CN113189426B - 复合环境下传感器微能量收集装置性能测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了复合环境下传感器微能量收集装置性能测试方法及系统，涉及传感器测试技术领域，其技术方案要点是：将加载的环境微能量转化为电能输出，并对转化的电能处理后输出符合传感器供电标准的电源以向模拟传感器负荷的可调负载供电，以及将供电回路串入高精度同步采样装置；采集测试环境中的风速信号、光照强度信号、振动信号，并采集微能量收集装置的电参量数据，以及将采集数据以数字采样值报文形式发送至后台系统；计算分析后输出环境能量功率与能量转换效率。本发明可同时施加光能、风能、振动能激励，提供复合能量测试环境，具备电参量、功率测量、能效评估的长期监测的功能，可以用于具备复合能量收集器的微能量收集装置的性能测试。
Description
技术领域
本发明涉及传感器测试技术领域，更具体地说，它涉及复合环境下传感器微能量收集装置性能测试方法及系统。
背景技术
传感器微能量收集装置，是通过采集环境中普遍存在的能量，如光能、热能、机械能、电磁能等，并转化为电能后可向传感器网络进行供电的装置。有别于传统的收集装置，这类装置可运行于弱光、低风速区域，具备较低的启动阈值与较高的能量转换效率，为功耗在μW至mW量级低功耗传感器提供运行电能，是实现物联网传感器网络自供能与免维护的前提。
微能量收集装置一般由收集器与能量管理电路构成，收集器将环境能源转换为微弱电能输出至能量管理电路，再由能量管理电路将微弱电能转换为可供传感器运行的电源，存储或直接向传感器供电。随着传感器MEMS技术的发展，通常微能量收集装置会将多种能量收集技术集成在同一节点上，确保节点可以在能源形式单一或不足时也能正常工作。目前，对微能量收集装置的测试工作仅限于搭建简易的测试环境，加载的环境能量激励一般也仅止于风能或光能等单一能量，测试项目一般也仅限于输出电压测试，无法实现多种能量测试环境下的转换效率严格评估与性能持续监测。
因此，如何研究设计一种复合环境下传感器微能量收集装置性能测试方法及系统是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供复合环境下传感器微能量收集装置性能测试方法及系统。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了复合环境下传感器微能量收集装置性能测试方法，包括以下步骤：
建立用于提供连续可调的微风、微光、微振动能量输入的测试环境；
通过微能量收集装置的收集器将加载的环境微能量转化为电能输出，并通过微能量收集装置的电源管理电路对转化的电能处理后输出符合传感器供电标准的电源以向模拟传感器负荷的可调负载供电，以及将供电回路串入高精度同步采样装置；
通过高精度同步采样装置同时采集测试环境中的风速信号、光照强度信号、振动信号，并同步采集微能量收集装置的电参量数据，以及将采集数据以数字采样值报文形式发送至后台系统；
通过后台系统依据数字采样值进行计算分析后输出环境能量功率与能量转换效率，并对计算过程数据进行保存与显示，以及通过后台系统输出反馈调节能量输入的能量调节参数、负反馈调节模拟负荷的负荷调节参数进行动态测试。
进一步的，所述环境能量功率、能量转换效率的计算过程具体为：
获取数据库中存储的风速信号、光照强度信号、振动信号的采样值；
分别对测试环境中各个能量输入功率进行计算，得到对应的环境能量功率；
通过对环境能量功率进行时间积分计算，得到预设时间段内对应能量的环境能量值；
将微能量收集装置的输出电能与各个环境能量值之和对比，计算得到能量转换效率。
进一步的，所述风速信号的环境能量功率计算公式具体为：
其中，PW(t)为瞬时风能功率，ρ为空气密度，v(t)为瞬时风速，S为垂直于风速方向的试验区域横截面面积。
进一步的，所述光照强度信号的环境能量功率计算公式具体为：
PL(t)＝l(t)Ω
其中，PL(t)为瞬时光能功率，l(t)为瞬时光照强度，Ω为光能收集器敏感区域对应的空间立体角角度。
进一步的，所述振动信号的环境能量功率计算公式具体为：
PV(t)＝kg2(t)f(t)
其中，PV(t)为瞬时振动功率，g(t)为瞬时加速度，k为振动平台的功率谱密度常数，f(t)为瞬时振动频率。
