CN110858725B - 一种环境取能装置及其智能监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环境取能装置及其智能监测系统，所述装置包括：凹形基座、以所述凹型基座的两竖直臂为支撑臂的导磁支撑板、垂直于所述支撑板板面且位于所述支撑板自由端间的导磁铁芯、所述导磁铁芯外的感应线圈、以及置于所述导磁铁芯与所述凹型基座间的从上到下依次设置的磁性动子和阻尼件，本发明提供的技术方案，在振动环境中将振动能量有效的转换为电能，从而为智能监测终端提供周期性的电力供应，对于一些环境恶劣、不易更换电池的振动环境有极大的优势。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种环境取能装置及其智能监测系统。
背景技术
无线传感器网络是计算机、通信技术和传感器结合的产物，是一种全新的信息识别、获取和处理技术，被广泛的应用在环境的保护、监测、军事、医疗等多个领域。
目前，无线传感器网络的发展方向是利用微机电、微无线通信技术来设计体积小、寿命长、低功耗的传感器节点。
然而，尺寸的减小提高了结构的整体性能，传统的化学电池储能有限、寿命短，需要经常更换，但在野外等一些特殊场合，传感器节点的供电电源无法实现方便快捷的更换，而且长时间使用化学电池容易出现化学材料的泄露，腐蚀传感器等器件。
发明内容
本发明提供一种环境取能装置及其智能监测系统，其目的是解决一些环境恶劣、不易更换电池的振动环境中的电能供应问题。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种环境取能装置，其改进之处在于，包括：
凹形基座、以所述凹形基座的两竖直臂为支撑臂的导磁支撑板、垂直于所述支撑板板面且位于所述支撑板自由端间的导磁铁芯、所述导磁铁芯外的感应线圈、以及置于所述导磁铁芯与所述凹形基座间的从上到下依次设置的磁性动子和阻尼件。
优选的，所述支撑板的数目为2；
所述支撑板的内表面上分别设有上下两个磁齿，其中一个支撑板的上磁齿的上端与另一个支撑板的上磁齿的下端在同一水平面上，该支撑板的下磁齿的下端与另一个支撑板的下磁齿的上端在同一水平面上；
其中一个支撑板的上磁齿的上端与下磁齿的下端间的距离为所述磁性动子中条形永磁体的高度与一个衔铁的高度之和；
另一个支撑板的上磁齿的下端与下磁齿的下端间的距离为所述磁性动子的高度。
优选的，所述磁性动子包括:
竖直设置的条形永磁体和位于所述条形永磁体两端的衔铁；
所述衔铁与所述磁齿相对的一端的面积相等。
进一步的，所述磁性动子的条形永磁体与阻尼件同轴心设置。
一种基于环境取能的智能监测系统，包括智能监测单元和所述的环境取能装置，所述智能监测单元包括：
整流滤波模块、能量存储模块、处理器模块、传感器信息采集模块和通信模块；
所述整流滤波模块与所述环境取能装置的感应线圈连接，用于对所述环境取能装置发来的交流电进行整流滤波，所述能量存储模块对整流滤波后的电能进行存储并为其余各模块进行供电；
所述传感器信息采集模块将采集到的电能信息发送给处理器模块，所述处理器模块根据上级调度中心指令对所述电能信息进行处理后通过通信模块发送至上级调度中心。
进一步的，所述整流滤波模块、能量存储模块和处理器模块依次连接；
所述处理器模块分别与所述传感器信息采集模块和所述通信模块连接。
进一步的，所述整流滤波模块包括：
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、变阻器RW1 以及电源芯片；
所述电源芯片为LM317；
交流输入的一端与所述第二二极管的正端连接，所述第二二极管的负端与所述第一二极管的负端和所述电源芯片的第三引脚连接；所述电源芯片的第二引脚与所述第一二极管的正端、所述第三电容的正端、所述第三二极管的负端和所述第二电阻的一端连接作为直流输出端的正极，所述第二电阻的另一端与所述电源芯片的第一引脚、所述第三二极管的正端、所述第一电阻的一端、所述第一电容的正端和所述第二电容的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述变阻器的变阻端连接，所述变阻器的另一端、所述第一电容的负端、所述第二电容的另一端、所述第三电容的负端、所述第三电阻的另一端以及所述交流输入的另一端共同与地连接。
