專利名稱：基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種應用于無線傳感器的自供能系統(tǒng)，尤其是一種基于空間電磁能的無 線傳感器自供能系統(tǒng)。
背景技術：
目前無線傳感器網(wǎng)絡是由大量分布式傳感器節(jié)點組成的面向目標信息的實時監(jiān)測網(wǎng)絡， 其最突出優(yōu)點是傳感節(jié)點占用空間小和無線數(shù)據(jù)傳輸方式，特別適用于環(huán)境條件復雜苛刻、 布線困難的工業(yè)環(huán)境，被認為是未來傳感器技術的發(fā)展方向。然而，無線傳感器技術并未像 人們當初預想的那樣快速市場化，其中非常關鍵的一個制約瓶頸便是能量供給問題。
為解決無線傳感器的供能問題，人們研究了許多方法①增加電池的儲能密度，但電池 儲能總有一定限度，因此供能壽命有限，需重復充電，體積與質(zhì)量較大，頻繁更換電池既不 經(jīng)濟也不現(xiàn)實；②降低傳感器功耗以延長使用壽命，但僅可推后電池更新時間，無法從根本 上解決傳感器的持續(xù)供能問題。為此，自供能技術應運而生。它是一種通過收集周圍環(huán)境中 其它形式的能量并將其轉(zhuǎn)換成電能，為傳感器或其它電子設備提供安全、穩(wěn)定、高效、理論 上無壽命限制的電能供給技術。自供能技術以其獨有的自持續(xù)性(self-sustaining)特點，大 大拓展了無線傳感器網(wǎng)絡的應用空間。
根據(jù)周圍空間可利用潛在能量源形式，如太陽能、振動能、化學能、風能、聲能、熱能、 電磁能等，自供能技術采取的電能轉(zhuǎn)換機理和方法也各異?；诠夥奶柲茈姵匕l(fā)展 較為成熟，具有清潔、環(huán)保、價廉、可再生的優(yōu)點，但其輸出功率受時間、天氣等因素影響 太大而不穩(wěn)定；再者，提高收集能量時需顯著增大電池板面積，這與傳感器節(jié)點微小化的要 求相矛盾?；谡駝拥碾娔苻D(zhuǎn)換原理分為電磁式、靜電式和壓電式，該類能量收集器具有體 積小、感測頻率高、工藝兼容性好、適于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，但目前還存在輸出功率偏小、集 成度不高、裝配精度較低等缺點，實用化的可能性較小。此外，基于熱能、風能與聲能等的 多種自供能技術，盡管原理新穎，但大多處于實驗室研究階段，離大規(guī)模應用還有較大距離。
無線傳感器采用何種自供能技術需要綜合考慮周圍環(huán)境因素影響，在眾多潛在能源中選 擇最優(yōu)集能方式。隨著變電站綜合自動化技術的發(fā)展，兼具技術與經(jīng)濟優(yōu)勢的無線傳感器網(wǎng) 絡在該領域的應用前景廣闊。變電站內(nèi)不僅工頻高壓母線與連接線纜密布，而且電暈放電與 操作沖擊等現(xiàn)象時時發(fā)生，自然形成了"工頻與高頻共生，近場與遠場耦合交融，傳導與輻射 并存"的空間強場環(huán)境。500kV變電站的實測數(shù)據(jù)表明，電場強度可達18kV/m,磁場強度可 達7.62/zT。因此，針對變電站的特殊電磁環(huán)境，收集豐富的電磁場能量為無線傳感器供電，具有其他自供能方法無法比擬的優(yōu)點。其既不像太陽能受黑夜及天氣影響巨大，也不像振動能那樣需要密切的物理接觸，在變電站特殊環(huán)境條件下可實現(xiàn)對無線傳感器提供穩(wěn)定、持續(xù)、經(jīng)濟的能源，對無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛應用和變電站自動化的發(fā)展具有重大意義。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構簡單，應用方便，節(jié)省能源，經(jīng)濟實用，可有效解決無線傳感器節(jié)點能量供給瓶頸問題的基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術方案
