CN211720340U - 一种基于空间电磁能的供能系统及自供能传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于空间电磁能的供能系统及自供能传感器，包括电磁能量收集转换单元、整流倍压单元和储能单元，所述电磁能量收集转换单元的输出端与所述整流倍压单元的输入端连接，所述整流倍压单元的输出端与所述储能单元输入端连接；所述电磁能量收集转换单元用于收集电磁能，并将电磁能转换为交流电；所述整流倍压单元用于将接收的交流电整流为直流电，并进行升压；所述储能单元用于存储电能。本实用新型能够将空间电磁能量转换为电能并储存，可以利用我们生活的环境中蕴含的电磁能量，给传感器供应能量，且基于空间电磁能的自供能传感器具有体积小，可嵌入等众多优点。

Description

一种基于空间电磁能的供能系统及自供能传感器

技术领域

本实用新型属于电磁能转换技术领域，具体涉及一种基于空间电磁能的供能系统及自供能传感器。

背景技术

随着社会经济的发展，资源被大量消耗，能源短缺问题日益严峻，并成为当代社会的一个亟需解决的问题。在超低功耗微系统的发展下，能源需求量的日益增加与当前有限的能源供应是无法匹配的，找到一种新型能源成为现代社会的主要探索问题。

在日常生活中，随着各种智能终端的普及，众多便携式无线电子设备如智能手机、笔记本电脑等，这些电子设备被广泛应用，其能量来源主要是电池，很不环保。自供能技术是近年来提出的一种能从根本上解决无线传感器网络节点供能问题的方法，其最大的优点为无线传感器可利用周围环境中的能量作为自身的能量的供给，从而摆脱了对电网的依赖。

基于风能的自供能传感器和基于太阳能的自供能传感器的能源供给均受天气影响大，且两者的能量收集装置分别包含发电机和太阳能面板，体积过大；基于振动能的自供能传感器必须提供足够振动才能保证装置正常工作，应用场景有限。以上均无法在实际应用场合中广泛应用。

发明内容

针对现有技术中的技术问题，本实用新型提供了一种基于空间电磁能的供能系统及自供能传感器，能够将空间电磁能量转换为电能并储存，可以利用我们生活的环境中蕴含的电磁能量，给传感器供应能量，且基于空间电磁能的自供能传感器具有体积小，可嵌入等众多优点。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种基于空间电磁能的供能系统，包括电磁能量收集转换单元、整流倍压单元和储能单元，所述电磁能量收集转换单元的输出端与所述整流倍压单元的输入端连接，所述整流倍压单元的输出端与所述储能单元输入端连接；所述电磁能量收集转换单元用于收集电磁能，并将电磁能转换为交流电；所述整流倍压单元用于将接收的交流电整流为直流电，并进行升压；所述储能单元用于存储电能。

进一步地，所述电磁能量收集转换单元包括超宽带全向天线和阻抗匹配单元，所述超宽带全向天线用于收集电磁能，并将电磁能转换为交流电；所述阻抗匹配单元用于使所述超宽带全向天线的输出阻抗与所述整流倍压单元的输入阻抗相匹配。

进一步地，所述阻抗匹配单元包括电感L1、电感L2、可变电容C1和可变电容C2，所述电感L1的一端和所述可变电容C1的一端均与所述超宽带全向天线的输出端连接，所述可变电容C1的另一端分别与所述电感L2的一端和所述可变电容C2的一端连接，所述电感L1的另一端和所述电感L2的另一端均接地，所述可变电容C2的另一端与所述整流倍压单元的输入端连接。

进一步地，所述超宽带全向天线为HFSS微带天线或UWB天线。

进一步地，所述整流倍压单元包括电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述电容C3的一端和所述电容C4的一端均与所述电磁能量收集转换单元的输出端连接，所述电容C3的另一端分别与所述二极管D1的负端和所述二极管D3的正端连接，所述二极管D3的负端分别与所述电容C5的一端和所述储能单元的输入端连接，所述电容C4的另一端分别与所述二极管D2的正端和所述二极管D4负端连接，所述二极管D2的负端与所述二极管D1的正端连接，所述二极管D4的正端与所述电容C6的一端连接，且所述二极管D4的正端还用于连接传感器，所述二极管D1的正端、所述二极管D2负端、所述电容C5的另一端和所述电容C6的另一端均接地。

进一步地，所述二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4的型号均为HSMS285C。

进一步地，所述储能单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C7、电容C8、三极管Q1和三极管Q2，所述电阻R1的一端、所述电阻R2的一端、所述电阻R3的一端和所述电阻R4的一端并联，并连后与所述整流倍压单元的输出端连接，所述电阻R1的另一端分别与所述电容C7的一端和所述三极管Q1的集电极连接，所述电阻R2的另一端分别与所述电容C7的另一端和所述三极管Q2的基极连接，所述电阻R3的另一端分别与所述电容C8的一端和所述三极管Q1的基极连接，所述电阻R4的另一端分别与所述电容C8的另一端和所述三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q1的射极和所述三极管Q2的射极均用于连接传感器。