进一步的，所述通信模块为NB-IOT通信模块。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种环境取能装置包括：凹形基座、以所述凹形基座的两竖直臂为支撑臂的导磁支撑板、垂直于所述支撑板板面且位于所述支撑板自由端间的导磁铁芯、所述导磁铁芯外的感应线圈、以及置于所述导磁铁芯与所述凹形基座间的从上到下依次设置的磁性动子和阻尼件。基于本发明的技术方案，尽量减小了永磁体自身磁场和感应磁场对磁性动子产生的阻尼力，而且利用导磁材料的束磁特性改变永磁体在空间的磁场分布，使得感应强度增大，提高了能量的收集能力和磁电质检的转换效率，在振动环境中将振动能量有效的转换为电能；环境取能单元可以为智能监测单元提供周期性的电力供应；本发明提供的环境取能装置，对于一些环境恶劣、不易更换电池的振动环境场合有极大的优势。
附图说明
图1是本发明提供的一种环境取能装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1中环境取能装置中基座的结构示意图；
图3是本发明实施例1中环境取能装置中磁性动子的三视图；
图4是本发明实施例1中环境取能装置中磁性动子与磁齿三种工作位置实物正视图；
图5是本发明实施例1中环境取能装置中磁性动子与磁齿三种工作位置磁感应线仿真图；
图6是本发明实施例2中基于环境取能的智能监测系统的结构示意图；
图7是本发明实施例中基于环境取能的智能监测系统中整流滤波模块电路图；
其中，1-环境取能装置、2-智能监测单元、1-1-凹形基座、1-2-导磁支撑板、1-3-导磁铁芯、1-4-感应线圈、1-5-阻尼件、1-6-磁性动子、1-6-1-条形永磁体、1-6-2-衔铁、1-7-磁齿、2-1-整流滤波模块、2-2-能量存储模块、2-3-处理器模块、2-4-传感器信息采集模块以及2-5-通信模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供一种环境取能装置，如图1所示，包括：
凹形基座1-1、以所述凹形基座1-1的两竖直臂为支撑臂的导磁支撑板1-2、垂直于所述支撑板1-2板面且位于所述支撑板自由端间的导磁铁芯1-3、所述导磁铁芯1-3外的感应线圈1-4、以及置于所述导磁铁芯1-3与所述凹形基座1-1 间的从上到下依次设置的磁性动子1-6和阻尼件1-5。
例如：所述凹形基座1-1的形状如图2所示，由无导磁性材料制成；
所述导磁支撑板1-2由高导磁材料制成；
所述导磁铁芯1-3由高导磁材料制成；
所述感应线圈1-4为铜制感应线圈。
所述支撑板1-2的数目为2；
所述支撑板1-2的内表面上分别设有上下两个磁齿1-7，其中一个支撑板 1-2的上磁齿的上端与另一个支撑板1-2的上磁齿的下端在同一水平面上，该支撑板1-2的下磁齿的下端与另一个支撑板1-2的下磁齿的上端在同一水平面上；
其中一个支撑板1-2的上磁齿的上端与下磁齿的下端间的距离为所述磁性动子1-6中条形永磁体1-6-1的高度与一个衔铁1-6-2的高度之和；
另一个支撑板1-2的上磁齿的下端与下磁齿的下端间的距离为所述磁性动子1-6的高度。
如图3所示，所述磁性动子1-6包括:
竖直设置的条形永磁体1-6-1和位于所述条形永磁体两端的衔铁1-6-2；
所述衔铁1-6-2与所述磁齿1-7相对的一端的面积相等。
例如：可以根据环境中振动幅值调整所述磁齿1-7与所述衔铁1-6-1的宽度，使得感应线圈1-4中的磁通量最大，以提高电磁俘获能力。
当外界环境产生振动时，磁性动子1-6与磁齿1-7发生相对运动，感应线圈1-4中磁感应强度随之不断变化，从而在感应线圈1-4中产生电动势。
如图4所示，为磁性动子1-6与磁齿1-7的三种位置关系：
位置1：“工”字形的磁性动子1-6的上衔铁的上端与一个支撑板1-2的上磁齿的上端在同一水平面上，“工”字形的磁性动子1-6的下衔铁的下端与另一个支撑板1-2的下磁齿的下端在同一水平面上。该位置时，磁力线的走向为：从条形永磁体1-6-1的N极出发，经过衔铁1-6-2、支撑板1-2、感应线圈1-4 回到条形永磁体1-6-1的S极，形成闭合的磁路。在该位置时，导磁铁芯1-3 中的磁感应强度为最大值，感应线圈1-4中的感应电压为最大值。
