CN114069888B - 一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力传感器技术领域，公开了一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜。本发明的装置包括磁场发射单元、磁场接收单元和采集单元，其中磁场发射单元包括高频电流电源装置、天线和导体外壳，高频电流电源装置、天线和导体外壳连接而组成用于产生电磁场的电流通路；采集单元包括相连接的传感器和稳压电源模块；磁场接收单元包括线圈模块和电容器，线圈模块所述稳压电源模块；所述电容器用于调节所述线圈模块的接收频率，以使所述线圈模块与所述磁场发射单元通过所述电磁场进行能量传递。本发明能够解决现有无线传感器供能方式工作效率低、适应性差的技术问题，可广泛应用于环网柜内部的传感器设备。

Description

一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜

技术领域

本发明涉及电力传感器技术领域，尤其涉及一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜。

背景技术

环网柜中传感器的持续稳定供电是当前电力传感领域亟待解决的问题。目前采用电池供电、电缆供电、温差取能供电或者振动取能供电的方式进行无线传感器的供能。然而，在环网柜中采用电池供电方式，需要定期更换传感器电池，工作量较大；电缆供电方式的好处是无需定期大规模更换电池，但是大量传感器的布线较为复杂，影响柜体内部的绝缘性能；温差取能供电方式利用发热元件和环境温度之间的温差能进行供电，但正常工作时二者温差较小，取能受限；而振动取能供电方式包括静电式供电方式、电磁式供电方式和压电式供电方式。其中，压电式供电方式是当前研究的热点，具有能量密度大、无电磁干扰、便于实现小型化和集成化等诸多优点，但是也存在着取能效率低、输出功率不稳定的缺点。因此，可以考虑电磁波传能的方式给环网柜内部传感器装置无线供能。

现有技术中利用电磁感应式原理实现电磁波传能。电磁感应式原理是给初级线圈模块一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈模块中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。然而这种方式传输距离短、使用位置相对固定，不适合含大量传感器的环网柜内部无线传感系统的场景。

发明内容

本发明提供了一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜，解决了现有无线传感器供能方式工作效率低、适应性差的技术问题。

本发明第一方面提供的一种基于磁共振供能的无线传感系统，包括磁场发射单元、磁场接收单元和采集单元；

所述磁场发射单元包括高频电流电源装置、天线和导体外壳，所述高频电流电源装置、所述天线和所述导体外壳连接而组成用于产生电磁场的电流通路；

所述采集单元包括相连接的传感器和稳压电源模块；

所述磁场接收单元包括线圈模块和电容器，所述线圈模块连接所述稳压电源模块；所述电容器用于调节所述线圈模块的接收频率，以使所述线圈模块与所述磁场发射单元通过所述电磁场共振进行能量传递。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述天线和所述导体外壳之间连接有开关。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述高频电流电源装置的负极与所述导体外壳的底部连接，所述高频电流电源装置的正极通过所述天线连通至所述导体外壳的顶部。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述高频电流电源装置设置于所述导体外壳的底部，所述天线垂直于所述导体外壳的底部。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述采集单元还包括微处理器；

所述微处理器与所述稳压电源模块及所述传感器连接，用于采集和处理所述线圈模块的电压频率信息以及所述传感器的数据。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述装置还包括与环网柜分布式终端通信的无线通讯单元，所述无线通讯单元与所述微处理器连接。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述无线通讯单元与所述稳压电源模块连接。

