CN113489374A - 一种导线振动传感器及其多源微能量供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种导线振动传感器及其多源微能量供电装置，结构简单，设计合理，体积小巧，能够高效的实现导线振动传感器的供电和大范围布置。所述多源微能量供电装置包括，用于将导线振动能量转化为第一电能的振动能量收集器，用于将光伏能量转化为第二电能的太阳能电池板，用于电能采集和管理的第一能量管理单元和第二能量管理单元；其中所述第一能量管理单元的电能输入端连接所述振动能量收集器的输出端，所述第二能量管理单元的电能输入端连接所述太阳能电池板的输出端；电能输出端分别连接储能单元的电能输入端。

Description

一种导线振动传感器及其多源微能量供电装置
技术领域
本发明涉及输电线路在线监测领域，具体为一种导线振动传感器及其多源微能量供电装置。
背景技术
微风振动是由于风的激励而引起的导线振动。发生振动现象的风速一般范围为0.5～10m/s，但近年来发现，当地形平坦及外界干扰很少的情况下，风速达到10m/s及以上时也观察到强烈振动。在导线未安装防振器的情况下，微风振动最大双振幅不超过导线直径的2倍，振动频率范围为3～120Hz。振动持续时间较长，一般为数小时，有时可达数天。
在输电线路中，微风振动是导致线路损伤的主要原因。其高频小振幅的特点，不像线路舞动的破坏那样明显，具有一定的隐蔽性，有时很难从输电导线外表发现，而是从导线的内层开始，这给线路检修工作带来一定的困难，通常是出现防振器毁坏脱落或疲劳断股后才发现，此时造成的危害已相当严重。因此，加强高压架空线路导线微风振动的监测具有重要的意义。
目前在输电线路微风振动监测方法上，多采用加装振动传感器的方式，利用低功耗无线通信技术，对高压输电线路的微风振动情况进行实时采集，将感知数据传输至杆塔上数据基站，进而将监测信息发送给后台。但由于输电线路上传感器供电较为困难，制约了微风振动传感器的大量应用。采用感应取电的方法将导致装置体积较大，采用太阳能供电又受到光照时间影响，效率难以提高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种导线振动传感器及其多源微能量供电装置，结构简单，设计合理，体积小巧，能够高效的实现导线振动传感器的供电和大范围布置。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种多源微能量供电装置，包括，
用于将导线振动能量转化为第一电能的振动能量收集器，
用于将光伏能量转化为第二电能的太阳能电池板，
用于电能采集和管理的第一能量管理单元和第二能量管理单元；其中所述第一能量管理单元的电能输入端连接所述振动能量收集器的输出端，所述第二能量管理单元的电能输入端连接所述太阳能电池板的输出端；所述第一能量管理单元和所述第二能量管理单元的电能输出端分别连接储能单元的电能输入端。
可选的，所述第一能量管理单元的输入端经整流器连接振动能量收集器的输出端。
可选的，所述第一能量管理单元包括依次连接的调节器、ADP5091芯片和稳压器。
可选的，所述第一能量管理单元和第二能量管理单元均为ADP5091能量管理单元。
可选的，还包括用于储存电能的储能单元；所述储能单元的电能输入端分别连接所述第一能量管理单元和所述第二能量管理单元的电能输出端。
可选的，所述储能单元包括用于储存第一电能的第一储能单元和用于存储第二电能的第二储能单元。
可选的，所述储能单元包括同时储存第一电能和第二电能的共用储能单元。
可选的，所述储能单元采用并联的超级电容和钛酸锂电池。
一种导线振动传感器，包括，
壳体；
设置在壳体顶面外侧的太阳能电池板，所述太阳能电池板用于将光伏能量转化为第二电能；
设置在壳体内振动能量收集器、第一能量管理单元和第二能量管理单元，所述振动能量收集器用于将导线振动能量转化为第一电能；
所述第一能量管理单元和第二能量管理单元用于电能采集和管理，所述第一能量管理单元的电能输入端连接所述振动能量收集器的输出端，所述第二能量管理单元的电能输入端连接所述太阳能电池板的输出端；
