一种无线张力传感器的气流动力供电装置制造方法

文档序号:7392832阅读:290来源:国知局
一种无线张力传感器的气流动力供电装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线张力传感器的气流动力供电装置,包含导流孔、风道、出风孔和微型气流发电机。其中,导流孔设置在张力传感器绳索入孔的一侧,出风孔设置在张力传感器绳索出口的一侧,且导流孔通过风道联通到出风孔。所述微型气流发电机包含风轮、传动轴和发电机,用于提供电能给张力传感器。风轮设置在风道内,其转动轴通过传动轴与发电机的转子相连。本发明充分利用翼伞下降过程中的气流,使其吹动风轮,再将机械能转换为电能给无线张力传感器供电,绿色环保。
【专利说明】一种无线张力传感器的气流动力供电装置

【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器供电【技术领域】,尤其涉及一种无线张力传感器的气流动力供电装置。

【背景技术】
[0002]随着无线网络传感器技术的发展,其在工业、商业、医学、消费和军事等领域的应用逐步深入,而电源问题一直成为无线网络传感器延长应用寿命和降低成本的关键。在环境恶劣或其他人类无法到达的场合或网络节点移动变化时,电池的更换变得非常困难甚至不可能,因而有效的为无线网络传感器提供能量是设计者所首先面对的。
[0003]能量收集是一种收集环境中的能量并进行应用的技术。从环境收集的能量转换后进行储存,随后分配到网络传感器的模数转换器、微控制器、射频收发器各部件,保证传感器的电源需求,实现长期有效的供电。能量采收为网络传感器部件供给电能。无线传感器网络周围环境中存在各种能源,不同的能源对应于不同的能量采集方法,如何根据无线传感器网络所处的环境选择出性价比最高的能量采集方案,是延长无线传感器网络生命周期和降低其系统成本的关键。目前,在无线传感网中应用比较多的有以下四种方案:
1、振动能量采集
振动是一种广泛存在的现象,特别是在汽车、飞机、桥梁或大型机械等多种场合中,而这些场合往往是无线传感器网络系统应用的重点领域,因此振动能具有广泛的来源。振动能量采集就是采集机械、车辆、楼宇以及如桥梁等其它建筑架构产生的一般机械振动能,并将其转换为电能,无需布线和电池,就可驱动传感器的一种能量采集技术。振动能采集方式有压电式、电磁式和静电式,其中压电式发电机因具有结构简单、能量密度大、易于微型化等优点,成为目前微型能量采集材料研宄的热点之一。
[0004]2、太阳能采集
太阳能是一种“取之不尽,用之不竭”既节能又环保的新能源,有着及其广泛的来源。太阳能采集就是将太阳能或光能转化为电能,将转化后的电能供无线传感器网络工作使用的一种能量采集技术。在光照充足的偏远地区和危险环境区,开发人员可以构建基于太阳能的自供电无线传感器网络,从而无需定期花费时间与金钱进行系统维护和电池更换。
[0005]虽然太阳能来源广泛,但是太阳能具有分散性和不稳定性。虽然到达地面的太阳能总量很大,但是能流密度很低,甚至有些地方光照时间很短,因此,太阳能采集器必须具有足够的存储能力、强光敏度和高效的转化率,以便在微光照条件下,为无线传感器网络提供充足的电能。但是存储能力、光敏度和转化率的提高却大大增加了系统成本。
[0006]3、热能采集
热能来源广泛,包括物体发出的热量、机械工作散发的热量、阳光、雨水和空气中热量。热能采集是将环境的温差转化为电势,从而将热源中的废热转化为电能,直接为无线传感器网络节点提供电能。热能采集可用于各种无人监视的低功耗的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研宄仪器。根据热源的稳定性情况,热能采集在作为电源的实际应用中,可以选择以下两种方式中的一种:若热源足够大且稳定,则直接使用;否则作为电池或其他能量存储器件充电的方式使用。
[0007]4、射频能量采集
射频能在我们的生活空间是无处不在,电视信号、无线电广播网和手机天线塔等发出的高频电磁波都载有射频能量。射频能量采集是通过天线接收周围环境中的射频能,并将其转换为电信号,经调制变为直流电,供无线传感器网络节点工作使用的一种能量采集技术。
[0008]射频能与振动能、太阳能和热能不同,它不受振动强弱、光照和温度的影响。但由于射频能的空间密度非常低,随离能量源距离的增加射频能不断减少,因此带有能量采集功能的无线传感器网络必须布置在靠近基站的位置,一般为3~100米。实现远距离射频能采集,势必要以系统的高额成本来换取高能量采集效率和转化率。
[0009]在实际应用中,无线传感器网络布置被在不同环境中,人们可以根据目标环境来选择特殊的能源供给方式。由上述能量采集方案的性能分析,可得出能量采集方案的具体原则为:
1、能量来源是否广泛;
2、是否容易实现;
3、成本是否是最低。
[0010]目前,在无线传感网领域,如何有效方便地获取能量是一个非常有价值的问题。在上述四种方案中,都有一定的条件与要求。在翼伞张力测量这类检测中,几种方案实施起来都有一定缺陷,需要一种更加行之有效的能量获取方法。
[0011][I]胡冠山,姚彦青.无线网络传感器能量收集管理技术[J].传感器世界.2006
[2]孙浩明.无人值守无线传感器网络电源系统管理[J].通往电源技术.2009.3。


