CN113364341A - 一种适用于智能传感器的振动自取电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于智能传感器的振动自取电装置，该装置包括振动自取电主体组件；所述振动自取电主体组件包括主控振动取电单元、若干振动取电单元和刚韧性衬板；所述振动取电单元和所述主控振动取电单元均设置在所述刚韧性衬板上；所述刚韧性衬板设置有内置导线；若干所述振动取电单元分别基于所述内置导线与所述主控振动取电单元连接。通过设置振动自取电主体组件，实现传感器的无源，可以利用开关柜本身工作过程中，长期存在的工频振动特点，采集并转换振动能为电能，而且振动取电单元能量转化率高，该方式适用于电力开关柜设备，使传感器的长期在线运行，延长传感器的寿命，具有广泛的使用价值。

Description

一种适用于智能传感器的振动自取电装置
技术领域
本发明涉及电力开关柜在线监测技术领域，尤其涉及一种适用于智能传感器的振动自取电装置。
背景技术
振动是发声的根源并能传播固体声造成噪声危害。随着对绿色能源的开发和节能意识的提高，如何利用振动所产生的能量成了一个极具意义的研究课题。《一种振动自发电控制集成式电池》申请号201910951923.8公开了一种振动发电电池，能将环境中振动能量持续收集并转换为稳定电能。
现有技术对开关柜监测，在供电方式上有有源和无源之分，有源即常见的电池供电方式，电池使用寿命有限，更换麻烦；无源有电流取电技术、RFID技术、电场取电技术等，而电流取电必须让设备有负载运行才能工作、RFID技术读取天线较大，安装不方便，电场取电技术，需要传感有较大的体积，并与高压导体相接触，实现难度大。
现有技术的缺点：
1、能量转换率低。例如上述专利中的箱体设备类，采用噪声发电，这种方式的能量转换率低。能量转换过程：设备做功——设备振动——空气噪声——电能片振动——电能，这里每个转换过程中，都有大量的能量损失，一般的，能量转换率约为10-30％，经过多次转换后，发电效能很低，不足以提供给传感器工作。
2、响应频率不集中，难以引起共振。现有的振动或噪声发电，多以采集外界环境或物体为媒介，目标为采集各种频率的振动和噪声。发电片的响应频率特性不集中，引起共振的频率点不确定，不能最大效能的采集能量。没有按照开关柜类柜体的工频振动特点取设计振动自取电主体组件或取电组件。
3、整块的发电片，有内部相位叠加损耗。有的发电片设计在箱体内采用完整的一块发电片，没有针对开关柜类柜体表面振动强度和相位分布去设计，造成了发电片内部的损耗，不利于最大的取电效能。
4、现有的振动发电技术，应用场景不明确。多表述为绿色能源，减震等概念。而实际上，振动或噪声的发电能力相对工业发电效能非常低，设备的投入和产出比非常低，并不适合于新能源的概念进行大面积的开发利用。而在某些特定的领域，例如，无法外部供电，不能更换电池，耗能水平很低，长期存在振动的场所等，则适合采取这种方式进行振动自取电供能。例如电力开关柜等设备。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本专利设置了一种适用于智能传感器的振动自取电装置，该装置通过设置振动自取电主体组件，实现传感器的无源，可以利用开关柜本身工作过程中，长期存在的工频振动特点，采集并转换振动能为电能，而且振动取电单元能量转化率高，该方式适用于电力开关柜设备的使用场景，使传感器的长期在线运行，延长了测温传感器的寿命，具有广泛的使用价值。
为了实现上述目的，本发明为一种适用于智能传感器的振动自取电装置，所述适用于智能传感器的振动自取电装置包括振动自取电主体组件；
所述振动自取电主体组件包括主控振动取电单元、若干振动取电单元和刚韧性衬板；
所述振动取电单元和所述主控振动取电单元均设置在所述刚韧性衬板上；
所述刚韧性衬板设置有内置导线；若干所述振动取电单元分别基于所述内置导线与所述主控振动取电单元连接。