以及设置在壳体内依次连接的加速度计、主控单元和无线传输模块；
所述第一能量管理单元和所述第二能量管理单元的电能输出端用于连接主控单元的供电端供电。
可选的，所述主控单元用于执行如下控制，
获取加速度计采集的振动加速度；
根据振动加速度计算振动特征值，所述的振动特征值为振动幅度和频率；
传输振动特征值给无线传输模块，进行发送。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用双路能量管理单元并联设计，同时接入振动能量收集器收集的振动能量及太阳能电池板收集的光伏能量，实现两路微能量的收集功能，并统一输出给无线传感器进行供电。通过创新性的环境取能供电方案，实现电网场景下无线振动传感器的长时间免维护运行。
进一步的，两路能量收集系统分别连接钛酸锂电池及超级电容，实现两路储能元件均衡应用的同时，大大延长钛酸锂电池寿命。
附图说明
图1为本发明实例1中所述一种多源微能量供电装置结构框图。
图2为本发明实例1中所述另一种多源微能量供电装置结构框图。
图3为本发明实例1中所述第一能量管理单元的结构框图。
图4为本发明实例2中所述又一种多源微能量供电装置结构框图。
图5为本发明实例3中所述再一种多源微能量供电装置结构框图。
图6为本发明实例2和3中所述储能单元结构示意图。
图7为本发明实例2中所述再一种多源微能量供电装置结构框图。
图8为本发明实例4中所述导线振动传感器的结构框图。
具体实施方式
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明中，“模块”、“装置”、“系统”等指应用于计算机的相关实体，如硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件等。详细地说，例如，元件可以、但不限于是运行于处理器的过程、处理器、对象、可执行元件、执行线程、程序和/或计算机。还有，运行于服务器上的应用程序或脚本程序、服务器都可以是元件。一个或多个元件可在执行的过程和/或线程中，并且元件可以在一台计算机上本地化和/或分布在两台或多台计算机之间，并可以由各种计算机可读介质运行。元件还可以根据具有一个或多个数据包的信号，例如，来自一个与本地系统、分布式系统中另一元件交互的，和/或在因特网的网络通过信号与其它系统交互的数据的信号通过本地和/或远程过程来进行通信。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
针对输电线路导线振动传感器的应用环境，在振动环境下，采用振动能量采集技术将机械能转换成电能，给微风振动无线传感器网络供能具有很大的现实意义。振动能量采集器基于电磁感应原理，通过改变永磁体和磁感线圈的相对位置而产生感应电势，进而将感应电压输出并进行电能的储存，实现振动能量的收集。随着微机电技术及微纳加工技术的发展，线圈和永磁体逐渐实现了平面化和微型化，将能量采集器与振动传感器实现小型化集成，更加提高了振动能量采集器的实用程度。
本发明所提供的导线振动传感器，作为导线振动监测装置，其供电采用多种环境能量联合供电的方式。其一为振动能量收集，其二为光伏能量收集。振动能量来源于导线振动所引起的振动能量收集器中所产生的电能；光伏能量来源于太阳能照射光伏板所产生的电能。
将导线振动监测装置内置振动能量采集器，并在装置上方设置光伏太阳能板。在装置内部，将微型振动能量采集器与光伏能量采集集成，并通过超级电容和钛酸锂电池联合进行电能储存，为振动传感器进行联合供电，有效提高振动传感器的连续运行时间，为传感器的供电提供新形式。具体的如以下实例所述。
实例1
如图1所示，本发明提供一种多源微能量供电装置，包括：用于将导线振动能量转化为第一电能的振动能量收集器，用于将光伏能量转化为第二电能的太阳能电池板，用于电能采集和管理的第一能量管理单元和第二能量管理单元；其中所述第一能量管理单元的电能输入端连接所述振动能量收集器的输出端，所述第二能量管理单元的电能输入端连接所述太阳能电池板的输出端；所述第一能量管理单元和所述第二能量管理单元的电能输出端分别连接储能单元的电能输入端。