一种自供能传感器，该传感器应用本实用新型所述的基于空间电磁能的供能系统供能。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型一种基于空间电磁能的供能系统，利用电磁能量收集转换单元收集空间电磁能，并将电磁能转换为交流电，通过整流倍压单元将接收的交流电整流为直流电，并进行升压，最后通过储能单元将电能存储，以供传感器进行使用，也就是说，本实用新型将空间电磁能量转换为电能并储存，可以利用我们生活的环境中蕴含的电磁能量(尤其是随之5G时代的到来)，给传感器供应能量，解决了高能传输的危害，成本低，不需要输电线或电池供电，电能热效应少，减少了资源的浪费，作为新型的电能传输方式，其安全性、便捷性、维护费用与传统相比有很大优势，革新电池技术以及单向无线充电技术。

进一步地，阻抗匹配单元使超宽带全向天线的输出阻抗与整流倍压单元的输入阻抗相匹配，将天线输出的高频电流无路径损耗传输到整流器中，能够有效减少谐波的损耗。

本实用新型一种自供能传感器，应用上述的基于空间电磁能的供能系统供能，传感器可利用周围环境中的电磁能量作为自身的能量源，摆脱了对有线电网的依赖，相比近年来发展的基于风能、太阳能、振动能等新型能源的自供能技术拥有新的优势，能量的获取不受天气的影响，可以保证测量系统稳定运行。且基于空间电磁能的自供能传感器还具有体积小，可嵌入等众多优点，是一种新型的自供能传感器。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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。

图1是本实用新型的自供能传感器结构图；

图2是本实用新型的工作总流程图；

图3是本实用新型的总电路图；

图4是本实用新型中的整流倍压单元电路图；

图5是本实用新型中的储存单元电路图。

图中：1-超宽带全向天线；2-阻抗匹配单元；3-整流倍压单元；4-储能单元；5-传感器本体；6-基板。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

作为本实用新型的某一具体实施方式，一种基于空间电磁能的供能系统，结合图1、图2和图3所示，包括电磁能量收集转换单元、整流倍压单元3和储能单元4，电磁能量收集转换单元的输出端与整流倍压单元的输入端连接，整流倍压单元的输出端与储能单元输入端连接；电磁能量收集转换单元用于收集电磁能，并将电磁能转换为交流电；整流倍压单元用于将接收的交流电整流为直流电，并进行升压；储能单元用于存储电能。

本实施例中，电磁能量收集转换单元包括超宽带全向天线1和阻抗匹配单元2，优选的，如图1所示，超宽带全向天线采用2*2的连接方式，超宽带全向天线为HFSS微带天线或UWB天线，超宽带全向天线用于收集电磁能，并将电磁能转换为交流电；阻抗匹配单元用于使超宽带全向天线的输出阻抗与整流倍压单元的输入阻抗相匹配。具体的，如图3所示，阻抗匹配单元包括电感L1、电感L2、可变电容C1和可变电容C2，电感L1的一端和可变电容C1的一端均与超宽带全向天线的输出端连接，可变电容C1的另一端分别与电感L2的一端和可变电容C2的一端连接，电感L1的另一端和电感L2的另一端均接地，可变电容C2的另一端与整流倍压单元的输入端连接，具体的说，可变电容C2的另一端与电容C3的一端和电容C4的一端连接。超宽带全向天线通过电磁感应原理将射频能量转化高频，阻抗匹配单元使超宽带全向天线的输出阻抗与整流倍压单元的输入阻抗相匹配，将天线输出的高频电流无路径损耗传输到整流器中，能够有效减少谐波的损耗。

结合图3和图4所示，整流倍压单元包括电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，通过电容和二极管的连接，将阻抗匹配后的电流整流成直流，并进行一定程度的升压，本实施例中，二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4的型号均为HSMS285C。具体的，电容C3的一端和电容C4的一端均与可变电容C2的另一端连接，电容C3的另一端分别与二极管D1的负端和二极管D3的正端连接，二极管D3的负端分别与电容C5的一端和储能单元的输入端连接，电容C4的另一端分别与二极管D2的正端和二极管D4负端连接，二极管D2的负端与二极管D1的正端连接，二极管D4的正端与电容C6的一端连接，且二极管D4的正端还用于连接传感器本体5，二极管D1的正端、二极管D2负端、电容C5的另一端和电容C6的另一端均接地。

如图3和图5所示，储能单元为超级电容，储能单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C7、电容C8、三极管Q1和三极管Q2，储能单元将整流倍压后的电能存储到电容中以方便传感器使用。本实施例中，三极管Q1和三极管Q2具有0.7V导通电压。具体的，电阻R1的一端、电阻R2的一端、电阻R3的一端和电阻R4的一端并联，并连后与整流倍压单元中的二极管D3的负端和电容C5的一端连接，电阻R1的另一端分别与电容C7的一端和三极管Q1的集电极连接，电阻R2的另一端分别与电容C7的另一端和三极管Q2的基极连接，电阻R3的另一端分别与电容C8的一端和三极管Q1的基极连接，电阻R4的另一端分别与电容C8的另一端和三极管Q2的集电极连接，三极管Q1的射极和三极管Q2的射极均用于连接传感器本体5。

