CN213986625U - 一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置 - Google Patents

Abstract

一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置，包括压电振动能量收集装置、能量管理电路模块和传感器节点模块，压电振动能量收集装置包括基座、悬梁臂、质量块和导线，悬梁臂的一端固定安装在基座内，悬梁臂的另一端上表面固定安装质量块，悬梁臂上表面固定安装有压电层，压电层通过导线回路运动形成电流；能量管理电路模块的输入端通过导线与压电层电性连接，以对交流电压进行整流、滤波、稳压，能量管理电路模块的输出端通过电路与电能存储模块的输入端相连接，电能存储模块的输出端与传感器节点模块相连接。本实用新型克服了现有技术的不足，在环境振动能充足的工作场合中，具有检测可靠，设备寿命长，免维护的运行特点。

Description

一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置

技术领域

本实用新型涉及过流检测技术领域，具体涉及一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置。

背景技术

地铁电气火灾的原因主要包括：电气设备短路、负荷过载、接触不良、静电等，并且这些不良情况都可以通过线路中电流的异常进行预估判断。本发明的设计初衷主要是用于火灾预测，一旦地铁机车站点出现有火灾倾向， 监测传感节点会将预警信息及时通过无线通信反馈给车辆驾驶操控台，之后，操控台的工作人员根据该信息可进一步对疫况进行处理，进而起到预防的作用，地铁电气火灾监控节点的实用性非常强，它可以有效的监测到对应电气设备由于线路过流的诱因导致的火灾隐患。

至今，由该方向研究的进展来看，欲将能量采集技术运用于传感器节点供电，从而实现地铁机车电气线路的感知与报警，还必须先解决三个主要问题：（1）低功耗电子设备的能量源来自于环境中，而环境中的能源有时是不可预测的、不可控的以及间歇性的，所以这会影响设备工作时的电能供应。（2）有些环境中的能量不够丰富甚至微弱，无线传感节点的功耗太高了，收集的能量低于消耗的能量，节点无法稳定持续运作；（3）环境能量与电能之间转换的效率低下，收集得到的电能很少。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置，克服了现有技术的不足，在环境振动能充足的工作场合中，具有检测可靠，设备寿命长，免维护的运行特点。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置，包括压电振动能量收集装置、能量管理电路模块和传感器节点模块，所述压电振动能量收集装置包括基座、悬梁臂、质量块和导线，所述悬梁臂的一端固定安装在基座内，所述悬梁臂的另一端上表面固定安装质量块，所述悬梁臂上表面固定安装有压电层，所述压电层通过导线回路运动形成电流；所述能量管理电路模块的输入端通过导线与压电层电性连接，以对交流电压进行整流、滤波、稳压，所述能量管理电路模块的输出端通过电路与电能存储模块的输入端相连接，所述电能存储模块的输出端与传感器节点模块相连接。

优选地，所述悬梁臂为金属弹性臂，所述压电层上表面连接导线的一端，所述金属弹性臂下表面连接导线的另一端。

优选地，所述质量块为第一永磁体，所述悬梁臂前端位置设置有第二永磁体，所述第一永磁体与第二永磁体相对应，且所述第一永磁体与第二永磁体相邻面为相同的磁极。

优选地，所述传感器节点模块包括微处理器，无线通信模块和电流传感器，所述微处理器用于对整个节点的工作状态控制、信息通讯控制和数据处理；所述无线通信模块的信号输入端与微处理器相连接，所述无线通信模块的信号输出端通过UART与外部设备通信；所述电流传感器的信号输入端与微处理器相连接。

本实用新型提供了一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置。具备以下有益效果：供电方式上，将传统电池供电改用为自主设计的自供电电源。电源由压电振动能量收集装置与配套的能量管理电路模块实现。从而大大提高了设备的使用寿命，减小了器件部署、维护的成本，提升了传感产品的环保度和智能度。在压电振动能量收集装置上，将传统线性结构进行改进，利用了非线性悬梁臂结构拓宽了结构的共振频带，在机车实际运行过程中，车内振动波动变化条件下也能够有效收集电能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1 本实用新型的系统结构图；