其中，振动能量收集器基于电磁感应原理，基于可活动的磁铁与固定的线圈相互运动，线圈切割磁感线产生微弱的交变电流。为将微弱交变电流转变为直流电路便于进行能量收集，利用肖特基二极管单向导电性，将线圈输出交流电连接成惠斯通全桥方式，把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。并在整流器整流后输入至能量管理单元，如图2所示。
本优选实例中，所述第一能量管理单元和第二能量管理单元均为ADP5091能量管理单元；能量管理单元采用以ADP5091芯片为核心的电源管理系统，能对采集的有限能量(16微瓦到600毫瓦范围)实现高效转换，工作损耗为亚微瓦级别。如图3所示，第一能量管理单元包括依次连接的调节器、ADP5091芯片和稳压器；利用内部冷启动电路，调节器可在低至380mV的输入电压下启动；冷启动后，调节器便可在80mV至3.3V的输入电压范围内正常工作。同时集成的稳压器输出，最大限度地减小电路板面积。
由于输电线路的导线振动传感器位于野外，具备太阳能充电条件，因此，同时设置光伏太阳能板进行光伏能量采集。由于光伏板输出电流为微弱直流电流，同时通过第二能量管理单元进行光伏能量收集。并通过ADP5091芯片中的最大功率点配置功能，实现太阳能电池板的持续高功率输出。
实例2
在实例1的基础上，本发明还包括储能单元，所述储能单元包括用于储存第一电能的第一储能单元和用于存储第二电能的第二储能单元。从而分别用于振动能量和光伏能量转换后电能的存储，如图4所示。其中的第一储能单元和第二储能单元，均采用并联的超级电容和钛酸锂电池，如图6所示。在此基础上得到的多源微能量供电装置，如图7所示。
应用钛酸锂电池作为储能元件。由于监测装置安装于野外，对于高低温循环性能要求极高，而钛酸锂具有在-40摄氏度至+70摄氏度内良好的充放电特性，且循环寿命远大于现有应用的普通锂电池。因此，在户外条件下更便于传感器长时间运行。
应用超级电容作为快速充放电元件。它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性，是一种拥有高能量密度的电化学电容器。由于传感器采用无线形式传输数据，需要瞬时较高功率输出。将超级电容与钛酸锂电池并联共同作为储能元件，既实现了多路供电的宽温特性，也降低了钛酸锂电池的快速放电次数，有效延长了供电单元寿命。
实例3
在实例1的基础上，本发明中的储能单元包括同时储存第一电能和第二电能的共用储能单元。从而能够在存储振动能量和光伏能量转换后电能的同时，进一步的缩小体积，简化控制，提高适应性，如图5所示。其中，共用储能单元也采用并联的超级电容和钛酸锂电池，如图6所示。
应用钛酸锂电池作为储能元件。由于监测装置安装于野外，对于高低温循环性能要求极高，而钛酸锂具有在-40摄氏度至+70摄氏度内良好的充放电特性，且循环寿命远大于现有应用的普通锂电池。因此，在户外条件下更便于传感器长时间运行。
应用超级电容作为快速充放电元件。它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性，是一种拥有高能量密度的电化学电容器。由于传感器采用无线形式传输数据，需要瞬时较高功率输出。将超级电容与钛酸锂电池并联共同作为储能元件，既实现了多路供电的宽温特性，也降低了钛酸锂电池的快速放电次数，有效延长了供电单元寿命。
实例4
在上述实例的基础上，本发明还提供一种导线振动传感器，如图8所示，其包括壳体，设置在壳体顶面外侧的太阳能电池板，所述太阳能电池板用于将光伏能量转化为第二电能；设置在壳体内振动能量收集器、第一能量管理单元和第二能量管理单元，所述振动能量收集器用于将导线振动能量转化为第一电能；所述第一能量管理单元和第二能量管理单元用于电能采集和管理，所述第一能量管理单元的电能输入端连接所述振动能量收集器的输出端，所述第二能量管理单元的电能输入端连接所述太阳能电池板的输出端；以及设置在壳体内依次连接的加速度计、主控单元和无线传输模块；所述第一能量管理单元和所述第二能量管理单元的电能输出端用于连接主控单元的供电端供电。其中，主控单元用于执行如下控制，获取加速度计采集的振动加速度；根据振动加速度计算振动特征值，所述的振动特征值为振动幅度和频率；传输振动特征值给无线传输模块，进行发送。
