CN110329660B - 基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置及设计方法，该装置包括设置在包装箱体内部的印刷线圈、印刷电路、印刷电容和印刷传感器；印刷线圈、印刷电容、印刷传感器之间通过印刷电路相互连接，印刷线圈和印刷电容相互并联共同组成磁共振无线供电的接收端，包装箱体外部设置有磁共振无线供电的发射端，接收端通过接收发射端的电能，将电能传输给印刷传感器，实现包装箱体内部监测的功能；其中：印刷线圈、印刷电路、印刷电容均以导电油墨印刷在一张PET塑料膜上，PET塑料膜附在包装箱体内部。本发明能够让包装实现监测内部情况功能，同时不影响其容积及重量。

Description

基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置及设计方法
技术领域
本发明涉及无线供电印刷传感包装技术领域，尤其涉及一种基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置及设计方法。
背景技术
磁共振式无线充电技术，由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量。
碳系水性导电油墨，可通过油墨中石墨粒子导电，导电性能接近铜，从而可以实现柔性印刷电路。印刷传感器，以温度传感器为例，加入弹性树脂的导电油墨在不同温度下体积会发生变化，表现为电阻发生变化，因此可以用来检测温度。
由于常规的方案希望通过给运输包装加入传感的功能，然而让包装内置电池会增加成本，且会给运输带来安全隐患，同时难以外部操作控制电路的通断；而外接电源的线材又会给搬运和运输造成诸多的不便，而且在包装内设置传感器又会挤压包装内部空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置及设计方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置，该装置包括设置在包装箱体内部的印刷线圈、印刷电路、印刷电容和印刷传感器；印刷线圈、印刷电容、印刷传感器之间通过印刷电路相互连接，印刷线圈和印刷电容相互并联共同组成磁共振无线供电的接收端，包装箱体外部设置有磁共振无线供电的发射端，接收端通过接收发射端的电能，将电能传输给印刷传感器，实现包装箱体内部监测的功能；其中：印刷线圈、印刷电路、印刷电容均以导电油墨印刷在一张PET塑料膜上，PET塑料膜附在包装箱体内部。
进一步地，本发明的印刷传感器与包装箱体外表面以打孔的方式连接并外露触点，以获取印刷传感器收集到的数据。
进一步地，本发明的印刷传感器为电阻类传感器，包括压力传感器和温度传感器。
进一步地，本发明的印刷传感器在印刷时，所用导电油墨中加入弹性树脂，电阻类传感器的电阻变化以印刷传感器中的弹性树脂导致的体积变化来实现。
进一步地，本发明的印刷电容包括分别设置在PET塑料膜两侧的正面极板和反面极板；PET塑料膜上开设有多个孔洞；印刷线圈、印刷电容的正面极板和印刷传感器通过印刷电路连接，均设置在PET塑料膜的同一侧；印刷电容的反面极板设置在PET塑料膜的另一侧，且正面极板和反面极板通过穿过孔洞的印刷电路相互连接，孔洞上填充有导电油墨。
进一步地，本发明的印刷线圈为绕制有多圈的平面矩形线圈，印刷线圈的两端分别位于印刷线圈的外侧和印刷线圈的中心位置；印刷线圈的外侧端与印刷电容的正面极板相连；孔洞设置有三个，包括第一孔洞、第二孔洞和第三孔洞；印刷线圈的中心端的连线穿过第一孔洞，印刷电路的一端穿过第二孔洞，使印刷线圈的中心端和印刷电路在反面极板所在的面上实现跳线连接；第二孔洞和第三孔洞之间通过印刷电路连接，且印刷电路穿过第三孔洞，使反面极板与印刷电路相互连接；实现两极分别设置在两个面上的印刷电容与印刷线圈的并联。
进一步地，本发明的导电油墨采用碳系水性导电油墨。