图2 本实用新型中压电振动能量收集装置的结构示意图；

图3 本实用新型中压电振动能量收集装置的平面图；

图4 本实用新型中能量管理电路模块的电路结构原理图；

图5 本实用新型中能量管理电路模块的电路仿真图；

图6 本实用新型实施例二中压电振动能量收集装置的结构示意图；

图中标号说明：

1、压电振动能量收集装置；2、能量管理电路模块；3、传感器节点模块；4、基座；5、悬梁臂；6、质量块；7、导线；8、压电层；9、电能存储模块；10、第二永磁体；31、微处理器；32、无线通信模块；33、电流传感器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一，如图1-5所示，一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置，包括压电振动能量收集装置1、能量管理电路模块2和传感器节点模块3，压电振动能量收集装置1包括基座4、悬梁臂5、质量块6和导线7，悬梁臂5的一端固定安装在基座4内，悬梁臂5的另一端上表面固定安装质量块6，悬梁臂5上表面固定安装有压电层8，压电层8通过导线7回路运动形成电流；能量管理电路模块2的输入端通过导线7与压电层8电性连接，以对交流电压进行整流、滤波、稳压，能量管理电路模块2的输出端通过电路与电能存储模块9的输入端相连接，电能存储模块9的输出端与传感器节点模块3相连接。

工作原理：本申请处在振动能源丰富的环境中时，通过压电振动能量收集装置1传递振动能量，通过基座4将振动源信号传导至悬梁臂5，激起其共振，在往复的材料应变过程中，压电层8根据压电特性会在表层极化出电荷，电荷通过连接到负载的导线7回路运动形成电流，对负载而言，悬臂梁装置相当于一个等效电源；产生的电能输出至能量管理电路模块2，通过能量管理电路模块2对交流电压进行整流、滤波、稳压，通过内部电路向外接电能存储模块9充电，当输入点逻辑电压由于充电抬高到一定逻辑电平时触发内部buck电路，工作对输出电容充电，从而输出稳定1.2-3.6V电源电压。该电压即作为传感器节点模块3的输出电压，为传感器节点模块3提供电源电压，以保证负载正常工作。一般整个负载有一个工作周期，通常为几秒的时长，其中负载有效工作时间只有100~300ms，其余时间均是自供电电源收集并存储电能的时间。

如图4所示，为能量管理电路模块2的电路结构原理图，该电路芯片能够集成了一个低损失全波桥式整流器，一个宽迟滞窗口的超低静态电流欠压闭锁（UVLO）模式，高效率BUCK电路，具有睡眠模式的输入输出静态电流小，带输入电压保护等特点。并将来自压电振动能量采集器的输出交流电能，通过片内的整流、降压、逻辑控制、电能缓冲等功能调整输入电压，以输出1.2V-3.6V的常规电子器件电源电压，为无线传感节点设备供电

如图5所示，为能量管理电路模块2的电路仿真图，将压电振动能量收集装置1看成一个连续的供电的电源，向电路芯片输送振动频率与振源相似，幅值由振动源和悬臂梁5结构机-点特性决定的类正弦波。压电振动能量收集装置1的输出电信号可直接从芯片专设的压电转换输入片脚输入，通过逻辑控制对外部电容充电，直到满足输出电压范围时才输出放行，对外供应3.3V的直流电压，当负载工作结束或电量消耗至低逻辑电平时，芯片逻辑单元自动切换为充电模式，为下一次供电做准备。

实施例二，如图6所示，作为实施例一的进一步方案，悬梁臂5为金属弹性臂，压电层8上表面连接导线7的一端，金属弹性臂下表面连接导线7的另一端，质量块6为第一永磁体6，悬梁臂5前端位置设置有第二永磁体10，第一永磁体6与第二永磁体10相对应，且第一永磁体6与第二永磁体10相邻面为相同的磁极。由于线性压电振子只有与环境振动源发生共振时才能输出最大电能，否则，一旦偏离共振，则输出电能会急剧减小，而实际的机车运行工程中，振动频率一般在0-200Hz的宽频带范围内，并随时间变化。在这种情况下，线性压电振子由于共振频率窄，很难达到共振状态，导致输出电能大幅度减小；因此，通过将质量块6设置为第一永磁体6，在悬梁臂5前端一定位置处放置一个同磁性的第二永磁体10，第一永磁体6的排斥受力是第二永磁体10作用于第一永磁体6水平和垂直方向磁力的合力，该排斥力F与材料恢复应力达到平衡，在该处为一个特殊的振动平衡点，依据振动的位置的对称性，下方也有一个类似的平衡点，再加上水平位置的正对平衡点，系统呈现出双稳态特性，这一特性可以拓宽系统共振频带，极大地提高压电振动能量俘获器的俘能效率。

实施例三，作为实施例一的进一步方案，传感器节点模块3包括微处理器31，无线通信模块32和电流传感器33，微处理器31用于对整个节点的工作状态控制、信息通讯控制和数据处理；无线通信模块32的信号输入端与微处理器31相连接，无线通信模块32的信号输出端通过UART与外部设备通信；电流传感器33的信号输入端与微处理器31相连接。使一个周期中，在有效工作时段内负载先通过电流传感器33采集被测电流大小，将被测电流值转化为相应的输出电压，该电压信号通过模数转换模块被微控制器31读取，微控制器31会通过一定的算法将该数据进行打包，命令无线通信模块32将数据发送至整个机车的操作台或站点骨干网络中的其他通信节点或基站，基站将数据上传入云端网络，车辆调度中心可以在终端的数据平台上对数据进行观察和处理，以达到监测某列机车中传感节点部署区域中设备工作电流目的。

