CN215984893U - 一种基于高压电场供电的无线测温传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于高压电场供电的无线测温传感器，包括取能模块、整流模块、供电模块、主控模块；取能模块从空间电场中获取电场能，整流模块将取能模块获取电流整流成为直流电流，供电模块用于将整流模块整流后的直流电进行稳压，并且为主控模块供电；主控模块设置的微处理器单元通过温度传感器检测接触部件的温度，将温度值储存到微处理器单元内，通过ZigBee通信模块将温度值发送到后台；本实用新型的技术方案，利用电源管理芯片以及开关的组合，由于电场感应的能量非常少，每次只能做测量或通讯，因此通过状态保持开关实现间歇工作；本传感器能够依赖于电场补充能量，稳定高效地检测设备温度，从而使得产品结构更加简单和可靠。

Description

一种基于高压电场供电的无线测温传感器

技术领域

本实用新型涉及电力系统在线监测设备技术领域，具体为一种基于高压电场供电的无线测温传感器。

背景技术

随着泛在电力物联电网的发展，输电线路作为电力系统重要组成部分，利用在线监测装置对其状态参数进行实时感知和监测是基础。

无线测温传感器通常由能量源、微处理器、感温元件、无线传输模组构成；能量源为整个传感器的其他元件(微处理器、感温元件、无线传输模组)提供工作能量，将传感器安装于目标监测设备上，微处理器以一定时间间隔采集测温元件的温度信息，通过无线传输模组把温度信息传送至在线监测集中接收装置，集中接收装置对温度状况进行分析、预警和报警等处理，达到在线监测的目的。

随着科学技术的发展，无源无线传感技术逐渐应用于电力设备在线监测。目前无源无线传感器的能量获取技术主要有：SAW声表面波、TEG温差发电、RFID标签、CT电磁感应、电场耦合感应。

根据目前行业发展现状，上述无线测温传感器均存在体积大、安装调试困难，不能大面积推广与应用。

发明内容

在现有的技术上，本实用新型的目的在于提供一种安装方便、结构合理的无线测温传感器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于高压电场供电的无线测温传感器，包括取能模块、整流模块、供电模块、主控模块；

所述取能模块包括电场感应柱与PCB感应基座，且电场感应柱以及PCB感应基座沿着静电场强度递减的方向布放；通过电场感应柱与PCB感应基座之间的等效电容产生空间位移电流，且通过整流模块位为供电模块供电；

所述整流模块用于将空间位移电流整流成为直流电流，所述整流模块与供电模块相连；

所述供电模块，与主控模块连接且用于直流电进行稳压；所述供电模块设置的储能电容进行充电，并且对储能电容内能量的存储与释放进行开关控制；

所述主控模块包括微处理器单元、ZigBee通信模块以及温度传感器；微处理器单元通过温度传感器检测接触部件的温度，将温度值储存到微处理器单元内，通过ZigBee通信模块将温度值发送到后台。

更进一步地，所述整流模块包括整流桥D1，所述整流桥D1的交流输入引脚分别与电场感应柱、PCB感应基座相连。

更进一步地，所述电场感应柱位于PCB感应基座远离检测设备的一侧，所述电场感应柱的材质为铝、铜或铁。

更进一步地，所述供电模块包括电源管理芯片U1、电感L1、储能电容C1以及电源开关Q1；所述电源管理芯片U1的引脚10、引脚11、引脚12以及引脚13和整流桥D1的输出正极引脚相连，所述电源管理芯片U1的引脚2、引脚6和整流桥D1的输出负极引脚接地；所述储能电容C1的正极引脚与整流桥D1的输出正极引脚相连，所述储能电容C1的负极引脚接地，且储能电容C1位于电源管理芯片U1与整流桥D1之间；所述电感L1的两端分别与电源管理芯片U1的引脚1、引脚3相连，所述电源管理芯片U1的引脚1、引脚3与电源开关Q1的S极引脚相连，所述电源管理芯片U1的引脚8与电源开关Q1的G极引脚相连,且用于控制电源开关Q1的通断。