具体的，将多源能量采集装置封装于导线振动传感器中，传感器同时集成了主控单元、加速度计及无线传输模块。将太阳能板安置于传感器顶面外侧，引线至多源微能量收集电路板上。振动能量采集器的磁铁与线圈的相互运动方向与导线振动方向一致，并按此方法进行振动能量采集器的固定。通过加速度计进行振动加速度的采样，并在主控单元内进行振动幅度及频率计算后，将振动特征值通过无线传输模块发出，避免发送原始数据，进一步降低传感器功耗。通过供电方式的创新及数据边缘计算的创新，实现电能的开源节流，实现电池供电传感器的广泛部署。
通过基于振动微能量收集及光伏取能联合供电的导线振动监测传感器可持续供电方法；并在在户外宽温环境下基于相互独立的两路钛酸锂电池及超级电容并联实现电池主动均衡、放电保护的高可靠供电方法。
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 (10)

1.一种多源微能量供电装置，其特征在于，包括，
用于将导线振动能量转化为第一电能的振动能量收集器，
用于将光伏能量转化为第二电能的太阳能电池板，
用于电能采集和管理的第一能量管理单元和第二能量管理单元；其中所述第一能量管理单元的电能输入端连接所述振动能量收集器的输出端，所述第二能量管理单元的电能输入端连接所述太阳能电池板的输出端；所述第一能量管理单元和所述第二能量管理单元的电能输出端用于供电。
2.根据权利要求1所述的一种多源微能量供电装置，其特征在于，所述第一能量管理单元的输入端经整流器连接振动能量收集器的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种多源微能量供电装置，其特征在于，所述第一能量管理单元包括依次连接的调节器、ADP5091芯片和稳压器。
4.根据权利要求1所述的一种多源微能量供电装置，其特征在于，所述第一能量管理单元和第二能量管理单元均为ADP5091能量管理单元。
5.根据权利要求1所述的一种多源微能量供电装置，其特征在于，还包括用于储存电能的储能单元；所述储能单元的电能输入端分别连接所述第一能量管理单元和所述第二能量管理单元的电能输出端。
6.根据权利要求5所述的一种多源微能量供电装置，其特征在于，所述储能单元包括用于储存第一电能的第一储能单元和用于存储第二电能的第二储能单元。
7.根据权利要求5所述的一种多源微能量供电装置，其特征在于，所述储能单元包括同时储存第一电能和第二电能的共用储能单元。
8.根据权利要求5所述的一种多源微能量供电装置，其特征在于，所述储能单元采用并联的超级电容和钛酸锂电池。
9.一种导线振动传感器，其特征在于，包括，
壳体；
设置在壳体顶面外侧的太阳能电池板，所述太阳能电池板用于将光伏能量转化为第二电能；
设置在壳体内振动能量收集器、第一能量管理单元和第二能量管理单元，所述振动能量收集器用于将导线振动能量转化为第一电能；
所述第一能量管理单元和第二能量管理单元用于电能采集和管理，所述第一能量管理单元的电能输入端连接所述振动能量收集器的输出端，所述第二能量管理单元的电能输入端连接所述太阳能电池板的输出端；
以及设置在壳体内依次连接的加速度计、主控单元和无线传输模块；
所述第一能量管理单元和所述第二能量管理单元的电能输出端用于连接主控单元的供电端供电。
10.根据权利要求9所述的一种导线振动传感器，其特征在于，所述主控单元用于执行如下控制，
获取加速度计采集的振动加速度；
根据振动加速度计算振动特征值，所述的振动特征值为振动幅度和频率；
传输振动特征值给无线传输模块，进行发送。
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