第二方面，提供了复合环境下传感器微能量收集装置性能测试系统，包括：
测试环境模块，用于提供连续可调的微风、微光、微振动能量输入的测试环境；
微能量收集装置，用于通过收集器将加载的环境微能量转化为电能输出，并通过电源管理电路对转化的电能处理后输出符合传感器供电标准的电源以向模拟传感器负荷的可调负载供电，以及将供电回路串入高精度同步采样装置；
高精度同步采样装置，用于同时采集测试环境中的风速信号、光照强度信号、振动信号，并同步采集微能量收集装置的电参量数据，以及将采集数据以数字采样值报文形式发送至后台系统；
后台系统，用于依据数字采样值进行计算分析后输出环境能量功率与能量转换效率，并对计算过程数据进行保存与显示，以及通过后台系统输出反馈调节能量输入的能量调节参数、负反馈调节模拟负荷的负荷调节参数进行动态测试。
进一步的，所述后台系统配置有数据库、计算模块、展示模块、操作模块；
数据库，用于存储高精度同步采样装置采集的采集数据、计算模块中的计算过程数据、操作模块输出的能量调节参数和负荷调节参数；
计算模块，用于调取数据库中存储的电参量数据，并依据电参量数据计算得到环境能量功率与能量转换效率；
展示模块，用于对计算模块的计算过程数据进行显示；
操作模块，用于根据输入信息向测试环境模块传输能量调节参数以及向可调负载传输负荷调节参数。
进一步的，所述计算模块包括：
数据调取单元，用于调取数据库中存储的风速信号、光照强度信号、振动信号的采样值；
功率计算单元，用于分别对测试环境中各个能量输入功率进行计算，得到对应的环境能量功率；
能量计算单元，用于对环境能量功率进行时间积分计算，得到预设时间段内对应能量的环境能量值；
效率计算单元，用于将微能量收集装置的输出电能与各个环境能量值之和对比，计算得到能量转换效率。
进一步的，所述测试环境模块包括振动台以及位于振动台上表面的实验风洞，实验风洞两端开口设置；
实验风洞设置有微能量收集装置的收集器、电动风扇、标准光源、标准风速计、标准光照计、参考振动传感器；
收集器、标准风速计、标准光照计、参考振动传感器通过至少一个可调支撑杆集成安装在实验风洞中部，且标准光源的输出光线通过反射镜组投射至收集器处。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的复合环境下传感器微能量收集装置性能测试方法及系统，可同时施加光能、风能、振动能激励，提供复合能量测试环境，具备电参量、功率测量、能效评估的长期监测的功能，可以用于具备复合能量收集器的微能量收集装置的性能测试。
2、本发明提供标准化的测试环境，同一量化微能量收集装置性能评价方法，有助于微能量收集装置设计优化，提高产品性能验证效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的工作原理图；
图2是本发明实施例中测试环境模块的侧视分布结构示意图；
图3是本发明实施例中测试环境模块的俯视分布结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
101、振动台；102、实验风洞；103、电动风机；104、标准光源；105、反射镜组；106、标准风速计；107、参考振动传感器；108、标准光照计；109、收集器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：复合环境下传感器微能量收集装置性能测试方法，如图1所示，具体由以下步骤实现。
步骤一，建立用于提供连续可调的微风、微光、微振动能量输入的测试环境。
步骤二，通过微能量收集装置的收集器将加载的环境微能量转化为电能输出，并通过微能量收集装置的电源管理电路对转化的电能处理后输出符合传感器供电标准的电源以向模拟传感器负荷的可调负载供电，以及将供电回路串入高精度同步采样装置。
步骤三，通过高精度同步采样装置同时采集测试环境中的风速信号、光照强度信号、振动信号，并同步采集微能量收集装置的电参量数据，以及将采集数据以数字采样值报文形式发送至后台系统。在本实施例中，高精度同步采样装置以高精度为0.05级进行A/D同步采样。
步骤四，通过后台系统依据数字采样值进行计算分析后输出环境能量功率与能量转换效率，并对计算过程数据进行保存与显示，以及通过后台系统输出反馈调节能量输入的能量调节参数、负反馈调节模拟负荷的负荷调节参数进行动态测试。