一種基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)，包括電場能量收集裝置、磁場能量收集裝置和電能調(diào)理單元，電場能量收集裝置和磁場能量收集裝置通過導線分別與電能調(diào)理單元連接。
所述電場能量收集裝置為球形收集電容，其包括上下兩個金屬半球殼，上下兩個金屬半球殼之間設有絕緣介質(zhì)層，上下兩個金屬半球殼內(nèi)通過一高頻開關連接。
所述磁場能量收集裝置為磁能收集感應環(huán)，其由若干個相同圓環(huán)按一定空間角度均勻交叉排列成球形，每個圓環(huán)皆由若干匝導線纏繞而成。
所述電能調(diào)理單元包括依次連接的整流電路、存儲電路和穩(wěn)壓輸出電路。整流電路為四個二極管組成的橋式整流電路，用一個超級電容器實現(xiàn)存儲電路的存儲功能，通過現(xiàn)有的可編程穩(wěn)壓電路可實現(xiàn)2 5伏的穩(wěn)定電壓輸出。
所述電能調(diào)理單元和電場能量收集裝置設置于磁場能量收集裝置內(nèi)。
本實用新型的有益效果為原理簡單，實現(xiàn)方便，充分利用了高壓變電站中電磁能量豐富的固有優(yōu)勢，可有效解決無線傳感器節(jié)點的能量供給瓶頸問題。自供能裝置結構簡單，體積適中，安裝方便，穩(wěn)定高效，經(jīng)濟實用，對推廣無線傳感器網(wǎng)絡技術和實現(xiàn)變電站綜合自動化具有重大意義。

圖1為本實用新型的整體流程示意圖；圖2為球形集能電容結構圖3(a)為磁能收集感應環(huán)的正視圖3(b)為磁能收集感應環(huán)的俯視其中，Ml、 M2分別為上、下兩個金屬半球殼，J為絕緣介質(zhì)層，S為高頻開關；U、 L2
和L3為不同圓環(huán)。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。圖l-圖3中， 一種基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)，包括電場能量收集裝置、磁場能量收集裝置和電能調(diào)理單元，電場能量收集裝置和磁場能量收集裝置通過導線分別與電能調(diào)理單元連接。
所述電場能量收集裝置為球形收集電容，其包括上下兩個金屬半球殼，上下兩個金屬半球殼之間設有絕緣介質(zhì)層，上下兩個金屬半球殼內(nèi)通過一高頻開關連接。
所述磁場能量收集裝置為磁能收集感應環(huán)，其由若干個相同圓環(huán)按一定空間角度均勻交叉排列成球形，每個圓環(huán)皆由若千匝導線纏繞而成。
所述電能調(diào)理單元包括依次連接的整流電路、存儲電路和穩(wěn)壓輸出電路。整流電路為四個二極管組成的橋式整流電路，用一個超級電容器實現(xiàn)存儲電路的存儲功能，通過現(xiàn)有的可編程穩(wěn)壓電路可實現(xiàn)2 5伏的穩(wěn)定電壓輸出。
所述電能調(diào)理單元和電場能量收集裝置設置于磁場能量收集裝置內(nèi)。
圖l為基于空間電磁能的自供能技術整體方案示意圖。步驟A為電場能收集，利用本實用新型提出的球形集能電容將電場能轉(zhuǎn)化電能；步驟B為整流，將從球形電容得到的波形較差的電流調(diào)理為理想波形；步驟C為存儲，將整流后的電流存儲到電容器中方便無線傳感器使用；步驟D為輸出，為無線傳感器提供穩(wěn)定的電壓輸出。步驟E為磁能收集部分，因磁能相對較弱，轉(zhuǎn)化的電能有限，僅作為輔助能量源接入存儲電路。
圖2為球形集能電容結構，包括上下兩個金屬半球殼M和M2,中間J為絕緣介質(zhì)層以及一高頻開關S。開關斷開時，根據(jù)電磁感應原理，由上下兩個金屬半球殼M,和M2組成的兩金屬電極板之間將出現(xiàn)電壓差，金屬電極板上出現(xiàn)感應電荷；開關閉合時將兩金屬電極板短路，將產(chǎn)生一個短路脈沖電流， 一旦感應電荷都隨著脈沖短路電流傳導出去，兩金屬電極板之間電壓差為零；結束兩金屬電極板短路，電壓差出現(xiàn)，兩金屬電極板上將會感應出新的電荷可供提取。以較高的頻率重復上述過程，就可得到由電場能量轉(zhuǎn)化而來的間歇電流，實現(xiàn)了電場能到電能的簡單轉(zhuǎn)化。這種拓撲結構有以下優(yōu)點①易于計算其表面感應電荷與電場的關系；②近似封閉的金屬面還為內(nèi)置調(diào)理電路提供了電磁屏蔽；③電場的畸變程度較小，可避免可能的尖端放電現(xiàn)象。