在本实施例中，微处理器31决定使用美国TI（德州仪器）公司的超低功耗16位MSP430F5529单片机。低电压工作1.8~3.6V，RAM数据不丢失情况下耗电0.1μA，活动模式功耗290μA/MIPS，I/O口输入最大漏电流仅50nA；具有多频率灵活时钟系统在激活和休眠期间提供不同能耗设备的时钟频率；采用向量中断，需要运行时唤醒CPU只需3.5μs；具有16位RISC处理器的超低功耗混合信号处理器的内核，指令速度高达25MIPS，完全满足无线传感节点的数据处理和控制要求；还具有丰富的片内外设，如：Flash、RAM控制器、12位A/D转换器、比较器、全速USB、USCI串行通信接口、32位硬件乘法器等；通过选用市场上同等级单片机中业界最低功耗的产品，这极大地为实现振动取能供电提供了可能，尽最大限度降低了微控制器部分的能耗。

无线通信模块32采用Wi-SUN无线通信模块，属于LPWAN技术产品，该协议专门为物联网通信而设计，虽然相比于其他物联网通信协议（如：Wi-Fi、4G/5G、LoRa、sigfox、NB-IoT等）数据传输速率和传播距离都稍次于这些技术，但Wi-SUN产品已经完全满足无线传感网的应用需求，最重要的是，该通信协议为同类的LPWAN技术中通信功耗最低的。

电流传感器33采用美国Allegro公司的ACS712集成芯片为设计核心的线性霍尔电流传感器模块，该类模块相比于与市面上其他电流检测器件，主体以电路板为主，该产品采用小型的SOIC8封装，集成度高，体积小，重量轻，便于嵌入其他装置中安装，且低噪声，响应时间快（对应步进输入电流，输出上升时间为5μs），绝缘电压高，5千赫带宽，总输出误差最大为4%，高输出灵敏度（66mV/A~185 mV/A），能够输出被测交流或直流电流成比例的电压。本发明采用便于集成的电子式电流传感器，相比于电磁式电流传感器尺寸大大减小，减小了装置封装空间，减小部署于户外时器件遭到环境中不可测因素损坏和信号干扰的影响。

本申请以地铁电气线路过流故障为监测目标，以无线传感节点的电源模块为改良目标，利用振动取能自供电热点技术，设计制作一个能够替代电池的自供电电源模块，用于地铁机车设备线路电流无线传感器节点的供电。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；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：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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置，其特征在于：包括压电振动能量收集装置（1）、能量管理电路模块（2）和传感器节点模块（3），所述压电振动能量收集装置（1）包括基座（4）、悬梁臂（5）、质量块（6）和导线（7），所述悬梁臂（5）的一端固定安装在基座（4）内，所述悬梁臂（5）的另一端上表面固定安装质量块（6），所述悬梁臂（5）上表面固定安装有压电层（8），所述压电层（8）通过导线（7）回路运动形成电流；

所述能量管理电路模块（2）的输入端通过导线（7）与压电层（8）电性连接，以对交流电压进行整流、滤波、稳压，所述能量管理电路模块（2）的输出端通过电路与电能存储模块（9）的输入端相连接，所述电能存储模块（9）的输出端与传感器节点模块（3）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置，其特征在于：所述悬梁臂（5）为金属弹性臂，所述压电层（8）上表面连接导线（7）的一端，所述金属弹性臂下表面连接导线（7）的另一端。

3.根据权利要求1所述的一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置，其特征在于：所述质量块（6）为第一永磁体，所述悬梁臂（5）前端位置设置有第二永磁体（10），所述第一永磁体与第二永磁体（10）相对应，且所述第一永磁体与第二永磁体（10）相邻面为相同的磁极。

4.根据权利要求1所述的一种用于地铁火灾预防的自供电过流检测装置，其特征在于：所述传感器节点模块（3）包括微处理器（31），无线通信模块（32）和电流传感器（33），所述微处理器（31）用于对整个节点的工作状态控制、信息通讯控制和数据处理；所述无线通信模块（32）的信号输入端与微处理器（31）相连接，所述无线通信模块（32）的信号输出端通过UART与外部设备通信；所述电流传感器（33）的信号输入端与微处理器（31）相连接。

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