更进一步地，所述电源管理芯片U1的型号为TPS63051RMWR；所述电感L1为铁芯电感；所述储能电容C1的型号为T495D227K010ATE125；所述电源开关Q1为P沟道MOS管，其型号为AO3401。

更进一步地，所述主控模块包括微处理器单元U2、ZigBee通信模块U3以及通电开关Q2；所述微处理器单元U2的引脚10与电源开关Q1的D极引脚相连，且与通电开关Q2的S极引脚相连；所述通电开关Q2的D极引脚与ZigBee通信模块U3的引脚1相连，所述微处理器单元U2的引脚3与通电开关Q2的D极引脚相连，且用于判断通电开关Q2的D极引脚处电压；所述通电开关Q2的G极引脚与微处理器单元U2的引脚6且用于控制电源开关Q1的通断；所述微处理器单元U2的引脚5、引脚11均与ZigBee通信模块U3的引脚3相连，且用于微处理器单元U2与ZigBee通信模块U3之间通信；所述微处理器单元U2的引脚13、引脚14分别与ZigBee通信模块U3的引脚5、引脚6相连；所述微处理器单元U2的引脚9与ZigBee通信模块U3的引脚8接地。

更进一步地，所述微处理器单元U2的型号为STM32L011；所述ZigBee通信模块U3的型号为CC2591，所述通电开关Q2为P沟道MOS管，其型号为AO3401。

更进一步地，所述温度传感器为热敏电阻R1,其型号为MF58；所述热敏电阻R1的一端与微处理器单元U2的引脚7相连，所述热敏电阻R1的另一端接地。

更进一步地，所述ZigBee通信模块U3的引脚11与外接天线相连。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的技术方案，利用取能模块从空间电场中获取电场能，为无线测温传感器供电；可以应用于高压输电场合，当被检测设备的附近高压带电时就能正常工作，不需要供电线路有负载，对处于工作状态的高压带电体的检测；因此，工作状态与环境无关。在白天和晚上基本上都是相同频率和效率工作。

本实用新型的技术方案，利用电源管理芯片以及开关的组合，由于电场感应的能量非常少，每次只能做测量或通讯，因此通过状态保持开关实现间歇工作；并通过参数调整，可实现>＝5秒的稳定频率触发；本传感器能够依赖于电场补充能量，稳定高效地检测设备温度，从而使得产品结构更加简单和可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型无线测温传感器的原理图。

图2为本实用新型无线测温传感器的控制流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-2之一，本实用新型提供一种技术方案：

一种基于高压电场供电的无线测温传感器，包括取能模块、整流模块、供电模块、主控模块；

其中，如图1所示，取能模块包括电场感应柱与PCB感应基座，并且沿着静电场强度递减的方向布放有电场感应柱以及PCB感应基座，由于两者之间存在电场强度差，通过电场感应柱与PCB感应基座之间等效电容产生空间位移电流，即取能电流，实现从空间电场中获取电场能；与此同时，取能模块将取能电流通过整流模块位为供电模块供电。

进一步地，电场感应柱位于PCB感应基座远离检测设备的一侧，电场感应柱的材质为铝、铜或铁。

整流模块用于将取能模块获取的空间位移电流整流成为直流电流，并为供电模块供电。

进一步地，整流模块包括整流桥D1，所述整流桥D1的交流输入引脚分别与电场感应柱、PCB感应基座相连。

其中，如图1所示，供电模块用于将整流桥D1整流后的直流电进行稳压，并且为主控模块供电；与此同时，将供电模块设置的储能电容C1进行充电，并且对储能电容C1内能量的存储与释放进行开关控制；当储能电容C1两端电压达到放电导通阈值时，释放能量；当储能电容C1两端电压降至放电截止阈值时，存储能量。