如图5所示，当电阻R2和电容C7间的电压为高电平时，三极管Q2导通、电阻R4和电容C8间的电压迅速被拉低，由于电容C8两边存在电压差，电容C8开始充电，充电的过程中电阻R3和电容C8的电压随电容的饱和度而逐渐升高，当升高到三极管Q1的导通电压时，导致三极管Q1导通，电阻R1和电容C7间的电压被拉低，由于电容C7两边存在电压差，电容C7开始充电，充电的过程中电阻R2和电容C7的电压随电容的饱和度而逐渐升高，当升高到三极管Q2的导通电压时，导致三极管Q2导通，电容C8放电，电阻R4和电容C8间的电压迅速被拉低，由于电容C8两边存在电压差，电容C8开始充电，从而实现交替的放电。储能单元的设计目的是使微弱的电能能够在电容中积攒，到达一定数值后再有效释放，实现存储电路的存储功能，通过稳压电路可实现稳定电压输出。

储能单元对传感器供能，维持供能时间间隔后，储能单元结束对传感器的供能，维持非供能时间间隔后，一次供能结束，进入下一次供能。

作为本实用新型的某一具体实施方式，一种自供能传感器，应用上述的基于空间电磁能的供能系统供能。如图1所示，传感器与供能系统整体呈贴片式设计，集成于一电路基板6上并置于封装外壳内，便于携带与安装，保证测量系统的环境适应能力。

本实施例中，传感器为DHT11湿度传感器或BMP180气压传感器或BHF350-3HA应力传感器。

本实用新型利用空间中各频段的电磁能量，将电磁能借助天线转化为电能，经整流倍压后由超级电容进行收集，并借助三极管的导通电压实现交替放电，使得传感器实现内部自供能。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于空间电磁能的供能系统，其特征在于，包括电磁能量收集转换单元、整流倍压单元和储能单元，所述电磁能量收集转换单元的输出端与所述整流倍压单元的输入端连接，所述整流倍压单元的输出端与所述储能单元输入端连接；所述电磁能量收集转换单元用于收集电磁能，并将电磁能转换为交流电；所述整流倍压单元用于将接收的交流电整流为直流电，并进行升压；所述储能单元用于存储电能。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间电磁能的供能系统，其特征在于，所述电磁能量收集转换单元包括超宽带全向天线和阻抗匹配单元，所述超宽带全向天线用于收集电磁能，并将电磁能转换为交流电；所述阻抗匹配单元用于使所述超宽带全向天线的输出阻抗与所述整流倍压单元的输入阻抗相匹配。

3.根据权利要求2所述的一种基于空间电磁能的供能系统，其特征在于，所述阻抗匹配单元包括电感L1、电感L2、可变电容C1和可变电容C2，所述电感L1的一端和所述可变电容C1的一端均与所述超宽带全向天线的输出端连接，所述可变电容C1的另一端分别与所述电感L2的一端和所述可变电容C2的一端连接，所述电感L1的另一端和所述电感L2的另一端均接地，所述可变电容C2的另一端与所述整流倍压单元的输入端连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于空间电磁能的供能系统，其特征在于，所述超宽带全向天线为HFSS微带天线或UWB天线。

5.根据权利要求1所述的一种基于空间电磁能的供能系统，其特征在于，所述整流倍压单元包括电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述电容C3的一端和所述电容C4的一端均与所述电磁能量收集转换单元的输出端连接，所述电容C3的另一端分别与所述二极管D1的负端和所述二极管D3的正端连接，所述二极管D3的负端分别与所述电容C5的一端和所述储能单元的输入端连接，所述电容C4的另一端分别与所述二极管D2的正端和所述二极管D4负端连接，所述二极管D2的负端与所述二极管D1的正端连接，所述二极管D4的正端与所述电容C6的一端连接，且所述二极管D4的正端还用于连接传感器，所述二极管D1的正端、所述二极管D2负端、所述电容C5的另一端和所述电容C6的另一端均接地。

6.根据权利要求5所述的一种基于空间电磁能的供能系统，其特征在于，所述二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4的型号均为HSMS285C。

7.根据权利要求1所述的一种基于空间电磁能的供能系统，其特征在于，所述储能单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C7、电容C8、三极管Q1和三极管Q2，所述电阻R1的一端、所述电阻R2的一端、所述电阻R3的一端和所述电阻R4的一端并联，并联后与所述整流倍压单元的输出端连接，所述电阻R1的另一端分别与所述电容C7的一端和所述三极管Q1的集电极连接，所述电阻R2的另一端分别与所述电容C7的另一端和所述三极管Q2的基极连接，所述电阻R3的另一端分别与所述电容C8的一端和所述三极管Q1的基极连接，所述电阻R4的另一端分别与所述电容C8的另一端和所述三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q1的射极和所述三极管Q2的射极均用于连接传感器。

8.一种自供能传感器，其特征在于，该传感器应用如权利要求1至7任一项所述的基于空间电磁能的供能系统供能。

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