CN202814559U - 以自采能供电为主的双电源传感器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种以自采能供电为主的双电源传感器装置，它包括附着于被测设备上的壳体，该壳体内设置有PCB组件且所述PCB组件上具有用于测量该被测设备温度的测温传感器，所述PCB组件还包括：为所述测温传感器提供第一电源的半导体温差发电器件；为所述测温传感器提供第二电源的电池；以及一切换电路，用于切换第一电源和第二电源。在温差满足工作需要的情况下切换为第一电源，以半导体温差发电器件自采能供电为主，在温差无法满足工作需要的情况下切换为第二电源的电池供电，这样可实现测温传感器在不同条件下的连续供电。

Description

以自采能供电为主的双电源传感器装置

技术领域

本实用新型涉及一种以自采能供电为主的双电源传感器装置。

背景技术

物联网技术概念已得到广泛认同，但物联网应用的瓶颈在于传感器工作电能的获取方式，以及对电池的依赖，理论上电池在非连续工作状态下可10年，但实际上受多种因素影响，如环境温度、负荷大小，致使实际寿命大大缩短。随着通讯与网络技术应用的发展普及，各行各业各种环境下应用传感器越来越多，这使得各种就地采能传感器的技术方案成为焦点。

在现有的无线传感网络中，传感器节点大部分使用电池供电的方式。目前商用的电池寿命普遍2-5年，需要定期更换或维护，增加了传感器节点的维护成本。目前，很多低功率无线传感器和控制器的供能系统正逐步转向采用可替代能源作为主要或辅助供能方式；最理想的节点供能方式是：完全免除增设有线电源或电池的需要，利用物理电源产生电能转换正在成为许多应用领域的适用电源，当然也是无线传感器供能方式的探求方向。

获取环境能源给节点补充能源甚至是永久供电，是传感器网络节点的一种重要的能量来源。目前商业上可行的解决方案主要有太阳能、风能等，另外，振动能、环境温差、潮汐、雨滴动能等新型环境能源也处于研究中，并且在某些特殊场合得以应用，然而这些能源供给方式往往受到周围环境的限制，因而不能保证连续供电。由于众多无线传感器、远程监视器和其他低功率应用设备正逐渐发展成为只使用收集能量的近“零”功率器件,因此结合现有使用环境(监测发热电气连接点温度)开发一种热电能量收集系统为无线传感器节点供电成为可能。现有技术中的温差供电传感器主要指半导体温差发电器件，它是采用单电源供电方式为测温传感器供电，当温差无法满足工作需要的情况则无法正常工作，另外测温传感器无法工作的情况下并不能判断测温传感器的能量采集部分出现故障或是数据传输部分出现故障，无法实现测温传感器的连续供电，这是现有技术中的缺陷。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种以自采能供电为主的双电源传感器装置，它在温差满足工作需要的情况下以半导体温差发电器件自采能供电为主，在温差无法满足工作需要的情况下切换为电池供电，实现测温传感器的连续供电。

本实用新型所采用的技术方案是：本实用新型涉及的以自采能供电为主的双电源传感器装置，包括附着于被测设备上的壳体，该壳体内设置有PCB组件且所述PCB组件上具有用于测量该被测设备温度的测温传感器，所述PCB组件还包括：

为所述测温传感器提供第一电源的半导体温差发电器件，该半导体温差发电器件具有一冷端和一热端，该热端直接与所述被测设备热传导以使热端的温度等于被测设备的温度；

为所述测温传感器提供第二电源的电池；以及

一切换电路，用于切换第一电源和第二电源；当所述冷端和热端之间温差低于某定值时切换为第二电源，当所述冷端和热端之间温差在该定值以上时切换为第一电源。

具体来说，所述测温传感器包括第一测温元件和第二测温元件，该第一测温元件的感温面与所述热端的感温面相接触，该第二测温元件的感温面与所述冷端的感温面相接触。该第一测温元件测得的温度即为所需测量的被测设备的温度，该温度的数据可以通过无线的发送给采集监测系统中。