位置2：“工”字形的磁性动子1-6的上衔铁的中轴线分别与一个支撑板 1-2的上磁齿的上端以及另一个支撑板1-2的上磁齿的下端在同一水平面上，“工”字形的磁性动子1-6的下衔铁的中轴线分别与一个支撑板1-2的下磁齿的下端以及另一个支撑板1-2的下磁齿的上端在同一水平面上。该位置时，全部磁力线不经过感应线圈1-4。在该位置时，导磁铁芯1-3中的磁感应强度为最小值，感应线圈1-4中的感应电压为最小值。
位置3：“工”字形的磁性动子1-6的上衔铁的下端与一个支撑板1-2的上磁齿的上端在同一水平面上，“工”字形的磁性动子1-6的下衔铁的下端与该支撑板1-2的下磁齿的下端在同一水平面上。该位置时，磁力线的走向为：从条形永磁体1-6-1的N极出发，经过衔铁1-6-2、支撑板1-2、感应线圈1-4回到条形永磁体1-6-1的S极，形成闭合的磁路。在该位置时，导磁铁芯1-3中的磁感应强度为最大值，感应线圈1-4中的感应电压为最大值，但磁力线的方向与位置1时相反。
如图5所示，磁性动子1-6从位置1向位置2运动的过程中，导磁铁芯 1-3中经过的磁力线越来越少，感应线圈1-4中的磁通量逐渐减少，到达位置2 时，感应线圈1-4中的磁通量达到最小值，从位置2向位置3运动的过程中，导磁铁芯1-3中经过的磁力线越来越多，感应线圈1-4中的磁通量逐渐增多，到达位置3时达到最大值，此过程磁通量完成一个周期变化。
感应线圈1-4中的感应电动势为E：
其中，N为感应线圈的线圈匝数，
为穿过单匝线圈的磁通量，S为感应线圈的截面积，B为感应线圈中的磁感应强度。
进一步的，所述磁性动子的条形永磁体与阻尼件同轴心设置。
实施例2：
本发明提供一种基于环境取能的智能监测系统，如图6所示，包括：
智能监测单元2和与实施例1采用相同结构和工作原理的环境取能装置1；
所述智能监测单元包括：
整流滤波模块2-1、能量存储模块2-2、处理器模块2-3、传感器信息采集模块2-4和通信模块2-5；
所述整流滤波模块2-1与所述环境取能装置1的感应线圈1-4连接，用于对所述环境取能装置发来的交流电进行整流滤波，所述能量存储模块2-2对整流滤波后的电能进行存储并为其余各模块进行供电；
所述传感器信息采集模块2-4将从待采集对象(可以是插座或者其它能够被采集电能信息的器件)处采集到的电能信息发送给处理器模块2-3，所述处理器模块2-3根据上级调度中心的指令对所述电能信息进行处理后通过通信模块 2-5发送至上级调度中心。
实际工况中，处理器模块2-3可以根据上级调度中心发出的指令对采集到的电能信息进行相应处理，电能信息可以包括电流、电压以及其他常规可以采集到的电能信息。例如，上级调度中心需要获取待采集对象的功率，则通过通信模块2-5向处理器模块发出获取待采集对象功率的指令，处理器模块则根据采集到的电流和电压计算出功率，并通过通信模块2-5传至上级调度中心。
所述整流滤波模块2-1、能量存储模块2-2和处理器模块2-3依次连接；
所述处理器模块2-3分别与所述传感器信息采集模块2-4和所述通信模块 2-5连接。
例如：所述通信模块2-5为NB-IOT通信模块。
将感应线圈1-4与整流滤波模块2-1连接，为能量存储模块2-2中的电容充电，当能量存储模块2-2中的电容的电量达到阈值时为其他模块供电，当能量存储模块2-2中的电容的电量不足时，通信模块2-5不发送数据。
进一步的，如图7所示，所述整流滤波模块包括：
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、变阻器RW1 以及电源芯片；
所述电源芯片为LM317；
