CN114812845B - 基于温差供电的无线测温传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于温差供电的无线测温传感器，基于温差供电的无线测温传感器中，底座固定于被测物体的表面；散热器连接于所述底座；热电片固定在散热器底部将温差所产生的热能转换成电能；传感器电路模块固定在散热器底部，传感器电路模块电连接所述热电片，电能管理模块电连接所述热电片，所述电能管理模块包括连接所述热电片的升压单元和连接所述升压单元的储能装置；温度采集模块采集被测物体的温度数据，所述温度采集模块电连接所述电能管理模块；信号处理模块电连接所述电能管理模块，所述信号处理模块接收并处理所述温度数据生成温度信号；无线发射模块电连接所述电能管理模块，所述无线发射模块接收并发射所述温度信号。

Description

基于温差供电的无线测温传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别是一种基于温差供电的无线测温传感器。

背景技术

能源是人类生存与经济发展的基础，是文明进步的驱动力。然而根据国际能源机构统计，石油、天然气和煤的储量分别只够开采约 40年、50年和240年，能源紧缺的时代很快就会到来。基于温差发电技术，通过温差发电来提高能源的综合利用率，是解决能源问题的一个重要手段。

近年来，自主设备扩展了我们在全球范围内连接、交换、通信和操作的方式，从智能手表到医疗植入设备，从自主停车场到工业智能机器，所有这些都属于一个革命性的术语，即物联网(IoT)。无线无源传感器是适应技术发展趋势和市场需求的一种新型传感器，以其体积小，使用方便，维护简单，适应特殊应用场景等特点而备受关注。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，提供了一种基于温差供电的无线测温传感器，克服了现有传感器接线复杂和无线传感器电池容量有限的问题，解决了电能需求。该电路自供电，在物联网中显示出巨大的应用潜力。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

基于温差供电的无线测温传感器包括，

底座，所述底座为中空结构；

散热器，其内部有空腔，散热器连接于所述底座；

热电片，其嵌在底座之中，其上表面作为冷端面与散热器底部接触，将温差所产生的热能转换成电能；

传感器电路模块，其固定在散热器内部的所述空腔中，传感器电路模块电连接所述热电片，其中，传感器电路模块包括；

电能管理模块，其用于实现热电片输出电压的抬升和电能存储，所述电能管理模块包括升压单元和连接所述升压单元的储能装置；

温度采集模块，其采集待测物体的温度数据，所述温度采集模块电连接所述电能管理模块；

信号处理模块，其用于接收所述温度数据，并通过无线发射模块发出温度信号。

所述的基于温差供电的无线测温传感器中，底座可拆卸固定于被测物体的表面，所述底座为绝热材料。

所述的基于温差供电的无线测温传感器中，所述热电片为热电臂紧靠型热电器件。

所述的基于温差供电的无线测温传感器中，散热器可拆卸连接于所述底座，所述散热器具有内部空腔，所述传感器电路模块设置于所述内部空腔。

所述的基于温差供电的无线测温传感器中，散热器包括第一散热部和第二散热部，其构成内部空腔，所述第一散热部和第二散热部的侧壁开设用于伸出无线发射模块的天线的洞，所述第一散热部和第二散热部的底部设有用于容纳热电片的U形槽以及用于温度采集模块伸出铂电阻的通孔。

所述的基于温差供电的无线测温传感器中，所述内部空腔为长方体或圆柱体。

所述的基于温差供电的无线测温传感器中，第一散热部和第二散热部经由螺丝可拆卸固定底座，第一散热部经由其侧面的第一螺丝可拆卸连接第二散热部，第二散热部经由其侧面的第二螺丝可拆卸连接第一散热部。

所述的基于温差供电的无线测温传感器中，储能装置包括超级电容和电池，当热电片不输出电压，电池输出电能。

所述的基于温差供电的无线测温传感器中，所述升压单元的输出端连接超级电容，所述超级电容为0.47F，超级电容充电时，通过升压单元的管脚以及延时电路断开所述电能管理模块。升压单元可以是集成的升压芯片。

所述的基于温差供电的无线测温传感器中，所述信号处理模块包括单片机，所述升压单元包括DC/DC转换器，无线发射模块为蓝牙无线发射模块。

有益效果

本发明从现场热源中收集能量，然后通过如蓝牙无线传输测量采集到的温度信号。当热电片有输出电压时，其产生的低输出电压使用升压单元处理和提升，可为超级电容器充电，为后续采集发射提供电能。如果热电片没有输出电压，则由电池为后续模块供电。本传感器体积小，使用便捷，安装方便，安全可靠，使用寿命较长，不受布线条件限制，超低功耗，可长期稳定工作。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述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他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1为本发明的基于温差供电的无线测温传感器的一个实施例的正视示意图；