进一步，所述PCB组件上还设置有散热器，该散热器与所述冷端接触，冷端的热量通过散热器散发至外界，使其与热端形成一定的温差。

进一步，所述壳体附着于被测设备上的方式包括：通过捆绑式安装于被测设备上；或者通过一高导热材料的安装支架固定于被测设备上，所述热端与该安装支架接触。

进一步，所述PCB组件的接地极与安装支架之间通过一对金属螺栓螺母组件来连接，以安装支架与被测设备作为地极，通过金属螺栓螺母组件的高导电性，使PCB组件的接地极良好接地。

进一步，所述PCB组件还包括无线发射天线，可以用于对外发射测得的温度数据，在所述壳体上设置有与该无线发射天线形状相适配的保护罩。

进一步，在所述壳体上设置有一用于将内部的PCB组件整体灌封的灌封口，该灌封口上盖设有防水帽。

进一步，所述PCB组件上还设置有工作电源开关，所述壳体上具有一向壳体内部延伸的开关保护罩以防止该工作电源开关被灌封，这样在无必要时可以关闭该装置的工作电源开关，以免造成不必要的浪费。

进一步，上述的切换电路主要包括以下元件：

一比较器，用于判断所述半导体温差发电器件的供电储能电容的电压值是否超过比较器的上限阀值；

一带使能的低压差线性稳压器并连接有IO口，用于关闭和导通半导体温差发电器件的供电；

一增强型场效应管，用于关闭和导通电池的供电；以及

两个结型场效应管，分别用于阻止电流倒灌向电池和低压差线性稳压器。

进一步，所述PCB组件的电路还包括有能量收集电路、模数转换器、微控制器和无线发送/接收器。

本实用新型的有益效果是：由于本实用新型是以半导体温差发电器件作为主要电源，以电池作为第二电源的传感器装置，其中半导体温差采能是一种新型的自采能技术，它既具有无噪音、无污染、适应范围广、安全可靠、长期免维护等优势，在有热源的地方即可利用温差工作以输出电能供测温传感器工作，也能在无热源地地方通过自动切换激活自带的电池工作。此外本实用新型的零部件少而且全部集中于壳体内部，结构简单紧凑，体积小，整个装置可以通过安装支架或者直接捆绑固定，安装及携带非常方便。综上所述本装置在监测领域具有广阔的使用前景。

附图说明

图1是本实用新型的传感器装置的内部结构示意图；

图2是本实用新型的传感器装置的背部设有安装支架的示意图；

图3是本实用新型传感器装置的断面图；

图4是本实用新型中PCB组件电路系统的模块框图；

图5是本实用新型中涉及的切换电路以及半导体温差发电器件输出后的升压电路的示意图。

具体实施方式

本实用新型涉及的传感器装置包括附着于被测设备上的壳体，该壳体内设置有PCB组件且所述PCB组件上具有用于测量该被测设备温度的测温传感器，所述PCB组件的双电源分别为所述测温传感器提供第一电源的半导体温差发电器件和为所述测温传感器提供第二电源的电池以及用于切换第一电源和第二电源的切换电路。本传感器装置附着于被测设备上的方式可以根据具体使用环境有很多种，例如通过捆绑式安装于被测设备上，或者通过一高导热材料的安装支架固定于被测设备上，下面就以支架安装的方式对本实用新型做进一步详细的描述：

如图1和图2所示，安装支架4由高导热金属材料组成，本实用新型的传感器装置通过安装支架4所设的安装孔4b安装于被测设备上，从而得出被测设备的温度，也是作为传感器装置热量的来源；安装支架4另一端内设有一凹槽4a，半导体温差发电器件5的热端5b的端面5b1置于凹槽4a内，为半导体温差发电器件5的热端5b提供热源；由于半导体温差发电器件5本身具有一定的导热系数，所以其冷端5a在某些简单使用条件下可以不设置散热器，本实施例则为设置散热器的情况，如图1中的散热器1固定于PCB组件3上，它的平面端1a与半导体温差发电器件5的冷端5a的端面5a1直接接触，作用为给半导体温差发电器件5的冷端5a提供散热。半导体温差发电器件5通过热端5b与冷端5a的温度差，将热能转换为电能，为测温传感器以及其它下游电路提供电源。PCB组件3设有第二测温元件6a，第二测温元件6a的感温面6a1与半导体温差发电器件5冷端5a的感温面5a2完全接触，用于实时测出冷端5a的温度。PCB组件3另设有第一测温元件6b，第一测温元件6b的感温面6b1与半导体温差发电器件5热端5b的感温面5b2完全接触，用于实时测量出热端5b的温度，同时也是被测设备所需测量点的温度。