环境能量功率、能量转换效率的计算过程具体为：获取数据库中存储的风速信号、光照强度信号、振动信号的采样值；分别对测试环境中各个能量输入功率进行计算，得到对应的环境能量功率；通过对环境能量功率进行时间积分计算，得到预设时间段内对应能量的环境能量值；将微能量收集装置的输出电能与各个环境能量值之和对比，计算得到能量转换效率。
风速信号的环境能量功率计算公式具体为：
其中，PW(t)为瞬时风能功率，ρ为空气密度，v(t)为瞬时风速，S为垂直于风速方向的试验区域横截面面积。
光照强度信号的环境能量功率计算公式具体为：
PL(t)＝l(t)Q
其中，PL(t)为瞬时光能功率，l(t)为瞬时光照强度，Ω为光能收集器敏感区域对应的空间立体角角度。
振动信号的环境能量功率计算公式具体为：
PV(t)＝kg2(t)f(t)
其中，PV(t)为瞬时振动功率，g(t)为瞬时加速度，k为振动平台的功率谱密度常数，f(t)为瞬时振动频率。
功率计算能量的公式具体为：
其中，Wx(t)为当前时刻累计的能量，Px(t)为瞬时功率。
能量转换效率的公式具体为：
其中，η为能量转换效率；W0(t)为微能量收集装置的输出电能；WW(t)，WL(t)，WV(t)分别为微风、微光、微振动的环境能量值。
实施例2：复合环境下传感器微能量收集装置性能测试系统，如图1-3所示，包括测试环境模块、微能量收集装置、高精度同步采样装置、后台系统。测试环境模块，用于提供连续可调的微风、微光、微振动能量输入的测试环境。微能量收集装置，用于通过收集器109将加载的环境微能量转化为电能输出，并通过电源管理电路对转化的电能处理后输出符合传感器供电标准的电源以向模拟传感器负荷的可调负载供电，以及将供电回路串入高精度同步采样装置。高精度同步采样装置，用于同时采集测试环境中的风速信号、光照强度信号、振动信号，并同步采集微能量收集装置的电参量数据，以及将采集数据以数字采样值报文形式发送至后台系统。后台系统，用于依据数字采样值进行计算分析后输出环境能量功率与能量转换效率，并对计算过程数据进行保存与显示，以及通过后台系统输出反馈调节能量输入的能量调节参数、负反馈调节模拟负荷的负荷调节参数进行动态测试。
如图1所示，后台系统配置有数据库、计算模块、展示模块、操作模块。数据库，用于存储高精度同步采样装置采集的采集数据、计算模块中的计算过程数据、操作模块输出的能量调节参数和负荷调节参数。计算模块，用于调取数据库中存储的电参量数据，并依据电参量数据计算得到环境能量功率与能量转换效率。展示模块，用于对计算模块的计算过程数据进行显示。操作模块，用于根据输入信息向测试环境模块传输能量调节参数以及向可调负载传输负荷调节参数。
计算过程数据包括但不限于风速、光照强度、振动信号、供电电压、电流、功率、相角、设定负荷值、电能、风能功率及能量、光能功率及能量、振动能功率及能量、能量转换效率等。展示模块以展示界面可显示：参量-时间曲线，给定时间段内各参量最大值、最小值、平均值等统计信息；微能量收集装置负荷特性曲线等。
操作模块可通过操作界面实现：风速、光照强度、振动强度的连续调节；负载的连续调节；实时发送当前设定负载值至数据库保存；设定计算参数；设定展示界面显示内容及显示参数调节；数据库操作等功能。
计算模块包括数据调取单元、功率计算单元、能量计算单元、效率计算单元。数据调取单元，用于调取数据库中存储的风速信号、光照强度信号、振动信号的采样值；功率计算单元，用于分别对测试环境中各个能量输入功率进行计算，得到对应的环境能量功率；能量计算单元，用于对环境能量功率进行时间积分计算，得到预设时间段内对应能量的环境能量值；效率计算单元，用于将微能量收集装置的输出电能与各个环境能量值之和对比，计算得到能量转换效率。
如图2与图3所示，测试环境模块包括振动台101以及位于振动台101上表面的实验风洞102，实验风洞102两端开口设置。实验风洞102设置有微能量收集装置的收集器109、电动风扇、标准光源104、标准风速计106、标准光照计108、参考振动传感器107。收集器109、标准风速计106、标准光照计108、参考振动传感器107通过至少一个可调支撑杆集成安装在实验风洞102中部，且标准光源104的输出光线通过反射镜组105投射至收集器109处。收集器109、标准风速计106、标准光照计108、参考振动传感器107集成安装可减小位置对测量结果的影响。
