CN114499273A - 一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁电阵列‑线圈型电磁场能量采集器及制备方法，包括环形磁电复合阵列，环形磁电复合阵列包括磁致伸缩环和压电环，磁致伸缩环和压电环交错层叠复合，环形磁电复合阵列的外侧套接有非磁性支撑外壳，非磁性支撑外壳的外侧饶接有环形螺线管，磁致伸缩环的数量为四片，压电环的数量为三片，磁致伸缩环和压电环为对称型同心圆环结构，磁致伸缩环和压电环交错层叠为七层复合结构，且磁致伸缩环和压电环保持同心。与传统单端口电磁感应式能量采集器相比，该器件充分利用了导线周围的闭合环形磁场，其双端口输出模式可进一步提高输出功率密度，所捕获的周围磁场能量为无线传感器节点供能，实现无线传感器监测节点的无源自治免维护。
Description
技术领域
本发明属于环境能量采集技术领域，具体涉及一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器及制备方法。
背景技术
架空传输导线在电力系统的输电环节起到极其重要的作用，通常跨越广阔和复杂多变的地形地貌和气候条件，且长期暴露于风吹日晒、雨淋、霜冻、冰雪等野外极端恶劣环境中，而极端气候条件所造成的导线的覆冰、风摆、雷击等都可能直接造成输电线的故障，而架空输电线承担的对电网安全性能的影响又是非常巨大的。随着对电网安全性能要求的日益提高，对架空输电线的监控系统也越来越受到更广泛的重视。为了提高输电线系统的安全系数，日常常规的维护工作是必需的，其常用的监测维护手段是使用地面和空中巡视直升机的视觉观察来进行的，而分布式的状态监测和故障诊断与预测系统通常只集中于变电站内而不存在于输电线路上。这是由于状态监测和故障诊断系统通常都需要较为昂贵的有线通信系统，这在长程远距离输电线上是不可能的，故而其一直没有被应用于输电线路上。随着时代技术的发展，基于无线传输技术的状态监测和故障诊断系统正在日渐受到广泛的重视。
以线路舞动状态监测为例，电力系统架空输电线舞动是一种频率低（0.1-3Hz）、摆幅大（约为输电线缆直径的5-300倍）、风激励产生的负载导线摆动现象。导线舞动容易引起线路之间闪络、金具损坏，造成线路跳闸停电或引起烧伤导线、拉倒杆塔、导线折断等严重事故，从而给电力运行部门带来了巨大的经济损失，因此对线路舞动进行在线监测并实时预警显得尤为重要。目前输电线风舞监测的方法主要是通过视频监控采集现场图像，利用计算机网络传输到监控中心的线缆舞动监控系统，这种系统能得到现场线缆舞动的定性结果，但是舞动频率及摆幅的定量测量比较困难；基于光纤布拉格光栅传感器阵列的线缆舞动摆幅测量系统能够定量测量线缆舞动摆幅，具有抗电磁干扰强的优点，但实现长距离输电线路的分布式监测需要沿线铺设多个分立传感器，施工困难且代价高昂；基于各类电学传感器采集现场风速、风向等环境数据并通过无线通信网络传输到监控中心的线缆舞动检测系统能够实现线缆舞动频率、摆幅等信息的定量测量，但电学传感器件多为有源器件，供电和维护较为困难。随着泛在电力物联网功能设施的不断完善，满足电力系统中终端设备状态监测数据的灵活实时接入，利用无线传感器节点实现数据互联互通并提高全息感知能力和泛在连接能力，同时提升电网运行的智能化服务水平以及智能化运维管理水平，其中电源问题成了制约电网状态信息互联的关键性因素，因此解决网内小范围区域性的供电问题显得格外重要。目前，为泛在电力物联网中的各传感器节点供电的电源普遍采用220V交流或蓄电池，而节点间信息的交互方式也多采用有线通信的方式。在不久的未来，由于泛在电力物联网间各传感器监测节点在输电线路实时监测、电力设备状态实时监测、用电信息传输与交互上的应用，传统的利用220V交流或蓄电池来提供电源的方法就有可能不能满足或者不能适应具体的工作环境和要求。对于许多不能提供电源、需长期监测、电池不易更换或者易燃易爆等危险场合的监测设备，有必要采用自供能技术解决供能问题。虽然环境中采集的能量通常比较小，但随着电子技术的高速发展，电子产品集成化程度不断提高、功耗不断降低，许多微功耗产品的能量消耗都在微瓦至毫瓦的水平，这使得采集周围环境电磁场能量为无线监测传感器节点持续性提供电能输送成为可能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器及制备方法，具有进一步提高输出功率密度，实现无线传感器监测节点的无源自治免维护的优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器，包括环形磁电复合阵列，所述环形磁电复合阵列包括磁致伸缩环和压电环，所述磁致伸缩环和压电环交错层叠复合，所述环形磁电复合阵列的外侧套接有非磁性支撑外壳，所述非磁性支撑外壳的外侧饶接有环形螺线管，所述压电环阵列上下表面均引出线端作为输出端口I，所述环形螺线管引出的两个线端为输出端口II。
优选的，所述磁致伸缩环的数量为四片，所述压电环的数量为三片，所述磁致伸缩环和压电环为对称型同心圆环结构，所述磁致伸缩环和压电环交错层叠为七层复合结构，且磁致伸缩环和压电环保持严格同心。
优选的，所述磁致伸缩环的材料为Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4，所述压电环的材料为PbaS-4环形陶瓷片，所述磁致伸缩环和压电环的层厚相同，所述磁致伸缩环的规格尺寸为外径14mm、内径8mm、厚1mm，所述压电环的规格尺寸为外径14mm、内径8mm、厚1mm。