在PCB组件3中设有电池，作为本实用新型中辅助的第二电源，例如图1中的锂电池3a，当上述半导体温差发电器件5热端5b与冷端5a温差低于某定值或无温差时，锂电池3a将被上述的切换电路自动激活，给第一测温元件6b及第二测温元件6a提供电源，从而也可测出被测设备所需测量点的温度即为第一测温元件6b的温度；当半导体温差发电器件5的热端5b与冷端5a温度差达到或超过该定值时，半导体温差发电器件5也会被自动激活从而提供测温电源。由此可以理解测温传感器是由半导体温差发电器件5与锂电池3a自动转换供电。

本实用新型中的壳体是由主壳体2与后盖8装配组成，PCB组件3容纳于其中。在散热器1与PCB组件3之间设有一垫块7，高度与半导体温差发电器件5的冷端5a的高度相同，用于散热器1安装时与半导体温差发电器件5的冷端5a端面5a1平衡并接触充分；后盖8上设有一组凸台8a，高度与半导体温差发电器件5的热端5b所突出后盖8的高度相同，作用是使安装支架4与热端5b的端面5b1保持平衡并接触充分。后盖8另设有一让位孔8b，作用为给第一测温元件6b让位及固定。

在PCB组件3中设有无线发射天线3b，主壳体2上设有一薄层的保护罩2b，用于保护无线发射天线3b而不影响其无线发射。PCB组件3中另设有贴片螺母3d，贴片螺母3d焊接于PCB组件3的接地极，安装支架4与被测设备接触固定且作为地极，螺栓或螺钉10通过锁置安装支架4与贴片螺母3d连接，上述的贴片螺母3d以及螺栓或螺钉10都是金属导电的，这样使得PCB组件3的接地极能有效的接地。

如图1和图3，在主壳体2上还设有一灌封口2a，用于将PCB组件3整体灌封，灌封完成后，用防水帽9盖住灌封口2a，作用为防水防尘及保持外观整体性。在主壳体2上设有另一组开关保护罩2c且延伸至壳体内部，PCB组件3内设有总的工作电源开关3c，当灌封时开关保护罩2c保护工作电源开关3c不会被灌封上，从而可有效控制本装置的电源，使其在不工作时造成不必要的浪费。

如图4所示，PCB组件的电路系统模块框图包括连接在某个发热源上的热电发生器（下文简称TEG），即前面所述的半导体温差发电器件5。当热电发生器的两端有温差的时候，它能够将很小的温差转换为电能，产生的电能随后均可由一个能量收集电路进行转换并被变更为一种可用的形式，用于给下游电路供电。这些下游电子线路通常将包括测温传感器、模数转换器和一个超低功率的微控制器，上述组件可以获取该收集的能量(如今以电流的形式存在)并唤醒测温传感器，以获得一个读数或测量结果，然后使该数据可通过一个超低功率的无线发送/接收器进行传输，即通过图1中所示的无线发射天线3b将测得的温度数据发射传输给监测系统。

如图5所示，TEG输出后的升压电路使用典型的反激式转换器，为测量TEG的开路电压使用Q2来断开后端负载，通过IO口来控制Q2。由于微处理器（单片机）以及测温传感器的后续处理电路等都可以是现有技术，在此并未具体图示作详细说明；例如测温传感器的电路可以使用PT100(第一测温元件)来测量热端的温度，后续的信号放大电路可使用零漂移的运放OPA333，PT100的电桥供电由单片机的AD基准电压提供，保证了后续运算的精度，另外OPA333的供电由单片机的IO口控制，测量电路的供电均可关断，保证了整个电路的低功耗。另外可使用贴片测温IC（第二测温元件）来测量冷面的温度，IC由IO口供电，测量电路的供电均可关断，保证了整个电路的低功耗。