进一步地，本发明的PET塑料膜在包装箱体内部的固定设置方式包括：设置在包装箱体的一个面上，或设置在包装箱体的多个面上；若设置在包装箱体的多个面上时，相邻两个面的折叠部位的PET塑料膜上的印刷电路通过加厚处理设置有墨层加厚处。
进一步地，本发明的印刷线圈、印刷电容、印刷电路和印刷传感器通过一次印刷加工而成。
本发明提供一种基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、根据磁共振无线供电的工作频率，确定印刷线圈的电感值L及印刷电容的电容值C；
步骤2、根据包装箱体的尺寸，确定印刷线圈的外径；
步骤3、计算印刷线圈的匝数、线宽和线间距，确定印刷电容的形状、大小；其计算公式为：
电感
Figure GDA0002826094370000031
其中，a＝a0-N(g+ω)，b＝b0-N(g+ω)，
Figure GDA0002826094370000032
a0为矩形印刷线圈长边轮廓尺寸；b0为矩形印刷线圈短边轮廓尺寸；a为矩形印刷线圈的平均长度；b为矩形印刷线圈的平均宽度；ω为导线宽度；g为线间距；t为截面高度；N为线圈匝数；μ0为真空磁导率，取值为4π*10-10；p值取决于线圈实际加工工艺，取值在1.75到1.85之间；所得电感量单位为亨利；
电容C＝εrS/4πkd
其中，εr为塑料膜的介电常数，d为塑料膜的厚度，S为印刷电容的面积，k为静电力常数；
步骤4、根据包装箱体的尺寸，确定印刷电路的形状、大小；
步骤5、根据计算得到的参数，使用平面软件画图，并制版、印刷、覆膜，通过印刷传感器获取包装箱体内部的监测信息。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置及设计方法，给运输包装加上了传感的功能，随时获知箱内的情况，同时杜绝了内置电池的安全隐患和外接电源线材造成的不便；相比铜线组成的线圈和电路，导电油墨印刷电路几乎完全扁平，不占用包装箱内部的任何空间，同时重量极为轻便，不会因为无线供电模块和印刷发热模块而给整个包装件增加太多的重量从而妨碍运输，除此之外，导电油墨印刷电路的成本非常低廉，给包装带来功能的同时不会让包装增加太多的成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的印刷塑料膜正面印刷内容示意图；
图2是本发明实施例的印刷塑料膜反面印刷内容示意图；
图3是本发明实施例的印刷塑料膜与包装盒的相对位置示意图；
图4是本发明实施例的印刷方式结构示意图；
图5是本发明实施例的电路原理示意图；
图中：1-印刷线圈，2-正面极板，3-印刷传感器，4-孔洞，5-墨层加厚处，6-反面极板，7-包装箱体，8-PET塑料膜。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图3所示，本发明实施例的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置，该装置包括设置在包装箱体7内部的印刷线圈1、印刷电路、印刷电容和印刷传感器3；印刷线圈1、印刷电容、印刷传感器3之间通过印刷电路相互连接，印刷线圈1和印刷电容相互并联共同组成磁共振无线供电的接收端，包装箱体7外部设置有磁共振无线供电的发射端，接收端通过接收发射端的电能，将电能传输给印刷传感器3，实现包装箱体7内部监测的功能；其中：印刷线圈1、印刷电路、印刷电容均以导电油墨印刷在一张PET塑料膜8上，PET塑料膜8附在包装箱体7内部。
印刷传感器3与包装箱体7外表面以打孔的方式连接并外露触点，以获取印刷传感器3收集到的数据。
印刷传感器3为电阻类传感器，包括压力传感器和温度传感器。
印刷传感器3在印刷时，所用导电油墨中加入弹性树脂，电阻类传感器的电阻变化以印刷传感器中的弹性树脂导致的体积变化来实现。