优选的，所述磁致伸缩环与压电环通过环氧树脂胶粘合，所述压电环的上下表面覆盖有银电极。
优选的，所述非磁性支撑外壳的材料为聚丙烯，所述环形螺线管为漆包线。
一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器制备方法，包括以下步骤：
S1：分别选取厚度为1 mm、直径为14mm的Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4和压电陶瓷PbaS-4圆片材料。
S2：加工后的环形材料经砂纸打磨并用丙酮清洗去除氧化层待用；S3：压电陶瓷电极的引出采用导电胶将金属丝线和电极面涂抹均匀，在恒温80°C的烤箱内放置4小时取出自然冷却至室温待用。
S4：将引出电极的PbaS-4和Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4用环氧树脂胶层黏结后在恒温为120°C的温度下放置烤箱烘烤2小时即可制成环形磁电阵列复合结构。
S6：借助机械加工车床手段并使用钻头将复合后的阵列样片镂空，镂空部分的直径为8mm。
S6：将镂空后的环形磁电复合阵列密封到环形结构的聚丙烯外壳中，对其进行支撑，再使用漆包线均匀密绕在环形磁电复合元件支撑壳的外周，并留出两个输出线端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
与传统单端口电磁感应式能量采集器相比，该器件充分利用了导线周围的闭合环形磁场，其双端口输出模式可进一步提高输出功率密度，所捕获的周围磁场能量为无线传感器节点供能，实现无线传感器监测节点的无源自治免维护。
附图说明
图1为本发明的能量采集器的结构原理图；
图2为本发明的能量采集电路示意图；
图3为本发明的输出端口I和输出端口II分别同时输出时的功率响应曲线示意图。
图中：1、磁致伸缩环；2、压电环；3、非磁性支撑外壳；4、环形螺线管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方案中的附图，对本发明实施方案中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方案仅仅是本发明一部分实施方案，而不是全部的实施方案。基于本发明中的实施方案，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方案，都属于本发明保护的范围。
如图1-图3所示，一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器，包括环形磁电复合阵列，环形磁电复合阵列包括磁致伸缩环1和压电环2，磁致伸缩环1和压电环2交错层叠复合，环形磁电复合阵列的外侧套接有非磁性支撑外壳3，非磁性支撑外壳3的外侧饶接有环形螺线管4，压电环2阵列上下表面均引出线端作为输出端口I，所述环形螺线管4引出的两个线端为输出端口II磁致伸缩环1的数量为四片，压电环2的数量为三片，磁致伸缩环1和压电环2为对称型同心圆环结构，磁致伸缩环1和压电环2交错层叠为七层复合结构，且磁致伸缩环1和压电环2保持严格同心，磁致伸缩环1的材料为Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4，压电环2的材料为PbaS-4环形陶瓷片，磁致伸缩环1和压电环2的层厚相同，磁致伸缩环1的规格尺寸为外径14mm、内径8mm、厚1mm，压电环2的规格尺寸为外径14mm、内径8mm、厚1mm，磁致伸缩环1与压电环2通过环氧树脂胶粘合，压电环2的上下表面覆盖有银电极，非磁性支撑外壳3的材料为聚丙烯，环形螺线管4为漆包线。
上述技术方案的工作原理如下：
与传统单端口电磁感应式能量采集器相比，该器件充分利用了导线周围的闭合环形磁场，其双端口输出模式可进一步提高输出功率密度，所捕获的周围磁场能量为无线传感器节点供能，实现无线传感器监测节点的无源自治免维护。
一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器制备方法，包括以下步骤：
S1：分别选取厚度为1 mm、直径为14mm的Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4和压电陶瓷PbaS-4圆片材料。
S2：加工后的环形材料经砂纸打磨并用丙酮清洗去除氧化层待用；S3：压电陶瓷电极的引出采用导电胶将金属丝线和电极面涂抹均匀，在恒温80°C的烤箱内放置4小时取出自然冷却至室温待用。
S4：将引出电极的PbaS-4和Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4用环氧树脂胶层黏结后在恒温为120°C的温度下放置烤箱烘烤2小时即可制成环形磁电阵列复合结构。
S6：借助机械加工车床手段并使用钻头将复合后的阵列样片镂空，镂空部分的直径为8mm。
S6：将镂空后的环形磁电复合阵列密封到环形结构的聚丙烯外壳中，对其进行支撑，再使用漆包线均匀密绕在环形磁电复合元件支撑壳的外周，并留出两个输出线端。
