專利名稱：以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001 ] 本實(shí)用新型涉及一種以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置。
背景技術(shù)：
[0002]物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概念已得到廣泛認(rèn)同，但物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的瓶頸在于傳感器工作電能的獲取方式，以及對電池的依賴，理論上電池在非連續(xù)工作狀態(tài)下可10年，但實(shí)際上受多種因素影響，如環(huán)境溫度、負(fù)荷大小，致使實(shí)際壽命大大縮短。隨著通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展普及，各行各業(yè)各種環(huán)境下應(yīng)用傳感器越來越多，這使得各種就地采能傳感器的技術(shù)方案成為焦點(diǎn)。[0003]在現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)大部分使用電池供電的方式。目前商用的電池壽命普遍2-5年，需要定期更換或維護(hù)，增加了傳感器節(jié)點(diǎn)的維護(hù)成本。目前，很多低功率無線傳感器和控制器的供能系統(tǒng)正逐步轉(zhuǎn)向采用可替代能源作為主要或輔助供能方式；最理想的節(jié)點(diǎn)供能方式是完全免除增設(shè)有線電源或電池的需要，利用物理電源產(chǎn)生電能轉(zhuǎn)換正在成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的適用電源，當(dāng)然也是無線傳感器供能方式的探求方向。[0004]獲取環(huán)境能源給節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能源甚至是永久供電，是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的一種重要的能量來源。目前商業(yè)上可行的解決方案主要有太陽能、風(fēng)能等，另外，振動(dòng)能、環(huán)境溫差、潮汐、雨滴動(dòng)能等新型環(huán)境能源也處于研究中，并且在某些特殊場合得以應(yīng)用，然而這些能源供給方式往往受到周圍環(huán)境的限制，因而不能保證連續(xù)供電。由于眾多無線傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)視器和其他低功率應(yīng)用設(shè)備正逐漸發(fā)展成為只使用收集能量的近“零”功率器件，因此結(jié)合現(xiàn)有使用環(huán)境(監(jiān)測發(fā)熱電氣連接點(diǎn)溫度)開發(fā)一種熱電能量收集系統(tǒng)為無線傳感器節(jié)點(diǎn)供電成為可能?，F(xiàn)有技術(shù)中的溫差供電傳感器主要指半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件，它是采用單電源供電方式為測溫傳感器供電，當(dāng)溫差無法滿足工作需要的情況則無法正常工作，另外測溫傳感器無法工作的情況下并不能判斷測溫傳感器的能量采集部分出現(xiàn)故障或是數(shù)據(jù)傳輸部分出現(xiàn)故障，無法實(shí)現(xiàn)測溫傳感器的連續(xù)供電，這是現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷。實(shí)用新型內(nèi)容[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，它在溫差滿足工作需要的情況下以半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件自采能供電為主，在溫差無法滿足工作需要的情況下切換為電池供電，實(shí)現(xiàn)測溫傳感器的連續(xù)供電。[0006]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型涉及的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，包括附著于被測設(shè)備上的殼體，該殼體內(nèi)設(shè)置有PCB組件且所述PCB組件上具有用于測量該被測設(shè)備溫度的測溫傳感器，所述PCB組件還包括[0007]為所述測溫傳感器提供第一電源的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件，該半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件具有一冷端和一熱端，該熱端直接與所述被測設(shè)備熱傳導(dǎo)以使熱端的溫度等于被測設(shè)備的溫度;[0008]為所述測溫傳感器提供第二電源的電池；以及[0009]一切換電路，用于切換第一電源和第二電源；當(dāng)所述冷端和熱端之間溫差低于某定值時(shí)切換為第二電源，當(dāng)所述冷端和熱端之間溫差在該定值以上時(shí)切換為第一電源。