图2为本发明的基于温差供电的无线测温传感器的一个实施例的侧视示意图；

图3为本发明的基于温差供电的无线测温传感器的一个实施例的爆炸示意图；

图4为本发明的基于温差供电的无线测温传感器的一个实施例的传感器电路模块的结构示意图。

作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1至图4所示，基于温差供电的无线测温传感器包括，

底座6，其固定于被测物体的表面，结构中空；

散热器1，其结构内部有空腔，散热器连接于所述底座6；

热电片4，其嵌在底座6之中，其上表面即冷端面与散热器1底部接触，将温差所产生的热能转换成电能；

传感器电路模块2，其固定在散热器1内部的空腔中，传感器电路模块2电连接所述热电片4，传感器电路模块2包括：

电能管理模块，其电连接所述热电片4以实现热电片输出电压的抬升和电能存储，所述电能管理模块包括升压单元和连接所述升压单元的储能装置，如超级电容或可充电电池；

温度采集模块，其采集待测物体的温度数据，所述温度采集模块电连接所述电能管理模块；

信号处理模块，其电连接所述电能管理模块，所述信号处理模块可通过微型处理单元，如单片机等接收所述温度数据，并通过串口连接无线发射模块发出温度信号。

能够理解，无线发射模块，其电连接所述电能管理模块和信号处理模块，所述无线发射模块接收并发射所述温度信号。

所述的基于温差供电的无线测温传感器的优选实施例中，底座6 可拆卸固定于被测物体的表面，所述底座6为绝热材料。

所述的基于温差供电的无线测温传感器的优选实施例中，所述热电片4为热电臂紧靠型热电器件。

所述的基于温差供电的无线测温传感器的优选实施例中，散热器1可拆卸连接于所述底座6，所述散热器1具有内部空腔，所述传感器电路模块2设置于所述内部空腔。

所述的基于温差供电的无线测温传感器的优选实施例中，散热器 1包括第一散热部1a和第二散热部1b，其构成内部空腔，所述第一散热部1a和第二散热部1b的侧壁开设用于伸出无线发射模块的天线的洞，所述第一散热部1a和第二散热部1b的底部设有用于容纳热电片4的U形槽以及用于温度采集模块伸出铂电阻的通孔。

所述的基于温差供电的无线测温传感器的优选实施例中，第一散热部1a和第二散热部1b为对称结构，所述内部空腔为长方体或圆柱体。

所述的基于温差供电的无线测温传感器的优选实施例中，第一散热部1a和第二散热部1b经由螺丝5可拆卸固定底座6，第一散热部1a经由其侧面的第一螺丝3a可拆卸连接第二散热部1b，第二散热部 1b经由其侧面的第二螺丝3b可拆卸连接第一散热部1a。

所述的基于温差供电的无线测温传感器的优选实施例中，储能装置包括超级电容和电池，所述超级电容电连接所述升压单元以存储其升压的电能并输出，当热电片不输出电压，电池输出电能。

所述的基于温差供电的无线测温传感器的优选实施例中，所述升压单元的输出端连接超级电容，所述超级电容为0.47F，超级电容充电时，断开所述电能管理模块。例如，通过升压芯片的管脚以及延时电路断开所述电能管理模块。

所述的基于温差供电的无线测温传感器的优选实施例中，所述信号处理模块包括单片机，所述升压单元包括DC/DC转换器，无线发射模块为蓝牙无线发射模块。

在一个实施例中，热电片输出的电能至少20mV，所述升压单元将电能至少升压到3.3V。

在一个实施例中，所述温度采集模块包括铂电阻温度传感器和处理单元，其包括贴在被测物体表面的薄膜Pt100。

在一个实施例中，传感器电路模块2分布于两块并列的PCB板上，其中，储能装置位于两块并列的PCB板中间。减小了整体电路模块的体积。传感器电路模块2内所有的模块连接为一个整体。

在一个实施例中，所述热电片4与传感器电路模块2并列设在散热器1底部。

在一个实施例中，底座6的材料是尼龙，选用绝热材料避免被测物体与底座6形成热流通道，通过螺丝与散热器1固定。热电片4与散热器1通过焊接固定。传感器电路模块2由热电片4产生的电能，通过升压模块为测温模块和无线模块供电。电路模块放在散热器1内部空腔中，板载天线通过散热器1侧面开槽伸出。散热器1采用紫铜材料，通过对仿真模型的优化，减小热阻。仿真结果与热电片4优化算法反复迭代，最终得到热电片4最佳尺寸，达到自供电条件最低温差。将底座6与被测物体表面通过螺丝固定，热电片4通过温差产生电压为传感器电路供电，从而通过无线将温度信号发出来。安装方便，使用寿命较长，不受布线条件限制，超低功耗，可长期稳定工作。