【发明内容】

[0012]本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所涉及的缺陷,提供一种无线张力传感器的气流动力供电装置。
[0013]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种无线张力传感器的气流动力供电装置,包含导流孔、风道、出风孔和微型气流发电机;
所述导流孔设置在张力传感器绳索入孔的一侧;
所述出风孔设置在张力传感器绳索出口的一侧;
所述导流孔通过风道联通到出风孔;
所述微型气流发电机包含风轮、传动轴和发电机,用于提供电能给张力传感器;
所述风轮设置在风道内,其转动轴通过传动轴与发电机的转子相连。
[0014]作为本发明一种无线张力传感器的气流动力供电装置进一步的优化方案,所述导流孔有三个,均匀分布在张力传感器绳索入孔的周围。
[0015]作为本发明一种无线张力传感器的气流动力供电装置进一步的优化方案,张力传感器内还设有隔板,将导流孔、风道、出风孔、微型气流发电机和张力传感器的传感受力部分隔开。
[0016]作为本发明一种无线张力传感器的气流动力供电装置进一步的优化方案,所述风轮采用四叶片风轮。
[0017]作为本发明一种无线张力传感器的气流动力供电装置进一步的优化方案,所述发电机采用直流发电机。
[0018]本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
充分利用翼伞下降过程中的气流,使其吹动风轮,再将机械能转换为电能给无线张力传感器供电,绿色环保。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1是传感器前视图;
图2是传感器导流孔一侧图;
图3是传感器受力结构与该侧的导流孔与引气道;
图4是风道及发电结构;
图5是传感器风轮及发电机正视图;
图6是传感器风轮及发电机侧视图;
图7是直流发电机原理图;
图8是直流电机单线圈输出叠加电压波形;
图9是直流电机8线圈输出叠加电压波形。
[0020]图中,1-导流孔,2-出风孔,3-弓丨气道,4-隔板,5-磁极,6_风道,7_风轮,8_传动轴,9-发电机,10-圆形铁心,11-线圈,12-换向片。