印刷电容包括分别设置在PET塑料膜8两侧的正面极板2和反面极板6；PET塑料膜8上开设有多个孔洞4；印刷线圈1、印刷电容的正面极板2和印刷传感器3通过印刷电路连接，均设置在PET塑料膜8的同一侧；印刷电容的反面极板6设置在PET塑料膜8的另一侧，且正面极板2和反面极板6通过穿过孔洞4的印刷电路相互连接，孔洞4上填充有导电油墨。
由于常规的电容体积过大，不适用于印刷包装上，所以需要采用印刷电容，但是电容器要电容值够大，需要较大的面积，而设计在同一侧，面积不够大。所以本发明采用正反两面设置电容的方式，能够在保证体积小的前提下，满足对电容值的要求。
印刷线圈1为绕制有多圈的平面矩形线圈，印刷线圈的两端分别位于印刷线圈的外侧和印刷线圈的中心位置；印刷线圈的外侧端与印刷电容的正面极板2相连；孔洞4设置有三个，包括第一孔洞、第二孔洞和第三孔洞；印刷线圈的中心端的连线穿过第一孔洞，印刷电路的一端穿过第二孔洞，使印刷线圈的中心端和印刷电路在反面极板6所在的面上实现跳线连接；第二孔洞和第三孔洞之间通过印刷电路连接，且印刷电路穿过第三孔洞，使反面极板6与印刷电路相互连接；实现两极分别设置在两个面上的印刷电容与印刷线圈1的并联。
导电油墨采用碳系水性导电油墨。
PET塑料膜8在包装箱体7内部的固定设置方式包括：设置在包装箱体7的一个面上，或设置在包装箱体7的多个面上；若设置在包装箱体7的多个面上时，相邻两个面的折叠部位的PET塑料膜8上的印刷电路通过加厚处理设置有墨层加厚处5。
印刷线圈1、印刷电容、印刷电路和印刷传感器3通过一次印刷加工而成。
本发明实施例的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置的设计方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、根据磁共振无线供电的工作频率，确定印刷线圈的电感值L及印刷电容的电容值C；
步骤2、根据包装箱体的尺寸，确定印刷线圈的外径；
步骤3、计算印刷线圈的匝数、线宽和线间距，确定印刷电容的形状、大小；其计算公式为：
电感
Figure GDA0002826094370000061
其中，a＝a0-N(g+ω)，b＝b0-N(g+ω),
Figure GDA0002826094370000062
a0为矩形印刷线圈长边轮廓尺寸；b0为矩形印刷线圈短边轮廓尺寸；a为矩形印刷线圈的平均长度；b为矩形印刷线圈的平均宽度；ω为导线宽度；g为线间距；t为截面高度；N为线圈匝数；μ0为真空磁导率，取值为4π*10-10；p值取决于线圈实际加工工艺，取值在1.75到1.85之间；所得电感量单位为亨利；
电容C＝εrS/4πkd
其中，εr为塑料膜的介电常数，d为塑料膜的厚度，S为印刷电容的面积，k为静电力常数；
步骤4、根据包装箱体的尺寸，确定印刷电路的形状、大小；
步骤5、根据计算得到的参数，使用平面软件画图，并制版、印刷、覆膜，通过印刷传感器获取包装箱体内部的监测信息。
通过在运输工具上搭载无线供电发射装置，可以在外部获知箱内的温度等情况，从而可随时采取措施，保护内部商品。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置，其特征在于，该装置包括设置在包装箱体(7)内部的印刷线圈(1)、印刷电路、印刷电容和印刷传感器(3)；印刷线圈(1)、印刷电容、印刷传感器(3)之间通过印刷电路相互连接，印刷线圈(1)和印刷电容相互并联共同组成磁共振无线供电的接收端，包装箱体(7)外部设置有磁共振无线供电的发射端，接收端通过接收发射端的电能，将电能传输给印刷传感器(3)，实现包装箱体(7)内部监测的功能；其中：印刷线圈(1)、印刷电路、印刷电容均以导电油墨印刷在一张PET塑料膜(8)上，PET塑料膜(8)附在包装箱体(7)内部；
印刷电容包括分别设置在PET塑料膜(8)两侧的正面极板(2)和反面极板(6)；PET塑料膜(8)上开设有多个孔洞(4)；印刷线圈(1)、印刷电容的正面极板(2)和印刷传感器(3)通过印刷电路连接，均设置在PET塑料膜(8)的同一侧；印刷电容的反面极板(6)设置在PET塑料膜(8)的另一侧，且正面极板(2)和反面极板(6)通过穿过孔洞(4)的印刷电路相互连接，孔洞(4)上填充有导电油墨；
