專利名稱:變送器及變送器組的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種變送器及變送器組。在一個實施方案中，公開了一種變送器，其包括：第一負載諧振電路，及第一用電單元；其中，第一用電單元和第一負載諧振電路有線電連接，第一負載諧振電路通過電磁共振耦合，接收高頻電磁波，并為第一用電單元提供電能。在另一個實施方案中，公開了一種變送器組，其包括多個前述變送器，及一個源諧振電路，多個變送器共用源諧振電路，其中，源諧振電路和為源諧振電路輸入待無線發(fā)射的電能的供電系統(tǒng)有線電連接，并將待無線發(fā)射的電能轉(zhuǎn)換為高頻電磁波并發(fā)射。本實用新型的實施例可具有如下的幾個技術(shù)優(yōu)勢的至少之一：1)使變送器更可靠；2)使變送器更安全；3)實現(xiàn)單一電源對多臺變送器供電。
【專利說明】變送器及變送器組

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種將傳感器測量并輸出的各類電量與非電物理量，例如電流 (AD)、電壓（VD)、功率（WD)、頻率（FD)、溫度（TT)、重量（LD)、位置（PT)、壓力、轉(zhuǎn)速（RT)、角 度等，轉(zhuǎn)換成可接收的直流模擬量電信號的變送器，更具體的，本實用新型涉及一種使用電 磁共振無線電源的變送器及變送器組。