根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述无线通讯单元包括无线通讯模块和通讯天线。

本发明第二方面提供一种环网柜，所述环网柜包括如上任意一项能够实现的方式所述的基于磁共振供能的无线传感系统。

根据本发明第二方面的一种能够实现的方式，所述环网柜的底部安装有电压互感器和电流互感器，侧部安装有三相电缆接头，所述基于磁共振供能的无线传感系统设置于所述环网柜内。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明的装置包括磁场发射单元、磁场接收单元和采集单元，其中磁场发射单元包括高频电流电源装置、天线和导体外壳，高频电流电源装置、天线和导体外壳连接而组成用于产生电磁场的电流通路；采集单元包括相连接的传感器和稳压电源模块；磁场接收单元包括线圈模块和电容器，线圈模块所述稳压电源模块；所述电容器用于调节所述线圈模块的接收频率，以使所述线圈模块与所述磁场发射单元通过所述电磁场进行能量传递；本发明利用磁场共振技术，实现了环网柜内部无线传感器的无线供能、无线传感和无线通讯功能，克服了传统有线传感器供电方式的缺点，优化了现有电池供电需定期更换的方案，同时保证环网柜体内部的绝缘结构不受破坏，可广泛应用于环网柜内部传感器设备，具有部署灵活、可靠性高、使用寿命长及工作稳定等优点。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一个可选实施例提供的一种基于磁共振供能的无线传感系统的结构连接示意图；

图2为本发明一个可选实施例提供的一种基于磁共振供能的无线传感系统安装于环网柜内的示意图。

1-磁场发射单元；2-磁场接收单元；3-采集单元；4-无线通讯单元；5-电流互感器；6-三相电缆接头；11-高频电流电源装置；12-天线；13-导体外壳；14-开关；21-线圈模块；22-电容器；31-传感器；32-稳压电源模块；33-微处理器；41-无线通讯模块；42-通讯天线。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于磁共振供能的无线传感系统及环网柜，用于解决现有无线传感器供能方式工作效率低、适应性差的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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。

请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种基于磁共振供能的无线传感系统的结构连接示意图。

本发明实施例提供的一种基于磁共振供能的无线传感系统，包括磁场发射单元1、磁场接收单元2和采集单元3；

所述磁场发射单元1包括高频电流电源装置11、天线12和导体外壳13，所述高频电流电源装置11、所述天线12和所述导体外壳13连接而组成用于产生电磁场的电流通路；

所述采集单元3包括相连接的传感器31和稳压电源模块32；

所述磁场接收单元2包括线圈模块21和电容器22，所述线圈模块21连接所述稳压电源模块32；所述电容器22用于调节所述线圈模块21的接收频率，以使所述线圈模块21与所述磁场发射单元1通过所述电磁场进行能量传递。

具体实施时，通过电容器22调节线圈模块21的接收频率，使得线圈模块21的接收频率和磁场发射单元1产生的频率一致，磁场共振产生能量，线圈模块21将磁能转化为电能，进一步通过稳压电源模块32对电流进行滤波、升压和整流，从以向传感器31供电。

在一种能够实现的方式中，所述天线12和所述导体外壳13之间连接有开关14。从而接通该开关14时，电流通过天线12，使得天线12周围产生磁场，起到磁场发射作用。

在一种能够实现的方式中，所述高频电流电源装置11的负极与所述导体外壳13的底部连接，所述高频电流电源装置11的正极通过所述天线12连通至所述导体外壳13的顶部。

在一种能够实现的方式中，所述高频电流电源装置11设置于所述导体外壳13的底部，所述天线12垂直于所述导体外壳13的底部。

通过上述实施例的设置，能够使得天线12周围产生稳定且均匀的磁场。

在一种能够实现的方式中，所述采集单元3还包括微处理器33；

所述微处理器33与所述稳压电源模块32及所述传感器31连接，用于采集和处理所述线圈模块21的电压频率信息以及所述传感器31的数据。具体地，所述微处理器33在处理所述线圈模块21的电压频率信息时，将电压频率和磁场发射单元1的电压频率对比。

在一种能够实现的方式中，所述装置还包括与环网柜分布式终端通信的无线通讯单元4，所述无线通讯单元4与所述微处理器33连接。

在一种能够实现的方式中，所述无线通讯单元4与所述稳压电源模块32连接，以由所述稳压电源模块32对无线通讯单元4进行供电。在其他能够实现的方式中，该无线通讯单元4还可以与外部的蓄电池电流。