[0010]具體來說，所述測溫傳感器包括第一測溫元件和第二測溫元件，該第一測溫元件的感溫面與所述熱端的感溫面相接觸，該第二測溫元件的感溫面與所述冷端的感溫面相接觸。該第一測溫元件測得的溫度即為所需測量的被測設(shè)備的溫度，該溫度的數(shù)據(jù)可以通過無線的發(fā)送給采集監(jiān)測系統(tǒng)中。[0011]進(jìn)一步，所述PCB組件上還設(shè)置有散熱器，該散熱器與所述冷端接觸，冷端的熱量通過散熱器散發(fā)至外界，使其與熱端形成一定的溫差。[0012]進(jìn)一步，所述殼體附著于被測設(shè)備上的方式包括通過捆綁式安裝于被測設(shè)備上； 或者通過一高導(dǎo)熱材料的安裝支架固定于被測設(shè)備上，所述熱端與該安裝支架接觸。[0013]進(jìn)一步，所述PCB組件的接地極與安裝支架之間通過一對金屬螺栓螺母組件來連接，以安裝支架與被測設(shè)備作為地極，通過金屬螺栓螺母組件的高導(dǎo)電性，使PCB組件的接地極良好接地。[0014]進(jìn)一步，所述PCB組件還包括無線發(fā)射天線，可以用于對外發(fā)射測得的溫度數(shù)據(jù)， 在所述殼體上設(shè)置有與該無線發(fā)射天線形狀相適配的保護(hù)罩。[0015]進(jìn)一步，在所述殼體上設(shè)置有一用于將內(nèi)部的PCB組件整體灌封的灌封口，該灌封口上蓋設(shè)有防水帽。[0016]進(jìn)一步，所述PCB組件上還設(shè)置有工作電源開關(guān)，所述殼體上具有一向殼體內(nèi)部延伸的開關(guān)保護(hù)罩以防止該工作電源開關(guān)被灌封，這樣在無必要時(shí)可以關(guān)閉該裝置的工作電源開關(guān)，以免造成不必要的浪費(fèi)。[0017]進(jìn)一步，上述的切換電路主要包括以下元件[0018]一比較器，用于判斷所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的供電儲(chǔ)能電容的電壓值是否超過比較器的上限閥值；[0019]一帶使能的低壓差線性穩(wěn)壓器并連接有IO 口，用于關(guān)閉和導(dǎo)通半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的供電；[0020]一增強(qiáng)型場效應(yīng)管，用于關(guān)閉和導(dǎo)通電池的供電；以及[0021]兩個(gè)結(jié)型場效應(yīng)管，分別用于阻止電流倒灌向電池和低壓差線性穩(wěn)壓器。[0022]進(jìn)一步，所述PCB組件的電路還包括有能量收集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器和無線發(fā)送/接收器。[0023]本實(shí)用新型的有益效果是由于本實(shí)用新型是以半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件作為主要電源，以電池作為第二電源的傳感器裝置，其中半導(dǎo)體溫差采能是一種新型的自采能技術(shù)，它既具有無噪音、無污染、適應(yīng)范圍廣、安全可靠、長期免維護(hù)等優(yōu)勢，在有熱源的地方即可利用溫差工作以輸出電能供測溫傳感器工作，也能在無熱源地地方通過自動(dòng)切換激活自帶的電池工作。此外本實(shí)用新型的零部件少而且全部集中于殼體內(nèi)部，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小， 整個(gè)裝置可以通過安裝支架或者直接捆綁固定，安裝及攜帶非常方便。綜上所述本裝置在監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的使用前景。


[0024]圖I是本實(shí)用新型的傳感器裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；[0025]圖2是本實(shí)用新型的傳感器裝置的背部設(shè)有安裝支架的示意圖；[0026]圖3是本實(shí)用新型傳感器裝置的斷面圖；[0027]圖4是本實(shí)用新型中PCB組件電路系統(tǒng)的模塊框圖；[0028]圖5是本實(shí)用新型中涉及的切換電路以及半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件輸出后的升壓電路的不意圖。
具體實(shí)施方式