图5中所示的虚线内的为本实用新型的切换电路，它包括两个结型场效应管（简称JFET），一个增强型场效应管（简称PMOS），一个带使能的低压差线性稳压器（简称LD0），一个带中断功能IO口以及一个比较器。其工作过程如下：

当TEG供电储能电容电压值超过比较器的上限阀值时（即冷端和热端之间的温差在预定值以上时），比较器输出高电平，带使能的LDO导通，输出2.4V电源供给后续电路使用，同时关断Q3（PMOS）断开电池A1供电，此时连接LDO的IO口置高通知单片机现在为TEG供电。同时结型场效应管Q5的使用阻止了TEG供电时LDO的电流不会倒灌向电池A1，保证了整个电路的低功耗，另外也不会降低电池A1的输出电压。当TEG供电储能电容电压值低于比较器的下限阀值时（即冷端和热端之间的温差小于该预定值时），比较器输出低电平，关断LDO，后续电路供电停止，此时Q3(PMOS)导通，电路切换到由电池A1供电，连接LDO的IO口置低通知单片机现在为电池供电，同样结型场效应管Q6的使用阻止了电池A1供电时电流灌向LDO，保证了整个电路的低功耗，另外也不会降低LDO的输出电压。

Claims (10)

1.一种以自采能供电为主的双电源传感器装置，包括附着于被测设备上的壳体，该壳体内设置有PCB组件且所述PCB组件上具有用于测量该被测设备温度的测温传感器，其特征在于，所述PCB组件还包括：

为所述测温传感器提供第一电源的半导体温差发电器件，该半导体温差发电器件具有一冷端和一热端，该热端直接与所述被测设备热传导以使热端的温度等于被测设备的温度；

为所述测温传感器提供第二电源的电池；以及

一切换电路，用于切换第一电源和第二电源；当所述冷端和热端之间温差低于某定值时切换为第二电源，当所述冷端和热端之间温差在该定值以上时切换为第一电源。

2.根据权利要求1所述的以自采能供电为主的双电源传感器装置，其特征在于，所述测温传感器包括第一测温元件和第二测温元件，该第一测温元件的感温面与所述热端的感温面相接触，该第二测温元件的感温面与所述冷端的感温面相接触。

3.根据权利要求1所述的以自采能供电为主的双电源传感器装置，其特征在于，所述PCB组件上还设置有散热器，该散热器与所述冷端接触。

4.根据权利要求1或2或3所述的以自采能供电为主的双电源传感器装置，其特征在于，所述壳体附着于被测设备上的方式包括：通过捆绑式安装于被测设备上；或者通过一高导热材料的安装支架固定于被测设备上，所述热端与该安装支架接触。

5.根据权利要求4所述的以自采能供电为主的双电源传感器装置，其特征在于，所述PCB组件的接地极与安装支架之间通过一对金属螺栓螺母组件来连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的以自采能供电为主的双电源传感器装置，其特征在于，所述PCB组件还包括无线发射天线，在所述壳体上设置有与该无线发射天线形状相适配的保护罩。

7.根据权利要求1或2或3所述的以自采能供电为主的双电源传感器装置，其特征在于，在所述壳体上设置有一用于将内部的PCB组件整体灌封的灌封口，该灌封口上盖设有防水帽。

8.根据权利要求7所述的以自采能供电为主的双电源传感器装置，其特征在于，所述PCB组件上还设置有工作电源开关，所述壳体上具有一向壳体内部延伸的开关保护罩以防止该工作电源开关被灌封。

9.根据权利要求1或2或3所述的以自采能供电为主的双电源传感器装置，其特征在于，所述切换电路包括：

一比较器，用于判断所述半导体温差发电器件的供电储能电容的电压值是否超过比较器的上限阀值；

一带使能的低压差线性稳压器并连接有IO口，用于关闭和导通半导体温差发电器件的供电；

一增强型场效应管，用于关闭和导通电池的供电；以及

两个结型场效应管，分别用于阻止电流倒灌向电池和低压差线性稳压器。

10.根据权利要求1或2或3所述的以自采能供电为主的双电源传感器装置，其特征在于，所述PCB组件的电路还包括有能量收集电路、模数转换器、微控制器和无线发送/接收器。

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