作为本发明的一种优选技术方案，所述主控振动取电单元包括传感器主控模块和主控共振片组件；
所述传感器主控模块镶嵌在所述主控共振片组件处，并基于铆钉将所述传感器主控模块和所述主控共振片组件连接固定。
作为本发明的一种优选技术方案，所述主控共振片组件包括刚性顶板、PDVF压电薄膜片、刚性隔板和刚性底板；
所述刚性顶板、所述PDVF压电薄膜片、所述刚性隔板和所述刚性底板依次由上到下叠放安装。
作为本发明的一种优选技术方案，所述传感器主控模块包括主控模块上壳、主控模块下壳体、充电电池、天线、无线通讯芯片、PCB板、主控芯片MCU、多路电源管理电路、测温元件、整流电路和boost升压电路；
所述PCB板设置在由所述主控模块上壳和主控模块下壳体所形成的腔体内；所述充电电池、天线、无线通讯芯片、主控芯片MCU、多路电源管理电路、整流电路和boost升压电路分别设置在所述PCB板的上表面；所述测温元件设置在所述PCB板的下表面。
作为本发明的一种优选技术方案，所述振动取电单元包括取电模块和共振片模块；
所述取电模块镶嵌在所述共振片模块处，并基于铆钉将所述取电模块和所述共振片模块连接固定。
作为本发明的一种优选技术方案，所述刚韧性衬板选用材料为聚酯纤维薄板，厚度为0.3-0.5mm。
作为本发明的一种优选技术方案，所述振动取电单元数量为1-24个。
综上所述，由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：通过设置振动自取电主体组件，实现传感器的无源，可以利用开关柜本身工作过程中，长期存在的工频振动特点，采集并转换振动能为电能，而且振动取电单元能量转化率高，该方式适用于电力开关柜设备的使用场景，使传感器的长期在线运行，延长了测温传感器的寿命，具有广泛的使用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的适用于智能传感器的振动自取电装置的外观示意图；
图2是本发明的振动自取电主体组件的结构示意图；
图3是本发明的主控振动取电单元的结构示意图；
图4是本发明的主控共振片组件的爆炸示意图；
图5是本发明的传感器主控模块的爆炸示意图；
图6是本发明的振动取电单元的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作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。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以使直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中设置的元件。当一个元件被认为是“设置在”另一个元件，它可以使直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中设置的元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合附图，对本发明的实施例作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例的特征可以相互组合。
请参阅图1至图6，图1示出的本发明的适用于智能传感器的振动自取电装置的外观示意图；图2示出的振动自取电主体组件的结构示意图；图3示出的本发明的主控振动取电单元的结构示意图；图4示出的本发明的主控共振片组件的爆炸示意图；图5示出的本发明的传感器主控模块的爆炸示意图；图6示出的振动取电单元的结构示意图。