本发明的工作原理及使用流程：与传统单端口电磁感应式能量采集器相比，该器件充分利用了导线周围的闭合环形磁场，其双端口输出模式可进一步提高输出功率密度，所捕获的周围磁场能量为无线传感器节点供能，实现无线传感器监测节点的无源自治免维护，另外由图2可知，能量采集电路主要由全波整流桥、超级电容以及可变匹配电阻构成，左侧为输入端口，下侧为输出端口，主要完成能量采集器输出电压信号的整流、存储和最优提取功率的匹配等功能，由图3可知，输出端口I 为三片压电环2的电极并行输出，此时的输出功率为2.93µW；输出端口II为环形螺线管4的感应电动势输出端口，此时的输出功率为1.16µW。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方案，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施方案进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器，包括环形磁电复合阵列，其特征在于：所述环形磁电复合阵列包括磁致伸缩环（1）和压电环（2），所述磁致伸缩环（1）和压电环（2）交错层叠复合，所述环形磁电复合阵列的外侧套接有非磁性支撑外壳（3），所述非磁性支撑外壳（3）的外侧饶接有环形螺线管（4），所述压电环（2）阵列上下表面均引出线端作为输出端口I，所述环形螺线管（4）引出的两个线端为输出端口II。
2.根据权利要求1所述的一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器，其特征在于：所述磁致伸缩环（1）和压电环（2）为对称型同心圆环结构，所述磁致伸缩环（1）和压电环（2）交错层叠为复合结构，且磁致伸缩环（1）和压电环（2）保持同心。
3.根据权利要求2所述的一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器，其特征在于：所述磁致伸缩环（1）的数量为四片，所述压电环（2）的数量为三片；所述磁致伸缩环（1）和压电环（2）交错层叠为七层复合结构。
4.根据权利要求1所述的一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器，其特征在于：所述磁致伸缩环（1）的材料为Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4，所述压电环（2）的材料为PbaS-4环形陶瓷片，所述磁致伸缩环（1）和压电环（2）的层厚相同，所述磁致伸缩环（1）的规格尺寸为外径12-15mm、内径7-9mm、厚0.8-1.2mm，所述压电环（2）的规格尺寸为外径13-15mm、内径7-9mm、厚0.8-1.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器，其特征在于：所述磁致伸缩环（1）与压电环（2）通过环氧树脂胶粘合，所述压电环（2）的上下表面覆盖有银电极。
6.根据权利要求1所述的一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器，其特征在于：所述非磁性支撑外壳（3）的材料为聚丙烯，所述环形螺线管（4）为漆包线。
7.一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：分别选取Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4和压电陶瓷PbaS-4圆片材料，加工为环形；
S2：对加工后的环形材料进行打磨并清洗去除氧化层待用；
S3：压电陶瓷电极的引出采用导电胶将金属丝线和电极面涂抹均匀，在恒温80°C的烤箱内放置4小时取出自然冷却至室温待用；
S4：将引出电极的PbaS-4和Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4用环氧树脂胶层黏结后在恒温为120°C的温度下放置烤箱烘烤2小时即可制成环形磁电阵列复合结构；
S5：借助机械加工车床手段并使用钻头将复合后的阵列样片镂空；
S6：将镂空后的环形磁电复合阵列密封到环形结构的聚丙烯外壳中，对其进行支撑，再使用漆包线均匀密绕在环形磁电复合元件支撑壳的外周，并留出两个输出线端。
8.根据权利要求7所述的一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器制备方法，其特征在于：步骤S1中分别选取厚度为0.8-1.2mm、直径为12-15mm的Ni0.3Zn0.7Sm0.02Fe1.98O4和压电陶瓷PbaS-4圆片材料。
9.根据权利要求7所述的一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器制备方法，其特征在于：所述的步骤S2中加工后的环形材料经600#细砂纸打磨并用丙酮清洗去除氧化层待用。
10.根据权利要求7所述的一种磁电阵列-线圈型电磁场能量采集器制备方法，其特征在于：步骤S5中镂空部分直径为7-9mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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