圖3(a)和圖3(b)分別為磁能收集感應環(huán)的正視圖和俯視圖。磁能收集感應環(huán)由數(shù)個相同圓環(huán)按一定空間角度均勻交叉排列成球形，每個圓環(huán)皆由若干匝導線纏繞而成。為說明方便，本圖僅采用3個圓環(huán)L" L2和Ls，相隔120度交叉排列，(a)為正視圖，(b)為俯視圖。實際應用中，圓環(huán)的個數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場需要制定。磁場能量的收集方法類似于天線接受電磁波，根據(jù)電磁感應定律，當磁能收集感應環(huán)中的線圈交鏈空間磁通變化時，線圈中將感生電動勢，同球形電容一樣，通過在線圈的兩出線端設置高頻開關，開關閉合時由于感應電動勢的存在而產(chǎn)生電流，實現(xiàn)磁能到電能的轉(zhuǎn)化。各圓環(huán)位置按一定空間角度交叉排列，利于收集來自各個方向的高頻磁場，從而盡可能多地收集磁場能量。
由圖1所示，球形收集電容和磁能收集感應環(huán)都可得到斷續(xù)間歇電流，該電流經(jīng)過后續(xù)的整理和存儲回路后，即可為無線傳感器供電。
權利要求1.一種基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)，其特征在于，包括電場能量收集裝置、磁場能量收集裝置和電能調(diào)理單元，電場能量收集裝置和磁場能量收集裝置通過導線分別與電能調(diào)理單元連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)，其特征在于，所述 電場能量收集裝置為球形收集電容，其包括上下兩個金屬半球殼，上下兩個金屬半球殼之間 設有絕緣介質(zhì)層，上下兩個金屬半球殼內(nèi)通過一高頻開關連接。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)，其特征在于，所述 磁場能量收集裝置為磁能收集感應環(huán)，其由若干個相同圓環(huán)按一定空間角度均勻交叉排列成 球形，每個圓環(huán)皆由若干匝導線纏繞而成。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)，其特征在于，所述 電能調(diào)理單元包括依次連接的整流電路、存儲電路和穩(wěn)壓輸出電路，整流電路為四個二極管 組成的橋式整流電路，存儲電路由一個超級電容器組成。
5. 根據(jù)權利要求1所述的基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)，其特征在于，所述 電能調(diào)理單元和電場能量收集裝置設置于磁場能量收集裝置內(nèi)。
專利摘要本實用新型涉及一種基于空間電磁能的無線傳感器自供能系統(tǒng)，包括電場能量收集裝置、磁場能量收集裝置和電能調(diào)理單元，電場能量收集裝置和磁場能量收集裝置通過導線分別與電能調(diào)理單元連接。本實用新型的有益效果為原理簡單，實現(xiàn)方便，充分利用了高壓變電站中電磁能量豐富的固有優(yōu)勢，可有效解決無線傳感器節(jié)點的能量供給瓶頸問題。本實用新型自供能裝置，結構簡單，體積適中，安裝方便，穩(wěn)定高效，經(jīng)濟實用，對推廣無線傳感器網(wǎng)絡技術和實現(xiàn)變電站綜合自動化具有重大意義。
文檔編號H02J15/00GK201417967SQ20092002757
公開日2010年3月3日 申請日期2009年6月16日 優(yōu)先權日2009年6月16日
發(fā)明者呂鑫昌, 黎 張, 李慶民, 黃金鑫 申請人:山東大學