具体的，本实验中发明实施例所示的适用于智能传感器的振动自取电装置2包括振动自取电主体组件1；所述振动自取电主体组件1包括主控振动取电单元11、若干振动取电单元12和刚韧性衬板13；所述振动取电单元12和所述主控振动取电单元11均设置在所述刚韧性衬板13上；所述刚韧性衬板13设置有内置导线14；若干所述振动取电单元12分别基于所述内置导线14与所述主控振动取电单元11连接；所述主控取电单元与传感器2连接。通过设置振动自取电主体组件1，实现传感器2的无源，可以利用开关柜本身工作过程中，长期存在的工频振动特点，采集并转换振动能为电能，而且振动取电单元12能量转化率高，该方式适用于电力开关柜设备的使用场景，使传感器2的长期在线运行，延长了测温传感器2的寿命，具有广泛的使用价值。
具体的，所述主控振动取电单元11包括传感器主控模块21和主控共振片组件22；所述传感器主控模块21镶嵌在所述主控共振片组件22处，并基于铆钉将所述传感器主控模块21和所述主控共振片组件22连接固定。
具体的，所述主控共振片组件22包括刚性顶板23、PDVF压电薄膜片24、刚性隔板25和刚性底板26；所述刚性顶板23、所述PDVF压电薄膜片24、所述刚性隔板25和所述刚性底板26依次由上到下叠放安装。
进一步的，主控共振片组件22组成是由PDVF压电薄膜片24间隔刚性隔板25形式并多层叠加而成。
进一步的，PDVF压电薄膜片24间隔刚性隔板25形式并多层叠加而成采用5层结构。优化的，振动感应片采用压电聚合物材料，采用PVDF膜，厚度为0.4mm。选择PVDF膜的基频为50Hz(工频)。与PVDF膜相比压电陶瓷具有较高的基频，与工频的50Hz相差甚远，难以产生共振效果，然而提高电能转换率的一个关键过程，是提高压电片的共振效果。另外，压电陶瓷的成型工艺复杂，难以做成较大面积的平板结构；并且刚度大，施工时，极易脆裂。所以不推荐使用压电陶瓷。
具体的，所述传感器主控模块21包括主控模块上壳31、主控模块下壳32、充电电池33、天线34、无线通讯芯片35、PCB板36、主控芯片MCU37、多路电源管理电路38、测温元件39、整流电路40和boost升压电路41；所述PCB板36设置在由所述主控模块上壳31和主控模块下壳32所形成的腔体内；所述充电电池33、天线34、无线通讯芯片35、主控芯片MCU37、多路电源管理电路38、整流电路40和boost升压电路41分别设置在所述PCB板36的上表面；所述测温元件39设置在所述PCB板36的下表面。
进一步的，传感器主控模块21的功能包含取电模块51的全部功能，还包括测温、通讯和控制电路，具体的有：电压升压电路、整流电路40、多路电源管理电路38、充电电池33、接口电路、无线通讯模块、测温元件39、主控模块等部分组成。其中，无线通讯模块由无线通讯芯片35和天线34组成，主控模块采用主控芯片MCU37。其中多路电源管理电路38，通过刚韧性衬板13内置导线14与本组件内的所有振动自取电模块51相连。
进一步的，传感器主控模块21，对本组件上的全部振动取电单元12进行管理和电能调度储存。
进一步的，传感器主控模块21是本发明的传感器2的核心监测采集模块，优选的测温元件39为温度采集模块。根据工程需要，还可以是其他状态监测模块，包括：振动监测、超声波监测、超高频局放监测、气体监测、红外监测、烟雾探测等。
具体的，所述振动取电单元12包括取电模块51和共振片模块52；所述取电模块51镶嵌在所述共振片模块52处，并基于铆钉将所述取电模块51和所述共振片模块52连接固定。
具体的，所述刚韧性衬板13选用材料为聚酯纤维薄板，厚度为0.3-0.5mm。刚韧性衬板13采用胶粘或螺钉的方式，贴敷固定在开关柜柜壁的表面上。
进一步的，一个振动自取电主体组件1，由一个主控振动取电单元11和多个振动取电单元12组成，安装在一块刚韧性衬板13上，优化的采用铆钉的安装方式，并都通过刚韧性衬板13内置导线14相连。优化的，在同一个振动自取电主体组件1上，振动取电单元12数量为：1-24个。
进一步的，振动自取电主体组件1在开关柜工作过程中，通过与开关柜壁板形成共振，而采集振动能量，转换为电能并存储。主控振动取电单元11除具有振动取电单元12的功能外，还具有多路供电电源管理功能，为一个充电电池33供电；无线测温传感器2功能，可以监测温度数据，并通过无线通讯发送出来。
