基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统及方法，包括依次连接的传感数据采集发送端、数据接收端以及上位机，传感数据采集发送端采用电场能量采集装置供电，电场能量采集装置设有电场能量收集器，电场能量收集器采集电场能量经电源管理电路为传感数据采集发送端供电，电场能量收集器包括封装外壳，封装外壳内平行间隔设置有上电极板和下电极板；在上电极板的底部固定设置有薄膜状的驻极体，上电极板和驻极体形成层合结构，层合结构的一端与封装外壳的内壁固连，层合结构的另一端悬空；上电极板和下电极板连接电源管理电路。本发明专利技术用于采集高压电线附近的环境数据发送给上位机显示。环境数据发送给上位机显示。环境数据发送给上位机显示。

【技术实现步骤摘要】
基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统及方法


[0001]本专利技术涉及电力设备
，特别是涉及一种基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统及方法。

技术介绍

[0002]传感器节点是物联网(IoT)最重要的元素之一，可感知环境并将其观察结果发送到远程接入点(AP)。物联网环境中传感器节点的缺点之一是它们的电池能量供应有限，使用电池是绝大多数无线传感节点的供电方式，无论怎么优化用电策略，电池仍然存在着维护性差、污染环境和续航问题。因此，此类供电方式受到了制约，亟需一种新的供电方式。随着材料工艺与特性的进步，能量采集技术正成为无线传感节点的新电源解决方案。能量采集技术可以实现去电池化，并且降低维护成本。基于此，能量收集(EH)是一种可行性很高的解决方案，可以通过利用可用资源来减少甚至完全消除传感器的电池寿命限制。
[0003]电场能量收集是一种很有前途的解决方案，可为各种能自我维持的低功耗无线传感节点提供能量，这意味着能为坚强智能电网打好基础。
[0004]高压电力线主要分布在偏远地区并远离人群聚居地，周围电场能量丰富并且非常可靠，自供电无线传感器网络采集环境能量有利于监测高压电力线的温度和绝缘子覆冰等参数。利用高压电力线周围的感应电磁场，可以为低功耗的无线传感节点提供足够的能量。根据法拉第感应定律，利用磁线圈来获取通过导线的电流所引起的磁场能量，但该能量对于高压线的弱电流来说是不稳定的。由于电力线周围的电场较稳定且丰富，但是直接在高压电力线上安装电场能量采集装置仍有一定的危险性，可以考虑在高压电力线附近实现电场能量的采集。
[0005]随着智能电网的发展，对线路网络有效监测就显得尤为重要。因此，通过对电力线的在线状态监测，可以及时检测到几个关键参数，以保证智能电网的可靠性和质量。但是，将工频电场能转化为可用的电能仍存在以下几个问题：
[0006]目前电力线附近电场主要存在的问题是电场能量密度较低，因此如何提高电场能量密度是目前亟需解决的难点问题。由于高压电力线附近的电场强度呈现随距离的增大而减弱的特征，尤其能量密度低的情况下就需要很大的采集器来增大采集效率，但此时过大的体积又限制了采集器的使用场景。
[0007]能量采集器的输出电能是交流信号，无法给后端负载直接供电，同时，电场采集器输出功率与后端节点消耗功率不匹配。超低功耗节点正常工作一次至少也需要消耗mW级别的功率，但是能量采集器的输出功率只有uW级别，仍然需要将交流信号经电路转化存储变为可以直接驱动后端节点的电能。
[0008]目前大多数电场能量采集器通过麦克斯韦电磁理论来收集平板电容器在变化的电场强度中产生的位移电流，尽管高压电力线周围的电场能量密度相比于低压输电线要高得多，但是传统的高压电力线电场能量收集器在为低功耗传感器供电时一般考虑增大分布电容这条有效途径。因此，采集器的过大体积会导致采集器安装不易以及维护不便。为打破
电场能量收集器这一局限性，提高采集器的采集效率，在体积做小的情况下输出更高的功率，考虑使用驻极体静电增强的电场能量采集器，这对电力线电场能量采集及其衍生应用来说意义非凡。
[0009]本专利技术通过静电增强效应这一原理，设计出一种全新的电容式电场能量采集器，该采集器由蕴含高空间电荷密度的驻极体与上电极结合构成的层合结构和下电极组成。本专利技术利用驻极体的高空间电荷密度在交变电场下受力来使其运动增强，从而改变电极间距发生静电增强效应，促使感应电荷发生流动最终导致发电现象的发生。