振动台101可提供可连续调整的振动能量，电机风扇提供连续可调的风能量，标准光源104提供连续可调的光能，测试过程中整个测试环境处于暗室中，防止外界光源干扰。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.复合环境下传感器微能量收集装置性能测试方法，其特征是，包括以下步骤：
建立用于提供连续可调的微风、微光、微振动能量输入的测试环境；
通过微能量收集装置的收集器将加载的环境微能量转化为电能输出，并通过微能量收集装置的电源管理电路对转化的电能处理后输出符合传感器供电标准的电源以向模拟传感器负荷的可调负载供电，以及将供电回路串入高精度同步采样装置；
通过高精度同步采样装置同时采集测试环境中的风速信号、光照强度信号、振动信号，并同步采集微能量收集装置的电参量数据，以及将采集数据以数字采样值报文形式发送至后台系统；
通过后台系统依据数字采样值进行计算分析后输出环境能量功率与能量转换效率，并对计算过程数据进行保存与显示，以及通过后台系统输出反馈调节能量输入的能量调节参数、负反馈调节模拟负荷的负荷调节参数进行动态测试；
所述环境能量功率、能量转换效率的计算过程具体为：
获取数据库中存储的风速信号、光照强度信号、振动信号的采样值；
分别对测试环境中各个能量输入功率进行计算，得到对应的环境能量功率；
通过对环境能量功率进行时间积分计算，得到预设时间段内对应能量的环境能量值；
将微能量收集装置的输出电能与各个环境能量值之和对比，计算得到能量转换效率；
所述风速信号的环境能量功率计算公式具体为：
其中，PW(t)为瞬时风能功率，ρ为空气密度，v(t)为瞬时风速，S为垂直于风速方向的试验区域横截面面积；
所述光照强度信号的环境能量功率计算公式具体为：
PL(t)＝l(t)Ω
其中，PL(t)为瞬时光能功率，l(t)为瞬时光照强度，Ω为光能收集器敏感区域对应的空间立体角角度；
所述振动信号的环境能量功率计算公式具体为：
PV(t)＝kg2(t)f(t)
其中，PV(t)为瞬时振动功率，g(t)为瞬时加速度，k为振动平台的功率谱密度常数，f(t)为瞬时振动频率；
功率计算能量的公式具体为：
其中，Wx(t)为当前时刻累计的能量，Px(t)为瞬时功率；
能量转换效率的公式具体为：
其中，η为能量转换效率；W0(t)为微能量收集装置的输出电能；WW(t)、WL(t)、WV(t)分别为微风、微光、微振动的环境能量值。
2.复合环境下传感器微能量收集装置性能测试系统，其特征是，包括：
测试环境模块，用于提供连续可调的微风、微光、微振动能量输入的测试环境；
微能量收集装置，用于通过收集器(109)将加载的环境微能量转化为电能输出，并通过电源管理电路对转化的电能处理后输出符合传感器供电标准的电源以向模拟传感器负荷的可调负载供电，以及将供电回路串入高精度同步采样装置；
高精度同步采样装置，用于同时采集测试环境中的风速信号、光照强度信号、振动信号，并同步采集微能量收集装置的电参量数据，以及将采集数据以数字采样值报文形式发送至后台系统；
后台系统，用于依据数字采样值进行计算分析后输出环境能量功率与能量转换效率，并对计算过程数据进行保存与显示，以及通过后台系统输出反馈调节能量输入的能量调节参数、负反馈调节模拟负荷的负荷调节参数进行动态测试；
所述环境能量功率、能量转换效率的计算过程具体为：
获取数据库中存储的风速信号、光照强度信号、振动信号的采样值；
分别对测试环境中各个能量输入功率进行计算，得到对应的环境能量功率；
通过对环境能量功率进行时间积分计算，得到预设时间段内对应能量的环境能量值；
将微能量收集装置的输出电能与各个环境能量值之和对比，计算得到能量转换效率；
所述风速信号的环境能量功率计算公式具体为：
其中，PW(t)为瞬时风能功率，ρ为空气密度，v(t)为瞬时风速，S为垂直于风速方向的试验区域横截面面积；
所述光照强度信号的环境能量功率计算公式具体为：
PL(t)＝l(t)Ω
其中，PL(t)为瞬时光能功率，l(t)为瞬时光照强度，Ω为光能收集器敏感区域对应的空间立体角角度；
所述振动信号的环境能量功率计算公式具体为：