具体的，所述振动取电单元12数量为1-24个。通过增加振动取电单元12的数量，可以增加单个传感器2的振动取电的性能，提高传感器2工作的可靠性。
进一步的，本发明的传感器2适合用于电力开关柜设备，包括高压柜和低压柜。将所述的振动自取电主体组件1或振动取电单元12安装在开关柜的柜壁面上。根据壁面的实际尺寸，一个壁面可以安装一个或多个振动取电单元12。
进一步的，根据传感器2监测位置的需要，振动自取电主体组件1或振动取电单元12可选择安装在柜壁外表面或柜壁内表面。刚韧性衬板13可以根据柜壁表面的形状或开孔，而相应的做成对应的形状和开孔，从而与柜壁的外观形态保持一致，不影响柜壁的正常工作性能和外观效果。
进一步的，根据压电材料的特性，在柜壁表面工频振动情况下，振动取电单元12产生电能，经过电压升压、整流和储能，将电能存储在可充电电池33或超级电容中，供给传感器2工作。
进一步的，工频振动来源：在电力开关柜上，长期大量的存在工频振动。来源方式可分为两种：一是高压交流电压带来工频振动，另一种是交流电流产生的涡振和交变磁场带来的磁滞振动。其中，由高压交流电压产生的工频振动，只要当设备上电，不管设备负荷大小，都会存在工频振动。而交流电流产生的工频振动，与电流的大小有关，电流越大，带来的振动越大。
本发明，通过设置振动自取电主体组件，实现传感器的无源，可以利用开关柜本身工作过程中，长期存在的工频振动特点，采集并转换振动能为电能，而且振动取电单元能量转化率高，该方式适用于电力开关柜设备的使用场景，使传感器的长期在线运行，延长了测温传感器的寿命，具有广泛的使用价值。
以上对本发明的实施例所提供的一种适用于智能传感器的振动自取电装置进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种适用于智能传感器的振动自取电装置，其特征在于，所述适用于智能传感器的振动自取电装置包括振动自取电主体组件；
所述振动自取电主体组件包括主控振动取电单元、若干振动取电单元和刚韧性衬板；
所述振动取电单元和所述主控振动取电单元均设置在所述刚韧性衬板上；
所述刚韧性衬板设置有内置导线；若干所述振动取电单元分别基于所述内置导线与所述主控振动取电单元连接。
2.根据权利要求1所述的适用于智能传感器的振动自取电装置，其特征在于，所述主控振动取电单元包括传感器主控模块和主控共振片组件；
所述传感器主控模块镶嵌在所述主控共振片组件处，并基于铆钉将所述传感器主控模块和所述主控共振片组件连接固定。
3.根据权利要求2所述的适用于智能传感器的振动自取电装置，其特征在于，所述主控共振片组件包括刚性顶板、PDVF压电薄膜片、刚性隔板和刚性底板；
所述刚性顶板、所述PDVF压电薄膜片、所述刚性隔板和所述刚性底板依次由上到下叠放安装。
4.根据权利要求2所述的适用于智能传感器的振动自取电装置，其特征在于，所述传感器主控模块包括主控模块上壳、主控模块下壳体、充电电池、天线、无线通讯芯片、PCB板、主控芯片MCU、多路电源管理电路、测温元件、整流电路和boost升压电路；
所述PCB板设置在由所述主控模块上壳和主控模块下壳体所形成的腔体内；所述充电电池、天线、无线通讯芯片、主控芯片MCU、多路电源管理电路、整流电路和boost升压电路分别设置在所述PCB板的上表面；所述测温元件设置在所述PCB板的下表面。
5.根据权利要求1所述的适用于智能传感器的振动自取电装置，其特征在于，所述振动取电单元包括取电模块和共振片模块；
所述取电模块镶嵌在所述共振片模块处，并基于铆钉将所述取电模块和所述共振片模块连接固定。
6.根据权利要求1所述的适用于智能传感器的振动自取电装置，其特征在于，所述刚韧性衬板选用材料为聚酯纤维薄板，厚度为0.3-0.5mm。
7.根据权利要求1所述的适用于智能传感器的振动自取电装置，其特征在于，所述振动取电单元数量为1-24个。
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