印刷线圈(1)为绕制有多圈的平面矩形线圈，印刷线圈的两端分别位于印刷线圈的外侧和印刷线圈的中心位置；印刷线圈的外侧端与印刷电容的正面极板(2)相连；孔洞(4)设置有三个，包括第一孔洞、第二孔洞和第三孔洞；印刷线圈的中心端的连线穿过第一孔洞，印刷电路的一端穿过第二孔洞，使印刷线圈的中心端和印刷电路在反面极板(6)所在的面上实现跳线连接；第二孔洞和第三孔洞之间通过印刷电路连接，且印刷电路穿过第三孔洞，使反面极板(6)与印刷电路相互连接；实现两极分别设置在两个面上的印刷电容与印刷线圈(1)的并联。
2.根据权利要求1所述的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置，其特征在于，印刷传感器(3)与包装箱体(7)外表面以打孔的方式连接并外露触点，以获取印刷传感器(3)收集到的数据。
3.根据权利要求1所述的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置，其特征在于，印刷传感器(3)为电阻类传感器，包括压力传感器和温度传感器。
4.根据权利要求3所述的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置，其特征在于，印刷传感器(3)在印刷时，所用导电油墨中加入弹性树脂，电阻类传感器的电阻变化以印刷传感器中的弹性树脂导致的体积变化来实现。
5.根据权利要求1所述的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置，其特征在于，导电油墨采用碳系水性导电油墨。
6.根据权利要求1所述的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置，其特征在于，PET塑料膜(8)在包装箱体(7)内部的固定设置方式包括：设置在包装箱体(7)的一个面上，或设置在包装箱体(7)的多个面上；若设置在包装箱体(7)的多个面上时，相邻两个面的折叠部位的PET塑料膜(8)上的印刷电路通过加厚处理设置有墨层加厚处(5)。
7.根据权利要求1所述的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置，其特征在于，印刷线圈(1)、印刷电容、印刷电路和印刷传感器(3)通过一次印刷加工而成。
8.一种权利要求1所述的基于磁共振无线供电技术的印刷传感器包装装置的设计方法，其特征在于,该方法包括以下步骤：
步骤1、根据磁共振无线供电的工作频率，确定印刷线圈的电感值L及印刷电容的电容值C；
步骤2、根据包装箱体的尺寸，确定印刷线圈的外径；
步骤3、计算印刷线圈的匝数、线宽和线间距，确定印刷电容的形状、大小；其计算公式为：
电感
Figure FDA0002826094360000021
其中，a＝a0-N(g+ω)，b＝b0-N(g+ω),
Figure FDA0002826094360000022
a0为矩形印刷线圈长边轮廓尺寸；b0为矩形印刷线圈短边轮廓尺寸；a为矩形印刷线圈的平均长度；b为矩形印刷线圈的平均宽度；ω为导线宽度；g为线间距；t为截面高度；N为线圈匝数；μ0为真空磁导率，取值为4π*10-10；p值取决于线圈实际加工工艺，取值在1.75到1.85之间；所得电感量单位为亨利；
电容C＝εrS/4πkd
其中，εr为塑料膜的介电常数，d为塑料膜的厚度，S为印刷电容的面积，k为静电力常数；
步骤4、根据包装箱体的尺寸，确定印刷电路的形状、大小；
步骤5、根据计算得到的参数，使用平面软件画图，并制版、印刷、覆膜，通过印刷传感器获取包装箱体内部的监测信息。
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