技术实现思路

[0010]有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统，用于采集高压电线附近的环境数据发送给上位机显示，该系统设置有电场能量收集器，利用驻极体的高空间电荷密度在交变电场下受力来使层合结构的运动增强，从而改变电极间距发生静电增强效应，使电场能量收集器输出电能，并经电源管理电路输出给传感数据采集发送端使用。
[0011]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统，包括传感数据采集发送端、数据接收端以及上位机，传感数据采集发送端设置有环境数据传感器，环境数据传感器用于采集高压电线附近的环境数据，传感数据采集发送端将环境数据无线发送给数据接收端，数据接收端将环境数据发送给上位机显示；其中传感数据采集发送端采用电场能量采集装置供电，所述电场能量采集装置设置有电场能量收集器，电场能量收集器用于采集高压电线的电场能量转换成电能输出给电源管理电路，电源管理电路为传感数据采集发送端供电，电场能量收集器包括封装外壳，封装外壳内平行间隔设置有上电极板和下电极板；在上电极板的底部固定设置有薄膜状的驻极体，上电极板和驻极体形成层合结构，层合结构的一端与封装外壳的内壁固连，层合结构的另一端悬空，采用单悬臂梁结构固定在封装外壳内；下电极板固定设置在封装外壳的内腔底部；上电极板和下电极板连接电源管理电路。
[0012]其中，传感数据采集发送端也称为无线传感节点。环境数据可以是温度数据、湿度数据、风速数据、图像数据等，根据采集环境数据的不同可采用相应的环境数据传感器。
[0013]传感数据采集发送端还设置有第一单片机，第一单片机与环境数据传感器连接获取环境数据，第一单片机还连接有第一RF射频模块，数据接收端设置有第二单片机，第二单片机连接有第二RF射频模块，第二RF射频模块与第一RF射频模块无线连接，第二单片机通过串口连接上位机。
[0014]第一单片机与环境数据传感器连接获取环境数据，将环境数据发送给第一RF射频模块，第一RF射频模块将环境数据发送给第二RF射频模块，第二单片机获取第二RF射频模块的环境数据经串口发送给上位机，上位机显示环境数据。
[0015]传感数据采集发送端为温度数据采集发送端，所述环境数据传感器为温度传感器，温度传感器采用Si7050温度传感器，温度数据采集发送端设置有主控芯片，主控芯片设置有所述的第一单片机和第一RF射频模块，所述主控芯片采用NRF24LE1芯片；第二单片机采用STM32芯片，第二RF射频模块采用NRF24L01射频收发器。
[0016]所述电源管理电路包括依次连接振荡电路、整流充电电路、开关电路、稳压输出电
路；上电极板和下电极板连接振荡电路，振荡电路用于调节电场能量收集器输出的电压电流的相位；整流充电电路获取振荡电路的交流电压转换成直流电压给储能电容充电，开关电路用于控制储能电容循环充放电的上限电压和下限电压；稳压输出电路输出稳压后的直流供电电压给传感数据采集发送端，稳压输出电路还输出电压反馈信号给开关电路以便于开关电路控制其放电的下限电压。
[0017]所述振荡电路设置有晶振X1，晶振X1的第一端经电容C6连接上电极板的引出线，晶振X1的第二端并接第四端后接地，晶振X1的第三端经电容C7连接电感L1的一端，电感L1的另一端和下电极板的引出线作为振荡电路的输出端组连接整流充电电路。
[0018]所述整流充电电路设置有全桥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统，其特征在于，包括传感数据采集发送端、数据接收端以及上位机，传感数据采集发送端设置有环境数据传感器，环境数据传感器用于采集高压电线附近的环境数据，传感数据采集发送端将环境数据无线发送给数据接收端，数据接收端将环境数据发送给上位机显示；其中传感数据采集发送端采用电场能量采集装置供电，所述电场能量采集装置设置有电场能量收集器，电场能量收集器用于采集高压电线的电场能量转换成电能输出给电源管理电路，电源管理电路为传感数据采集发送端供电，电场能量收集器包括封装外壳(1)，封装外壳(1)内平行间隔设置有上电极板(2)和下电极板(4)；在上电极板(2)的底部固定设置有驻极体(3)，上电极板(2)和驻极体(3)形成层合结构，层合结构的一端与封装外壳(1)的内壁固连，层合结构的另一端悬空，采用单悬臂梁结构固定在封装外壳(1)内；下电极板(4)固定设置在封装外壳(1)的内腔底部；上电极板(2)和下电极板(4)连接电源管理电路。2.根据权利要求1所述的基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统，其特征在于：传感数据采集发送端还设置有第一单片机，第一单片机与环境数据传感器连接获取环境数据，第一单片机还连接有第一RF射频模块，数据接收端设置有第二单片机，第二单片机连接有第二RF射频模块，第二RF射频模块与第一RF射频模块无线连接，第二单片机通过串口连接上位机。3.根据权利要求2所述的基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统，其特征在于：传感数据采集发送端为温度数据采集发送端，所述环境数据传感器为温度传感器，温度传感器采用Si7050温度传感器，温度数据采集发送端设置有主控芯片，主控芯片设置有所述的第一单片机和第一RF射频模块，所述主控芯片采用NRF24LE1芯片；第二单片机采用STM32芯片，第二RF射频模块采用NRF24L01射频收发器。4.根据权利要求1所述的基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统，其特征在于：所述电源管理电路包括依次连接振荡电路、整流充电电路、开关电路、稳压输出电路；上电极板(2)和下电极板(4)连接振荡电路，振荡电路用于调节电场能量收集器输出的电压电流的相位；整流充电电路获取振荡电路的交流电压转换成直流电压给储能电容充电，开关电路用于控制储能电容循环充放电的上限电压和下限电压；稳压输出电路输出稳压后的直流供电电压给传感数据采集发送端，稳压输出电路还输出电压反馈信号给开关电路以便于开关电路控制其放电的下限电压。5.根据权利要求4所述的基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统，其特征在于：所述振荡电路设置有晶振X1，晶振X1的第一端经电容C6连接上电极板(2)的引出线，晶振X1的第二端并接第四端后接地，晶振X1的第三端经电容C7连接电感L1的一端，电感L1的另一端和下电极板(4)的引出线作为振荡电路的输出端组连接整流充电电路。6.根据权利要求4所述的基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统，其特征在于：所述整流充电电路设置有全桥整流电路，全桥整流电路的两个输入端连接振荡电路的输出端组，全桥整流电路的正输出端连接储能电容的一端，全桥整流电路的负输出端连接储能电容的另一端。7.根据权利要求4所述的基于驻极体静电增强能量采集装置的无线传感系统，其特征在于：所述开关电路设置有电阻R1、电阻R2、电阻R3，电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张佳佳，戴菁，李燕燕，古静，罗维，
申请(专利权)人：重庆广仁能源装备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：