PV(t)＝kg2(t)f(t)
其中，PV(t)为瞬时振动功率，g(t)为瞬时加速度，k为振动平台的功率谱密度常数，f(t)为瞬时振动频率；
功率计算能量的公式具体为：
其中，Wx(t)为当前时刻累计的能量，Px(t)为瞬时功率；
能量转换效率的公式具体为：
其中，η为能量转换效率；W0(t)为微能量收集装置的输出电能；WW(t)、WL(t)、WV(t)分别为微风、微光、微振动的环境能量值。
3.根据权利要求2所述的复合环境下传感器微能量收集装置性能测试系统，其特征是，所述后台系统配置有数据库、计算模块、展示模块、操作模块；
数据库，用于存储高精度同步采样装置采集的采集数据、计算模块中的计算过程数据、操作模块输出的能量调节参数和负荷调节参数；
计算模块，用于调取数据库中存储的电参量数据，并依据电参量数据计算得到环境能量功率与能量转换效率；
展示模块，用于对计算模块的计算过程数据进行显示；
操作模块，用于根据输入信息向测试环境模块传输能量调节参数以及向可调负载传输负荷调节参数。
4.根据权利要求3所述的复合环境下传感器微能量收集装置性能测试系统，其特征是，所述计算模块包括：
数据调取单元，用于调取数据库中存储的风速信号、光照强度信号、振动信号的采样值；
功率计算单元，用于分别对测试环境中各个能量输入功率进行计算，得到对应的环境能量功率；
能量计算单元，用于对环境能量功率进行时间积分计算，得到预设时间段内对应能量的环境能量值；
效率计算单元，用于将微能量收集装置的输出电能与各个环境能量值之和对比，计算得到能量转换效率。
5.根据权利要求2所述的复合环境下传感器微能量收集装置性能测试系统，其特征是，所述测试环境模块包括振动台(101)以及位于振动台(101)上表面的实验风洞(102)，实验风洞(102)两端开口设置；
实验风洞(102)设置有微能量收集装置的收集器(109)、电动风扇、标准光源(104)、标准风速计(106)、标准光照计(108)、参考振动传感器(107)；
收集器(109)、标准风速计(106)、标准光照计(108)、参考振动传感器(107)通过至少一个可调支撑杆集成安装在实验风洞(102)中部，且标准光源(104)的输出光线通过反射镜组(105)投射至收集器(109)处。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4820916A (en) * | 1987-05-05 | 1989-04-11 | Simmonds Precision Products | Optically powered sensor system |
| CN203519155U (zh) * | 2013-09-30 | 2014-04-02 | 西安科技大学 | 矿用全方向自供电无线振动传感装置 |
| CN205080451U (zh) * | 2015-07-26 | 2016-03-09 | 深圳市吉斯迪科技有限公司 | 一种开闭环结合的光能校准系统 |
| WO2018220406A1 (en) * | 2017-06-02 | 2018-12-06 | University Of Exeter | Method of controlling an energy harvesting system |
| CN109193907A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-01-11 | 河海大学常州校区 | 一种无线传感器网络wsn节点的微能量收集装置 |
-
2021
- 2021-04-30 CN CN202110482892.3A patent/CN113189426B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 微压电式振动能量采集器的研究进展;孙健;李以贵;刘景全;杨春生;何丹农;;微纳电子技术(第11期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113189426A (zh) | 2021-07-30 |
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