[0029]本實(shí)用新型涉及的傳感器裝置包括附著于被測設(shè)備上的殼體，該殼體內(nèi)設(shè)置有 PCB組件且所述PCB組件上具有用于測量該被測設(shè)備溫度的測溫傳感器，所述PCB組件的雙電源分別為所述測溫傳感器提供第一電源的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件和為所述測溫傳感器提供第二電源的電池以及用于切換第一電源和第二電源的切換電路。本傳感器裝置附著于被測設(shè)備上的方式可以根據(jù)具體使用環(huán)境有很多種，例如通過捆綁式安裝于被測設(shè)備上，或者通過一高導(dǎo)熱材料的安裝支架固定于被測設(shè)備上，下面就以支架安裝的方式對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)的描述[0030]如圖I和圖2所示，安裝支架4由高導(dǎo)熱金屬材料組成，本實(shí)用新型的傳感器裝置通過安裝支架4所設(shè)的安裝孔4b安裝于被測設(shè)備上，從而得出被測設(shè)備的溫度，也是作為傳感器裝置熱量的來源；安裝支架4另一端內(nèi)設(shè)有一凹槽4a，半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5的熱端5b的端面5bl置于凹槽4a內(nèi)，為半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5的熱端5b提供熱源；由于半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5本身具有一定的導(dǎo)熱系數(shù)，所以其冷端5a在某些簡單使用條件下可以不設(shè)置散熱器，本實(shí)施例則為設(shè)置散熱器的情況，如圖I中的散熱器I固定于PCB組件3上，它的平面端Ia與半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5的冷端5a的端面5al直接接觸，作用為給半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5的冷端5a提供散熱。半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5通過熱端5b與冷端5a的溫度差，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，為測溫傳感器以及其它下游電路提供電源。PCB組件3設(shè)有第二測溫元件6a，第二測溫元件6a的感溫面6al與半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5冷端5a的感溫面5a2 完全接觸，用于實(shí)時(shí)測出冷端5a的溫度。PCB組件3另設(shè)有第一測溫元件6b，第一測溫元件6b的感溫面6bl與半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5熱端5b的感溫面5b2完全接觸，用于實(shí)時(shí)測量出熱端5b的溫度，同時(shí)也是被測設(shè)備所需測量點(diǎn)的溫度。[0031]在PCB組件3中設(shè)有電池，作為本實(shí)用新型中輔助的第二電源，例如圖I中的鋰電池3a，當(dāng)上述半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5熱端5b與冷端5a溫差低于某定值或無溫差時(shí)，鋰電池 3a將被上述的切換電路自動(dòng)激活，給第一測溫元件6b及第二測溫元件6a提供電源，從而也可測出被測設(shè)備所需測量點(diǎn)的溫度即為第一測溫元件6b的溫度；當(dāng)半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5 的熱端5b與冷端5a溫度差達(dá)到或超過該定值時(shí)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5也會(huì)被自動(dòng)激活從而提供測溫電源。由此可以理解測溫傳感器是由半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5與鋰電池3a自動(dòng)轉(zhuǎn)換供電。[0032]本實(shí)用新型中的殼體是由主殼體2與后蓋8裝配組成，PCB組件3容納于其中。在散熱器I與PCB組件3之間設(shè)有一墊塊7，高度與半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5的冷端5a的高度相同，用于散熱器I安裝時(shí)與半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5的冷端5a端面5al平衡并接觸充分； 后蓋8上設(shè)有一組凸臺(tái)8a，高度與半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5的熱端5b所突出后蓋8的高度相同，作用是使安裝支架4與熱端5b的端面5bl保持平衡并接觸充分。后蓋8另設(shè)有一讓位孔8b，作用為給第一測溫元件6b讓位及固定。[0033]在PCB組件3中設(shè)有無線發(fā)射天線3b，主殼體2上設(shè)有一薄層的保護(hù)罩2b，用于保護(hù)無線發(fā)射天線3b而不影響其無線發(fā)射。