进一步地，供电模块包括电源管理芯片U1、电感L1、储能电容C1以及电源开关Q1；电源管理芯片U1的引脚10、引脚11、引脚12以及引脚13和整流桥D1的输出正极引脚相连，电源管理芯片U1的引脚2、引脚6和整流桥D1的输出负极引脚接地；储能电容C1的正极引脚与整流桥D1的输出正极引脚相连，储能电容C1的负极引脚接地，且储能电容C1位于电源管理芯片U1与整流桥D1之间；电感L1的两端分别与电源管理芯片U1的引脚1、引脚3相连，电源管理芯片U1的引脚1、引脚3与电源开关Q1的S极引脚相连，电源管理芯片U1的引脚8与电源开关Q1的G极引脚相连,且用于控制电源开关Q1的通断。

其中，由于高压设备周围存在较高的电场强度，当将电场感应柱以及PCB感应基座放置于高压设备的附近时，电场感应柱以及PCB感应基座之间会产生等效电容，与此同时等效电容会产生空间位移电流，通过整流桥被整流成直流电流，通过电源管理芯片U1为储能电容C1充电，形成一个完整电流回路。随着充电时间增加，储能电容C1两端电压逐渐增大，当储能电容C1两端电压达到放电导通阈值时，通过电源管理芯片U1控制电源开关Q1打开，并经电源管理芯片U1稳压输出给负载供能；当储能电容C1两端电压降至放电截止阈值时，通过电源管理芯片U1控制电源开关关闭，则电源管理芯片U1不输出电压，此时电场感应取能电源仅储能，可满足无线测温传感器的间歇式供电需求。

其中，电源管理芯片U1的引脚10、引脚13分别为ILIM0以及ILIM1与整流桥D1的输出正极引脚相连，且用于检测并且判断整流桥D1的输出正极引脚处的电压；从而控制电源管理芯片U1的引脚10输出可调波形，并且控制控制电源开关Q1的通断，进而使主控模块的供电可控。

其中，电源管理芯片U1的型号为TPS63051RMWR；电感L1为铁芯电感；储能电容C1的型号为T495D227K010ATE125；电源开关Q1为P沟道MOS管，其型号为AO3401。

其中，如图1所示，主控模块包括微处理器单元U2、ZigBee通信模块U3以及温度传感器；微处理器单元U2通过温度传感器检测接触部件的温度，将温度值储存到微处理器单元U2内，通过ZigBee通信模块U3将温度值发送到后台。

进一步地，如图1所示，主控模块包括微处理器单元U2、ZigBee通信模块U3以及通电开关Q2；微处理器单元U2的引脚10与电源开关Q1的D极引脚相连，且与通电开关Q2的S极引脚相连；通电开关Q2的D极引脚与ZigBee通信模块U3的引脚1相连，微处理器单元U2的引脚3与通电开关Q2的D极引脚相连，且用于判断通电开关Q2的D极引脚处电压；通电开关Q2的G极引脚与微处理器单元U2的引脚6且用于控制电源开关Q1的通断；微处理器单元U2的引脚5、引脚11均与ZigBee通信模块U3的引脚3相连，且用于微处理器单元U2与ZigBee通信模块U3之间通信；微处理器单元U2的引脚13、引脚14分别与ZigBee通信模块U3的引脚5、引脚6相连；微处理器单元U2的引脚9与ZigBee通信模块U3的引脚8接地。

进一步地，利用取能模块从空间电场中获取电场能，为无线测温传感器供电；可以应用于高压输电场合，当被检测设备的附近高压带电时就能正常工作，不需要供电线路有负载，对处于工作状态的高压带电体的检测；因此，工作状态与环境无关；在白天和晚上基本上都是相同频率和效率工作。