在一种能够实现的方式中，所述无线通讯单元4包括无线通讯模块41和通讯天线42。

通过上述实施例的设置，微处理器33可以通过无线通讯单元4将处理后的数据发送到环网柜分布式终端。

本发明还提供一种环网柜，所述环网柜包括如上任意一项实施例所述的基于磁共振供能的无线传感系统。

请参阅图2，图2示出了本发明实施例提供的一种基于磁共振供能的无线传感系统安装于环网柜内的示意图。

所述环网柜的底部安装有电流互感器5，侧部安装有三相电缆接头6，所述基于磁共振供能的无线传感系统设置于所述环网柜内。进一步地，该环网柜的底部还可安装电压互感器。

具体地，该环网柜的外壳即为本发明上述实施例所述的导体外壳13。环网柜的立框采用独特的铝型材结构，四边采用不锈钢方管齐平的结构，外壳导电性良好。

高频电流电源装置11采用环网柜电源有线供电的方式，高频电流电源装置11下端开口，开口大小原则是正好允许电源负极通过。天线12需从高频电流电源装置11穿过，故高频电流电源装置11的上端需开孔，开孔大小和形状取决于天线12的尺寸，一般原则是圆形且仅能容得该竖直天线12通过。由于天线12上端与开关14相连，开关14和环网柜外壳相连，开关14的下端需开孔，大小和形状同样取决于天线12的尺寸，一般原则是圆形且仅能容得该天线12通过。更换电池时需要提前断开通路，因此开关14旁侧的环网柜还需要开孔，便于控制电路的通断。高频电流电源装置11的四角用螺钉和螺母固定于柜体底部，螺钉和螺母的材质可为不锈钢或尼龙。选用不锈钢材质时，在满足机械性能的条件下，尽可能选用尺寸较小的螺钉和螺母，以避免螺钉和螺母内部产生涡流进而发热。如果发热严重，在经济条件和机械性能允许的情况下，可选择尼龙材质。

线圈模块21安装在电容器22的上方，二者均分布在传感器31旁边。而微处理器33和无线通讯模块41均安装在传感器31上方，通讯天线42从无线通讯模块41中引出。

本发明上述实施例利用磁场共振的原理，为无线传感器31提供一种长期、稳定的供电模式，取能效率高、输出功率稳定，无需更换电池，无需排列大量的供电电缆，解决了电源供电稳定性不足、电量少、供电不持久及后期维护成本大等问题，达到了环网柜内无线传感系统可靠供电的目标，从根本上解决了环网柜内无线传感器31的能量供应难题，具有一定的指导意义和实际意义。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于，所述系统包括磁场发射单元、磁场接收单元和采集单元；

所述磁场发射单元包括高频电流电源装置、天线和导体外壳，所述高频电流电源装置、所述天线和所述导体外壳连接而组成用于产生电磁场的电流通路；

所述采集单元包括相连接的传感器和稳压电源模块；

所述磁场接收单元包括线圈模块和电容器，所述线圈模块连接所述稳压电源模块；所述电容器用于调节所述线圈模块的接收频率，以使所述线圈模块与所述磁场发射单元通过所述电磁场共振进行能量传递。

2.根据权利要求1所述的基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于，所述天线和所述导体外壳之间连接有开关。

3.根据权利要求1所述的基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于，所述高频电流电源装置的负极与所述导体外壳的底部连接，所述高频电流电源装置的正极通过所述天线连通至所述导体外壳的顶部。

4.根据权利要求3所述的基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于，所述高频电流电源装置设置于所述导体外壳的底部，所述天线垂直于所述导体外壳的底部。

5.根据权利要求1所述的基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于，所述采集单元还包括微处理器；

所述微处理器与所述稳压电源模块及所述传感器连接，用于采集和处理所述线圈模块的电压频率信息以及所述传感器的数据。

6.根据权利要求5所述的基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于，所述装置还包括与环网柜分布式终端通信的无线通讯单元，所述无线通讯单元与所述微处理器连接。

7.根据权利要求6所述的基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于，所述无线通讯单元与所述稳压电源模块连接。

8.根据权利要求6所述的基于磁共振供能的无线传感系统，其特征在于，所述无线通讯单元包括无线通讯模块和通讯天线。

9.一种环网柜，其特征在于，所述环网柜包括如权利要求1-8任意一项所述的基于磁共振供能的无线传感系统。

10.根据权利要求9所述的环网柜，其特征在于，所述环网柜的底部安装有电压互感器和电流互感器，侧部安装有三相电缆接头，所述基于磁共振供能的无线传感系统设置于所述环网柜内。