交流输入的一端与所述第二二极管的正端连接，所述第二二极管的负端与所述第一二极管的负端和所述电源芯片的第三引脚连接；所述电源芯片的第二引脚与所述第一二极管的正端、所述第三电容的正端、所述第三二极管的负端和所述第二电阻的一端连接作为直流输出端的正极，所述第二电阻的另一端与所述电源芯片的第一引脚、所述第三二极管的正端、所述第一电阻的一端、所述第一电容的正端和所述第二电容的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述变阻器的变阻端连接，所述变阻器的另一端、所述第一电容的负端、所述第二电容的另一端、所述第三电容的负端、所述第三电阻的另一端以及所述交流输入的另一端共同与地连接。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以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者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.一种环境取能装置，其特征在于，所述装置包括：
凹形基座、以所述凹形基座的两竖直臂为支撑臂的导磁支撑板、垂直于所述支撑板板面且位于所述支撑板自由端间的导磁铁芯、所述导磁铁芯外的感应线圈、以及置于所述导磁铁芯与所述凹形基座间的从上到下依次设置的磁性动子和阻尼件；
所述支撑板的数目为2；
所述支撑板的内表面上分别设有上下两个磁齿，其中一个支撑板的上磁齿的上端与另一个支撑板的上磁齿的下端在同一水平面上，该支撑板的下磁齿的下端与另一个支撑板的下磁齿的上端在同一水平面上；
其中一个支撑板的上磁齿的上端与下磁齿的下端间的距离为所述磁性动子中条形永磁体的高度与一个衔铁的高度之和；
另一个支撑板的上磁齿的下端与下磁齿的下端间的距离为所述磁性动子的高度；
所述磁性动子包括:
竖直设置的条形永磁体和位于所述条形永磁体两端的衔铁；
所述衔铁与所述磁齿相对的一端的面积相等。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁性动子的条形永磁体与阻尼件同轴心设置。
3.一种基于环境取能的智能监测系统，其特征在于，包括智能监测单元和如权利要求1-2任一所述的环境取能装置，所述智能监测单元包括：
整流滤波模块、能量存储模块、处理器模块、传感器信息采集模块和通信模块；
所述整流滤波模块与所述环境取能装置的感应线圈连接，用于对所述环境取能装置发来的交流电进行整流滤波，所述能量存储模块对整流滤波后的电能进行存储并为其余各模块进行供电；
所述传感器信息采集模块将采集到的电能信息发送给处理器模块，所述处理器模块根据上级调度中心的指令对所述电能信息进行处理后通过通信模块发送至上级调度中心。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述整流滤波模块、能量存储模块和处理器模块依次连接；
所述处理器模块分别与所述传感器信息采集模块和所述通信模块连接。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述整流滤波模块包括：
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、变阻器RW1以及电源芯片；
所述电源芯片为LM317；
交流输入的一端与所述第二二极管的正端连接，所述第二二极管的负端与所述第一二极管的负端和所述电源芯片的第三引脚连接；所述电源芯片的第二引脚与所述第一二极管的正端、所述第三电容的正端、所述第三二极管的负端和所述第二电阻的一端连接作为直流输出端的正极，所述第二电阻的另一端与所述电源芯片的第一引脚、所述第三二极管的正端、所述第一电阻的一端、所述第一电容的正端和所述第二电容的一端连接，所述第一电阻的另一端与所述变阻器的变阻端连接，所述变阻器的另一端、所述第一电容的负端、所述第二电容的另一端、所述第三电容的负端、所述第三电阻的另一端以及所述交流输入的另一端共同与地连接。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述通信模块为NB-IOT通信模块。
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- 2018-08-24 CN CN201810971124.2A patent/CN110858725B/zh active Active
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