其中，所述微处理器单元U2的型号为STM32L011；所述ZigBee通信模块U3的型号为CC2591，所述通电开关Q2为P沟道MOS管，其型号为AO3401。

其中，微处理器单元U2为低功耗的单片机。

微处理器单元U2为整个主控模块的核心单元，进行系统全局调度以及信息交互，负责芯片控制时能、任务执行和数据处理等功能；其中，微处理器单元U2采用16位MIPS架构的处理器内核，低功耗设计，支持JTAG调试标准；并且，本实施例中操作系统采用实时操作系统(RTOS)，具有独立性、可靠性和强实时性特征，能够及时响应事件请求。

其中，ZigBee是建立在IEEE Std 802.15.4-2003之上的一种无线传输网络；IEEEStd802.15.4-2003定义了一种应用于数据通讯和无线局域网的具有低传输速率、低功耗、低成本但发送距离有限的射频通讯协议；ZigBee通信模块U3常常被用于组建短距离无线传输通信。

其中，所述ZigBee通信模块U3的引脚11与外接天线相连。

本实施例中，利用ZigBee通信模块U3将微处理器单元U2检测的温度值发送到与传感器通信连接的后台设备上。

其中，温度传感器为热敏电阻R1，其电阻值随着温度的变化而改变；温度传感器为热敏电阻R1,其型号为MF58；热敏电阻R1的一端与微处理器单元U2的引脚7相连，热敏电阻R1的另一端接地。

进一步地，热敏电阻R1为正温度系数的热敏电阻，按照电阻值随温度的升高而增大，微处理器单元U2测量热敏电阻R1的阻值从而换算出温度值。

其中，如图1所示，工作原理为：

在高压电场中，沿着静电场强度递减的方向布放有电场感应柱以及PCB感应基座；电场感应柱以及PCB感应基座之间会产生等效电容，并产生空间位移电流，即电场感应柱与高电压基板之间形成约2V的电压差并形成mA级电流。

空间位移电流通过整流模块整流成为直流电流，通过电源管理芯片U1对供电模块设置的储能电容C1进行充电，并且电源管理芯片U1对储能电容C1内能量的存储与释放进行开关控制；当储能电容C1两端电压达到放电导通阈值时，释放能量；当储能电容C1两端电压降至放电截止阈值时，存储能量；其中，电源管理芯片U1与电源开关Q1的控制端相连，从而控制供电模块的电能输出进行开关，进而控制微处理器单元U2的启动与关闭。

之后，当微处理器单元U2启动后，微处理器单元U2判断其内是否储存有温度的缓存值；

当微处理器单元U2内没有储存温度的缓存值时，微处理器单元U2获取热敏电阻R1采集被检测设备的温度值，并进行储存在微处理器单元U2中；与此同时，闭合控制ZigBee通信模块U3通电的通电开关Q2；由于电场感应的能量非常少，每次只能做测量或通讯；因此，就结束了微处理器单元U2本次的工作循环。

当微处理器单元U2内储存有温度的缓存值时，微处理器单元U2读取微处理单元内储存的温度缓存值；打开控制ZigBee通信模块U3通电的通电开关Q2，并通过zigbee通讯模块U3进行发送给后台设备；接着，微处理器单元U2闭合控制ZigBee通信模块U3通电的通电开关Q2；由于电场感应的能量非常少，每次只能做测量或通讯；因此，就结束了微处理器单元U2本次的工作循环。

进一步地，利用电源管理芯片U1以及开关的组合，由于电场感应的能量非常少，每次只能做测量或通讯，因此通过状态保持开关实现间歇工作；并通过参数调整，可实现>＝5秒的稳定频率触发；本传感器能够依赖于电场补充能量，稳定高效地检测设备温度，从而使得产品结构更加简单和可靠。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种基于高压电场供电的无线测温传感器，其特征在于：包括取能模块、整流模块、供电模块、主控模块；

所述取能模块包括电场感应柱与PCB感应基座，且电场感应柱以及PCB感应基座沿着静电场强度递减的方向布放；通过电场感应柱与PCB感应基座之间的等效电容产生空间位移电流，且通过整流模块位为供电模块供电；