PCB組件3中另設(shè)有貼片螺母3d，貼片螺母3d 焊接于PCB組件3的接地極，安裝支架4與被測設(shè)備接觸固定且作為地極，螺栓或螺釘10 通過鎖置安裝支架4與貼片螺母3d連接，上述的貼片螺母3d以及螺栓或螺釘10都是金屬導(dǎo)電的，這樣使得PCB組件3的接地極能有效的接地。[0034]如圖I和圖3，在主殼體2上還設(shè)有一灌封口 2a，用于將PCB組件3整體灌封，灌封完成后，用防水帽9蓋住灌封口 2a，作用為防水防塵及保持外觀整體性。在主殼體2上設(shè)有另一組開關(guān)保護(hù)罩2c且延伸至殼體內(nèi)部，PCB組件3內(nèi)設(shè)有總的工作電源開關(guān)3c，當(dāng)灌封時(shí)開關(guān)保護(hù)罩2c保護(hù)工作電源開關(guān)3c不會(huì)被灌封上，從而可有效控制本裝置的電源，使其在不工作時(shí)造成不必要的浪費(fèi)。[0035]如圖4所示，PCB組件的電路系統(tǒng)模塊框圖包括連接在某個(gè)發(fā)熱源上的熱電發(fā)生器(下文簡稱TEG)，即前面所述的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件5。當(dāng)熱電發(fā)生器的兩端有溫差的時(shí)候，它能夠?qū)⒑苄〉臏夭钷D(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的電能隨后均可由一個(gè)能量收集電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換并被變更為一種可用的形式，用于給下游電路供電。這些下游電子線路通常將包括測溫傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)超低功率的微控制器，上述組件可以獲取該收集的能量(如今以電流的形式存在)并喚醒測溫傳感器，以獲得一個(gè)讀數(shù)或測量結(jié)果，然后使該數(shù)據(jù)可通過一個(gè)超低功率的無線發(fā)送/接收器進(jìn)行傳輸，即通過圖I中所示的無線發(fā)射天線3b將測得的溫度數(shù)據(jù)發(fā)射傳輸給監(jiān)測系統(tǒng)。[0036]如圖5所示，TEG輸出后的升壓電路使用典型的反激式轉(zhuǎn)換器，為測量TEG的開路電壓使用Q2來斷開后端負(fù)載，通過IO 口來控制Q2。由于微處理器(單片機(jī))以及測溫傳感器的后續(xù)處理電路等都可以是現(xiàn)有技術(shù)，在此并未具體圖示作詳細(xì)說明；例如測溫傳感器的電路可以使用PT100(第一測溫元件)來測量熱端的溫度，后續(xù)的信號放大電路可使用零漂移的運(yùn)放0PA333，PT100的電橋供電由單片機(jī)的AD基準(zhǔn)電壓提供，保證了后續(xù)運(yùn)算的精度，另外0PA333的供電由單片機(jī)的IO 口控制，測量電路的供電均可關(guān)斷，保證了整個(gè)電路的低功耗。另外可使用貼片測溫IC (第二測溫元件)來測量冷面的溫度，IC由IO 口供電， 測量電路的供電均可關(guān)斷，保證了整個(gè)電路的低功耗。[0037]圖5中所示的虛線內(nèi)的為本實(shí)用新型的切換電路，它包括兩個(gè)結(jié)型場效應(yīng)管(簡稱JFET)，一個(gè)增強(qiáng)型場效應(yīng)管(簡稱PM0S)，一個(gè)帶使能的低壓差線性穩(wěn)壓器(簡稱LD0)， 一個(gè)帶中斷功能IO 口以及一個(gè)比較器。其工作過程如下[0038]當(dāng)TEG供電儲(chǔ)能電容電壓值超過比較器的上限閥值時(shí)(即冷端和熱端之間的溫差在預(yù)定值以上時(shí))，比較器輸出高電平，帶使能的LDO導(dǎo)通，輸出2. 4V電源供給后續(xù)電路使用，同時(shí)關(guān)斷Q3 (PMOS)斷開電池Al供電，此時(shí)連接LDO的IO 口置高通知單片機(jī)現(xiàn)在為 TEG供電。同時(shí)結(jié)型場效應(yīng)管Q5的使用阻止了 TEG供電時(shí)LDO的電流不會(huì)倒灌向電池Al， 保證了整個(gè)電路的低功耗，另外也不會(huì)降低電池Al的輸出電壓。當(dāng)TEG供電儲(chǔ)能電容電壓值低于比較器的下限閥值時(shí)(即冷端和熱端之間的溫差小于該預(yù)定值時(shí))，比較器輸出低電平，關(guān)斷LD0，后續(xù)電路供電停止，此時(shí)Q3 (PMOS)導(dǎo)通，電路切換到由電池Al供電，連接LDO 的IO 口置低通知單片機(jī)現(xiàn)在為電池供電，同樣結(jié)型場效應(yīng)管Q6的使用阻止了電池Al供電時(shí)電流灌向LD0，保證了整個(gè)電路的低功耗，另外也不會(huì)降低LDO的輸出電壓。