在一个实施例中，被测物体表面与底座6紧靠连接，底座6与散热器1连接，热电片4固定在散热器1底部，电路模块放在散热器1 内部空腔中，所有的模块连接为一个整体。传感器整体形状可以为长方体或圆柱体，散热器1可相应的改为长方体或圆柱体；热电片4也可相应的改为圆形或方形；电路模块也可相应的改变形状，放置于散热器1内部空腔，或与热电片4并排放置于散热器1下方。本发明中散热器1材料选用紫铜材料。紫铜材料相对于一般散热器1常用的铝材料而言，其具有更好的散热性能。底座6材料选用绝热材料，避免被测物体与底座6形成热流通道，因此可以采用尼龙或者FR4等绝热材料加工底座6。另外，考虑到本发明未来可能应用于电气行业相关设备，因此也对散热器1金属表面涂上绝缘漆或其他如绝缘胶带等绝缘材料包裹，提升电气安全性能。

优选的，散热器1分为两块，通过侧面的螺丝固定。内部有一个长方体空间，将传感器电路放在里面。侧壁开洞，电路无线板载天线通过这个洞伸出来。本发明将电路模块放在了散热器1内部的空腔中，既保证了热电片与电路模块的电路连接，又提升了传感器的整体性以及美观。另外地，也可以将电路和热电片放置在底座6空间中，底座6再与散热器1连接构成传感器整体。如果对传感器整体性没有特殊要求，也可以直接连接热电片和散热器1，将方形电路板放置在散热器1翅片中，或以其他特殊形状与散热器1和热电片连接。

优选的，散热器1底部侧面挖U形槽，与底座6上部伸出部分相匹配，通过螺丝固定。底座6底部有四个螺丝孔，通过螺丝使得传感器与被测物体表面紧贴固定。这样的固定方式既可以使散热器1和底座6紧固，也不会增加传感器体积。当然，如果底座6上留有空间较大，也可以直接用长螺丝将底座6和散热器1打穿，使它们连接在一起。另外，也可以考虑在散热器1和底座6之间采用胶粘的方式来连接，这样做的好处是不用在散热器1和底座6上打孔，节省空间，但是不易于拆卸、检修等工作。

优选的，为了减少热电片4和散热器1之间的界面热阻，热电片 4通过锡焊，固定在散热器1底部。为了减小热电片4和散热器1之间的界面热阻，通过导热硅脂、导热胶垫或焊接方式将热电片4和散热器1紧紧的贴在一起，以此来避免传热热阻的增加。经过对比实验测试，导热硅脂和焊接方式传热较为理想。考虑到散热器1的整体性，最终采用焊接的方式，将热电片4固定在散热器1底部。

优选的，测温铂电阻通过散热器1底部的通孔伸出，焊接在热电片4底部留有的焊盘上。

优选的，传感器中使用热电臂紧靠型热电器件，该器件消除了空气间隙，整体结构强度和应力强度增加。热阻减小，高温端传热和低温端冷却效果得以提升。避免通过空气间隙传热造成的热流损失，提升器件效率。结构紧凑，能够在更小的面积上实现与传统热电器件相近的功率输出，功率密度提高。

优选的，散热器1与其他部分整体仿真计算热阻，带入热电片4 智能优化算法计算，得到热电片4最优尺寸和对数。重复过程反复迭代，最终得到在相对尺寸下最优传感器模型。

优选的，电路包括电能管理模块、温度采集模块、信号处理模块以及蓝牙无线发射模块。电能管理模块包括升压单元LTC3108、超级电容以及电池。其中升压单元将TEG产生的电能进行升压至3.3V，并用0.47F超级电容进行储能，为其他模块供电。电池作为后备电源，在没有TEG输入时启用。

优选的，信号处理模块主要包括型号为stm32l05c8t6的单片机. 将芯片AD7124通过铂电阻采集温度信息，通过E104-bt52蓝牙芯片发射无线信号。

在一个实施例中，传感器中使用热电臂紧靠型热电器件，该器件消除了空气间隙，整体结构强度和应力强度增加。热阻减小，高温端传热和低温端冷却效果得以提升。避免通过空气间隙传热造成的热流损失，提升器件效率。结构紧凑，能够在更小的面积上实现与传统热电器件相近的功率输出，功率密度提高。散热器1与其他部分整体仿真计算热阻，带入热电片4智能优化算法计算，得到热电片4最优尺寸和对数。重复过程反复迭代，最终得到在相对尺寸下最优传感器模型。升压单元将TEG产生的电能进行升压至3.3V，并用0.47F超级电容进行储能，为其他模块供电。电池作为后备电源，在没有TEG 输入时启用。信号处理模块主要包括型号为stm32l05c8t6的单片机. 将芯片AD7124通过铂电阻采集温度信息，通过E104-bt52蓝牙芯片发射无线信号。