所述整流模块用于将空间位移电流整流成为直流电流，所述整流模块与供电模块相连；

所述供电模块，与主控模块连接且用于直流电进行稳压；所述供电模块设置的储能电容进行充电，并且对储能电容内能量的存储与释放进行开关控制；

所述主控模块包括微处理器单元、ZigBee通信模块以及温度传感器；微处理器单元通过温度传感器检测接触部件的温度，将温度值储存到微处理器单元内，通过ZigBee通信模块将温度值发送到后台。

2.根据权利要求1所述的一种基于高压电场供电的无线测温传感器，其特征在于：所述整流模块包括整流桥D1，所述整流桥D1的交流输入引脚分别与电场感应柱、PCB感应基座相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于高压电场供电的无线测温传感器，其特征在于：所述电场感应柱位于PCB感应基座远离检测设备的一侧，所述电场感应柱的材质为铝、铜或铁。

4.根据权利要求1所述的一种基于高压电场供电的无线测温传感器，其特征在于：所述供电模块包括电源管理芯片U1、电感L1、储能电容C1以及电源开关Q1；所述电源管理芯片U1的引脚10、引脚11、引脚12以及引脚13和整流桥D1的输出正极引脚相连，所述电源管理芯片U1的引脚2、引脚6和整流桥D1的输出负极引脚接地；所述储能电容C1的正极引脚与整流桥D1的输出正极引脚相连，所述储能电容C1的负极引脚接地，且储能电容C1位于电源管理芯片U1与整流桥D1之间；所述电感L1的两端分别与电源管理芯片U1的引脚1、引脚3相连，所述电源管理芯片U1的引脚1、引脚3与电源开关Q1的S极引脚相连，所述电源管理芯片U1的引脚8与电源开关Q1的G极引脚相连,且用于控制电源开关Q1的通断。

5.根据权利要求4所述的一种基于高压电场供电的无线测温传感器，其特征在于：所述电源管理芯片U1的型号为TPS63051RMWR；所述电感L1为铁芯电感；所述储能电容C1的型号为T495D227K010ATE125；所述电源开关Q1为P沟道MOS管，其型号为AO3401。

6.根据权利要求1所述的一种基于高压电场供电的无线测温传感器，其特征在于：所述主控模块包括微处理器单元U2、ZigBee通信模块U3以及通电开关Q2；所述微处理器单元U2的引脚10与电源开关Q1的D极引脚相连，且与通电开关Q2的S极引脚相连；所述通电开关Q2的D极引脚与ZigBee通信模块U3的引脚1相连，所述微处理器单元U2的引脚3与通电开关Q2的D极引脚相连，且用于判断通电开关Q2的D极引脚处电压；所述通电开关Q2的G极引脚与微处理器单元U2的引脚6且用于控制电源开关Q1的通断；所述微处理器单元U2的引脚5、引脚11均与ZigBee通信模块U3的引脚3相连，且用于微处理器单元U2与ZigBee通信模块U3之间通信；所述微处理器单元U2的引脚13、引脚14分别与ZigBee通信模块U3的引脚5、引脚6相连；所述微处理器单元U2的引脚9与ZigBee通信模块U3的引脚8接地。

7.根据权利要求6所述的一种基于高压电场供电的无线测温传感器，其特征在于：所述微处理器单元U2的型号为STM32L011；所述ZigBee通信模块U3的型号为CC2591，所述通电开关Q2为P沟道MOS管，其型号为AO3401。

8.根据权利要求1所述的一种基于高压电场供电的无线测温传感器，其特征在于：所述温度传感器为热敏电阻R1,其型号为MF58；所述热敏电阻R1的一端与微处理器单元U2的引脚7相连，所述热敏电阻R1的另一端接地。

9.根据权利要求1所述的一种基于高压电场供电的无线测温传感器，其特征在于：所述ZigBee通信模块U3的引脚11与外接天线相连。

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