權(quán)利要求1.一種以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，包括附著于被測設(shè)備上的殼體，該殼體內(nèi)設(shè)置有PCB組件且所述PCB組件上具有用于測量該被測設(shè)備溫度的測溫傳感器，其特征在于，所述PCB組件還包括為所述測溫傳感器提供第一電源的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件，該半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件具有一冷端和一熱端，該熱端直接與所述被測設(shè)備熱傳導(dǎo)以使熱端的溫度等于被測設(shè)備的溫度；為所述測溫傳感器提供第二電源的電池；以及一切換電路，用于切換第一電源和第二電源；當(dāng)所述冷端和熱端之間溫差低于某定值時(shí)切換為第二電源，當(dāng)所述冷端和熱端之間溫差在該定值以上時(shí)切換為第一電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特征在于，所述測溫傳感器包括第一測溫元件和第二測溫元件，該第一測溫元件的感溫面與所述熱端的感溫面相接觸，該第二測溫元件的感溫面與所述冷端的感溫面相接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特征在于，所述 PCB組件上還設(shè)置有散熱器，該散熱器與所述冷端接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特征在于，所述殼體附著于被測設(shè)備上的方式包括通過捆綁式安裝于被測設(shè)備上；或者通過一高導(dǎo)熱材料的安裝支架固定于被測設(shè)備上，所述熱端與該安裝支架接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特征在于，所述 PCB組件的接地極與安裝支架之間通過一對金屬螺栓螺母組件來連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特征在于，所述PCB組件還包括無線發(fā)射天線，在所述殼體上設(shè)置有與該無線發(fā)射天線形狀相適配的保護(hù)罩。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特征在于，在所述殼體上設(shè)置有一用于將內(nèi)部的PCB組件整體灌封的灌封口，該灌封口上蓋設(shè)有防水帽。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特征在于，所述 PCB組件上還設(shè)置有工作電源開關(guān)，所述殼體上具有一向殼體內(nèi)部延伸的開關(guān)保護(hù)罩以防止該工作電源開關(guān)被灌封。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特征在于，所述切換電路包括一比較器，用于判斷所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的供電儲(chǔ)能電容的電壓值是否超過比較器的上限閥值；一帶使能的低壓差線性穩(wěn)壓器并連接有IO 口，用于關(guān)閉和導(dǎo)通半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件的供電；一增強(qiáng)型場效應(yīng)管，用于關(guān)閉和導(dǎo)通電池的供電；以及兩個(gè)結(jié)型場效應(yīng)管，分別用于阻止電流倒灌向電池和低壓差線性穩(wěn)壓器。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，其特征在于，所述PCB組件的電路還包括有能量收集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器和無線發(fā)送/接收器。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種以自采能供電為主的雙電源傳感器裝置，它包括附著于被測設(shè)備上的殼體，該殼體內(nèi)設(shè)置有PCB組件且所述PCB組件上具有用于測量該被測設(shè)備溫度的測溫傳感器，所述PCB組件還包括為所述測溫傳感器提供第一電源的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件；為所述測溫傳感器提供第二電源的電池；以及一切換電路，用于切換第一電源和第二電源。在溫差滿足工作需要的情況下切換為第一電源，以半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件自采能供電為主，在溫差無法滿足工作需要的情況下切換為第二電源的電池供電，這樣可實(shí)現(xiàn)測溫傳感器在不同條件下的連續(xù)供電。
文檔編號H02N11/00GK202814559SQ20122048131
公開日2013年3月20日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者楊志強(qiáng), 汪俊, 安羽, 田斌 申請人:珠海一多監(jiān)測科技有限公司