在一个实施例中，无线测温传感器包括连接的第一散热部1a，第二散热部1b，传感器电路模块2，侧面通孔的第一螺丝3a，第二螺丝3b，热电片4，固定底座的螺丝5和底座6。

第一散热部1a，第二散热部1b采用紫铜材料。第一散热部1a，第二散热部1b分为两块，通过侧面的第一螺丝3a，第二螺丝3b固定。内部有一个长方体空间，将传感器电路模块2放在里面。侧壁开洞，电路无线板载天线通过这个洞伸出来。第一散热部1a，第二散热部1b底部侧面挖U形槽，与底座6上部伸出部分相匹配，通过螺丝5固定。底座6材料为尼龙，选用绝热材料避免被测物体与底座6 形成热流通道。底座6底部有四个螺丝孔，通过螺丝5使得传感器与被测物体表面紧贴固定。为了减少热电片4和第一散热部1a，第二散热部1b之间的界面热阻，热电片4通过锡焊，固定在散热器底部。测温铂电阻通过第一散热部1a，第二散热部1b底部的通孔伸出，焊接在热电片4底部留有的焊盘上。当热电片4有输出电压时，其产生的低输出电压(＞20mV)使用升压单元处理和提升，可为超级电容器充电至3.3V，为电路模块供能。铂电阻从电路引出固定在热电片4 底板的表面，用于测量被测物体温度。然后通过AD芯片转换数据，送入单片机进行处理，转换为AT指令将信号通过蓝牙发射出去，从而通过接收设备可得知温度信息，完成传感器功能。如果热电片4没有输出电压，则由电池为后续模块供电。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.一种基于温差供电的无线测温传感器，其特征在于：其包括，

底座，所述底座为中空结构；

散热器，其内部有空腔，散热器连接于所述底座，散热器包括第一散热部和第二散热部，其构成内部的所述空腔，所述第一散热部和第二散热部开设用于伸出无线发射模块的天线的洞，所述第一散热部和第二散热部的底部设有用于容纳热电片的U形槽以及用于温度采集模块伸出铂电阻的通孔，所述U形槽与底座上部伸出部分相匹配，通过螺丝固定；

热电片，其嵌在底座之中，其上表面作为冷端面与散热器底部接触，将温差所产生的热能转换成电能；

传感器电路模块，其固定在散热器内部的所述空腔中，传感器电路模块电连接所述热电片，其中，传感器电路模块包括；

电能管理模块，其用于实现热电片输出电压的抬升和电能存储，所述电能管理模块包括升压单元和连接所述升压单元的储能装置；

温度采集模块，其采集待测物体的温度数据，所述温度采集模块电连接所述电能管理模块；

信号处理模块，其用于接收所述温度数据，并通过无线发射模块发出温度信号，底座可拆卸固定于被测物体的表面，所述底座为绝热材料，热电片输出的电能至少20mV，所述升压单元将电能至少升压到3.3V。

2.根据权利要求1所述的基于温差供电的无线测温传感器，其特征在于：所述热电片为热电臂紧靠型热电器件。

3.根据权利要求1所述的基于温差供电的无线测温传感器，其特征在于：散热器可拆卸连接于所述底座，所述散热器具有内部空腔，所述传感器电路模块设置于所述内部空腔。

4.根据权利要求3所述的基于温差供电的无线测温传感器，其特征在于：所述内部空腔为长方体或圆柱体。

5.根据权利要求3所述的基于温差供电的无线测温传感器，其特征在于：第一散热部和第二散热部经由螺丝可拆卸固定底座，第一散热部经由其侧面的第一螺丝可拆卸连接第二散热部，第二散热部经由其侧面的第二螺丝可拆卸连接第一散热部。

6.根据权利要求1所述的基于温差供电的无线测温传感器，其特征在于：储能装置包括超级电容和电池，所述超级电容电连接所述升压单元以存储其升压的电能并输出，当热电片不输出电压，电池输出电能。

7.根据权利要求6所述的基于温差供电的无线测温传感器，其特征在于：所述升压单元的输出端连接超级电容，超级电容充电时，断开所述电能管理模块。

8.根据权利要求1所述的基于温差供电的无线测温传感器，其特征在于：所述信号处理模块包括单片机，所述升压单元包括DC/DC转换器，无线发射模块为蓝牙无线发射模块。