【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
无论是降落伞,牵引伞还是翼伞,这类设备在工作时,都处在运动状态,因此会造成流动的气流,如果将这种气流加以运用,就可能产生足够的能量供给传感器工作。
[0022]本发明公开了一种无线张力传感器的气流动力供电装置,用在翼伞张力测量传感器上,在翼伞张力测量传感器内设有气流发电装置。
[0023]由于翼伞张力测量传感器安装在翼伞绳索上,在翼伞下降过程中,其滑翔方向速度最大,而滑翔速度由水平速度和下降速度合成,因此该气流发电装置能够很好将气流加以利用。该气流发电装置在传感器内用隔板与受力结构分开,包含导流孔、风道、出风孔和微型气流发电机。
[0024]隔板在传感器受力结构与气流发电装置中间,其作用是将气流发电装置与传感受力部分隔开,使气流发电装置不影响传感器工作,同时限定了气流流通的范围,有利于提升能量密度。
[0025]为了能够将各方向的气流导入,设计了三个导流孔,三个导流孔均匀分布在张力测量传感器绳索入孔的周围,这样的设置能让气流从各个方向进入,最大的利用其风能。其中,在受力结构一边的导流孔通过一个引气道穿过将气流引入风道,另两个导流孔在气流发电装置一侧,直接和风道相连。
[0026]风道是一个由宽到窄的通道,其风道曲线是一条平滑的曲线。导流孔设在风道宽的一侧,出风孔在风道窄的一侧,风轮位于风道内。风道主要是为了给气流限定一个轨道。由于风能的能量密度低,这种由宽变窄的结构能提高风能的能量密度,提高能量的利用率,另一方面可减小整个设备的体积。风道中间有一个大的圆弧凹槽,是给风轮旋转所留的空间。
[0027]微型气流发电机一般包括:
风轮:位于风道中间。采用四叶片风轮。进入风道的气流以一定速度和攻角作用与叶片上,使叶片产生转矩,将风能转换成旋转的机械能。
[0028]主轴:主轴连接风轮和直流发电机。叶片的转矩驱动风轮主轴旋转,风轮主轴直接带动发电机旋转。
[0029]直流发电机:直流发电机位于风道外的底部。直流发电机是将旋转的机械能转换成电能。并且直流发电机可以直接输出直流电,不需整流就能给蓄电池充电。直流发电机的磁体居中位于风道外底部,由于风道的宽度有限,将磁体置于风道外底部,可以避免发电机以及磁体堵塞风道。
[0030]该气流风动供电系统的工作原理如下:翼伞滑翔的过程中,气流从导流孔进入风道。气流进入风道后汇聚集中,作用在风轮叶片上,带动微型气流发电机的风轮旋转。风轮通过主轴带动直流发电机转子旋转。转子旋转过程中不断切割磁力线,对外输出电能给电池充电,同时给无线传感器提供能量,使传感器可以完成动态数据采集,无线数据通讯等工作。而通过风轮的气流从风道另一端的出风孔排出。
[0031]如图1,图2所示,本发明采用三个导流孔,其中两个导流孔在风道一侧,另一个导流孔在传感器受力结构一侧。三个导流孔均匀分布在传感器绳索入孔周围,能够利用各个方向的气流。由于气流的能量密度低,设置三个导流孔能使更多的风进入该结构并利用。一个出风孔,位于沿主轴风道的窄口处。
[0032]本发明由于是用在翼伞张力传感器上,为了使该气流供电系统不影响传感器的正常工作,该结构两侧分别有挡板将传感器受力结构与风力发电结构分开,如图3。
[0033]如图4所示,由于发电机以及磁体所占的空间大,所以本发明将磁体以及发电机置于风道底部。这样的设计有利于气流在风道中的流通,避免了因发电机及磁体堵塞风道导致不能充分利用风能。
[0034]风轮采用的是一种类似于涡轮工作的方式。风道中间部分有一个圆弧凹槽,是为了给风轮旋转提供空间。进入风道的气流延轨道作用在风道间的叶片上,而几乎很少的风会作用在圆弧凹槽的叶片上,使得风轮顺时针旋转。风道从导流孔到出风孔由宽变窄,使风能汇聚,其能量密度提高,一方面提高了风能的利用效率,另一方面可缩小风轮的体积,有利于减小整个系统的体积。在导流孔之间,有隔板将其隔开。
[0035]采用不同的叶片数,对风电机组的气动性能和结构设计都将产生不同的影响。为了保证气流均匀的作用风道的叶片上,该结构采用四叶风轮,如图5,图6,进入风道的风以一定的角度作用在风轮上,使得风轮旋转。风轮驱动主轴旋转,带动发电机转子旋转。微型气流发电机是将风能转换成旋转的机械能,再通过转子不断切割磁感应线,将机械能转换为电能。
[0036]为了减少电动势脉动现象,可在每个磁极范围内绕多个线圈,线圈越多,电动势的脉动越小。
[0037]如图7所示,直流发电机有8个线圈绕在一个圆筒形的铁心上,换向器由8个相互绝缘的换向片组成。每个线圈分别接到相邻的换向片上。对于单个线圈旋转一周,其线圈两端的电动势脉动地变化两次,如图8。每个线圈形成的电压相差45度。此时电刷A、B之间的电动势始终处于N极或S极范围内所有线圈的电动势之和,如图9。该直流发电机直接输出的直流电,不需要整流装置就可直接利用。实验分析表明,每个磁极范围的导体数目大于8时,电动势脉动程度将小于1%,可近似为直流电动势。
[0038]本【技术领域】技术人员可以理解的是,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0039]以上所述的【具体实施方式】,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种无线张力传感器的气流动力供电装置,其特征在于,包含导流孔、风道、出风孔和微型气流发电机; 所述导流孔设置在张力传感器绳索入孔的一侧; 所述出风孔设置在张力传感器绳索出口的一侧; 所述导流孔通过风道联通到出风孔; 所述微型气流发电机包含风轮、传动轴和发电机,用于提供电能给张力传感器; 所述风轮设置在风道内,其转动轴通过传动轴与发电机的转子相连。
2.根据权利要求1所述的无线张力传感器的气流动力供电装置,其特征在于,所述导流孔有三个,均匀分布在张力传感器绳索入孔的周围。
3.根据权利要求1所述的无线张力传感器的气流动力供电装置,其特征在于,张力传感器内还设有隔板,将导流孔、风道、出风孔、微型气流发电机和张力传感器的传感受力部分隔开。
4.根据权利要求1所述的无线张力传感器的气流动力供电装置,其特征在于,所述风轮采用四叶片风轮。
5.根据权利要求1所述的无线张力传感器的气流动力供电装置,其特征在于,所述发电机采用直流发电机。
【文档编号】H02K7/18GK104505984SQ201410678016
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】程远璐, 张若昀, 赵敏, 姚敏, 林亮, 田晓涵 申请人:南京航空航天大学
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