claims (1)
1.一种S形压电悬臂梁自供能的无线测温装置，用于测量环境温度，其特征在于：该装置包括压电自供能模块(1)、温度测量模块(2)、无线通讯模块(3)和主控模块(4)，其中：
所述的压电自供能模块(1)，适于变换环境中振动机械能量为电能并存储与管理所得电能；
所述的温度测量模块(2)，适于测量目标温度；
所述的无线通讯模块(3)，与所述主控模块(4)相连，适于根据从外部平台接收到的控制信号，将所述温度测量模块(2)的测量结果发送到外部平台；
所述的主控模块(4)，分别与所述压电自供能模块(1)、温度测量模块(2)和无线通讯模块(3)连接，由所述压电自供能模块(1)供电，适于控制压电自供能模块(1)为所述温度测量模块(2)和无线通讯模块(3)供电，还适于控制温度测量模块(2)和无线通讯模块(3)的工作；
所述压电自供能模块(1)包括S形压电悬臂梁(11)、能量收集管理电路(12)和储能器(13)；
所述压电自供能模块(1)中的S形压电悬臂梁(11)采用对称中点支撑，所述S形压电悬臂梁(11)由S形悬臂梁(101)、压电陶瓷(102)和质量块(103)组成，S形悬臂梁(101)采用金属基板，压电陶瓷(102)垂直方向极化、上下表面镀有电极，质量块(103)可根据不同的振动环境调节工作频率以便更好地回收振动能量；
所述压电自供能模块(1)中的S形压电悬臂梁(11)在振动环境下利用压电效应会产生交变电压，该交变电压经过能量收集管理电路(12)储存在储能器(13)中为所述温度测量模块(2)、无线通讯模块(3)和主控模块(4)供能；
所述温度测量模块(2)用于测量目标温度；
所述无线通讯模块(3)用于将温度测量模块(2)的测量结果发送到外部平台；
所述主控模块(4)用于控制温度测量模块(2)、无线通讯模块(3)和显示模块(5)的工作；
还包括可选装的显示模块(5)，与所述主控模块(4)连接，适于将所述温度测量模块(2)的测量结果与本装置运行状态显示在显示模块(5)上。
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