【背景技術(shù)】
[0002] 變送器是把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號的轉(zhuǎn)換器。在自動控 制中，信號有如下傳輸順序：信號源一傳感器一變送器一運算器控制器一執(zhí)行機構(gòu)一控制 輸出。
[0003] 圖1是一種變送器的示例性組裝圖，變送器10包括殼體101、功能板100、連接器 300、中間塑料蓋102、顯示板200等。功能板100上的功能板電路110把來自外部傳感器 輸入的待變送的原始信號轉(zhuǎn)換為可被控制器識別的變送器10的輸出信號，功能板100還把 一些信號傳送給顯示板200。顯示板200上的顯示板電路210接收該些信號，按預(yù)定要求 處理后，顯示相關(guān)信息。變送器10工作時需要電源，如功能板100上的功能板電路110、顯 示板200上的顯示板電路210都需要和電源連接，并且常見的連接方式是有線電連接。通 常，顯示器200上有4個連接插口可以供連接器300插入，能夠?qū)崿F(xiàn)變送器10在4個方向 的安裝（即旋轉(zhuǎn)）。顯示板200和功能板100間存在有線電連接以傳送電力和信號。在旋 轉(zhuǎn)時，需要調(diào)整上述有線電連接中的連接線。連接器300在顯示板200上占據(jù)一定的空間， 并且這種連接使得變送器10整體并不是很緊湊。如果變送器10旋轉(zhuǎn)時不需要調(diào)整電連接 線，而只是相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)具有顯示屏的顯示板200,安裝將更簡便，由于沒有連接器300,甚至 可以不需要中間塑料蓋102,而是直接將顯示板200上的螺絲擰入功能板的螺紋中固定。
[0004] 為了對輸入信號進行轉(zhuǎn)換和/或顯示等，變送器具有一些電路單元，如功能板上 起轉(zhuǎn)換功能的功能板電路、顯示板上起顯示功能的顯示板電路等。在變送器工作時，這些 電路單元需要電源供電。通過電源連接器、連接電纜及電連接接口等，該電源和外部供電系 統(tǒng)（如客戶的配電箱）有線電連接，從而獲得電力。這種有線電連接的有線電源帶來了一 些弊端：1)電源連接器或連接電纜出現(xiàn)缺陷時造成變送器失效或不可靠；2)有線電連接的 連接處的帶電導(dǎo)體在危險環(huán)境打火花，帶來危險；3)在同時給多臺變送器供電時，必須使 每臺變送器都和外部供電系統(tǒng)有線電連接；4)對于圖1中有顯示板的變送器，顯示板和功 能板有線電連接，如電源線、信號線（在本實用新型中，信號不同于電源電流，信號可以是 數(shù)據(jù)信號也可以是控制信號）；所述顯示板可以旋轉(zhuǎn)，但是，連接器在顯示板上占據(jù)一定的 空間，使得這種連接使得變送器整體并不是很緊湊，并且顯示板旋轉(zhuǎn)后，需要重新設(shè)置電連 接線，操作不便。即變送器的有線供電結(jié)構(gòu)限制了變送器的安裝靈活性、便利程度，而且也 使變送器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性下降。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本部分提供了本公開的總體概述，不是本公開的全部范圍或其全部特征的全面公 開。
[0006] 為了克服前述弊端中的至少一個，本實用新型對無線電源的結(jié)構(gòu)進行詳細研宄， 設(shè)計出適用于變送器的無線電源，其具有可接受的功率傳輸效率；將該無線電源的源載諧 振電路通過負載諧振電路和電路單元無線電連接。針對變送器自身的特點，該無線電源采 用強耦合電磁共振技術(shù)。
[0007] 根據(jù)本實用新型的一個實施例，一種變送器包括第一負載諧振電路，及第一用電 單元；其中，該第一用電單元和該第一負載諧振電路有線電連接，該第一負載諧振電路通過 電磁共振耦合，接收高頻電磁波，并為該第一用電單元提供電能。
[0008] 根據(jù)本實用新型的另一個實施例，一種變送器組包括多個前述的變送器，該變送 器組包括一個源諧振電路，該多個變送器共用該源諧振電路，其中該源諧振電路和為該源 諧振電路輸入待無線發(fā)射的電能的供電系統(tǒng)有線電連接，并將該待無線發(fā)射的電能轉(zhuǎn)換為 高頻電磁波并發(fā)射。
[0009] 在本文的描述中，信號電流不同于電源電流，信號可以是數(shù)據(jù)信號也可以是控制 信號，電源為用電單元提供工作所需的電能，為了電路提供了電信號不能被認為是為電路 提供了工作所需的電能；變送器的功能板是指其上具有功能板電路的模塊，該功能板電路 把傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號。
[0010] 根據(jù)本實用新型實施例的變送器安裝簡單、靈活、方便，并使變送器可靠性提高。 工作時源諧振電路和負載諧振電路的相對位置比較靈活，可實現(xiàn)電能的無線傳輸；可實現(xiàn) 信號的無線傳輸；可實現(xiàn)一個源諧振電路給多個負載諧振電路供電；源諧振器和負載諧振 器的尺寸可以不一致；源諧振電路和負載諧振電路之間可以通過中間諧振電路進行能量的 傳輸從而實現(xiàn)較遠距離的無線能量傳輸；使得顯示板可360度旋轉(zhuǎn)工作，選擇后，無需調(diào)節(jié) 電源接線和信號接線；減少了電源連接器或連接電纜，使得由于電源有線電連接造成的變 送器失效減少，使變送器更可靠；減少了由于電源的有線電連接中，在危險環(huán)境下，連接處 打火花，使變送器更安全；實現(xiàn)單一電源對多臺變送器供電。

【附圖說明】

[0011] 這里所描述的圖僅針對所選取的實施方案，而非對所有可能的實現(xiàn)方式起說明作 用，并且不是意在限制本公開的范圍。
[0012] 圖1是一種可選的變送器的示例性組裝圖；
[0013] 圖2是一種可選的本實用新型所述的變送器供電結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0014] 圖3是一種可選的本實用新型所述的變送器結(jié)構(gòu)示意框圖；
[0015] 圖4是一個源諧振電路為多個變送器無線供電的示意圖；
[0016] 圖5是一種可選的完整強耦合電磁共振無線電能傳輸?shù)氖疽鈭D；
[0017] 圖6是使用E類功率放大器的源諧振電路基本原理圖；
[0018] 圖7是LMC555最大頻率輸出的電路圖；以及
[0019] 圖8是電磁共振無線電源的等效互感電路圖。

【具體實施方式】
[0020] 實施例1
[0021] 變送器10包括多個電路單元。如圖2所示，在變送器10的供電結(jié)構(gòu)中，包括源諧 振電路50、第一負載諧振電路60,以及和第一負載諧振電路60有線電連接第一用電單元 800。其中，供電系統(tǒng)400和源諧振電路50有線電連接，為源諧振電路50輸入待無線發(fā)射 的電能。變送器10包括第一用電單元800及第一負載諧振電路60。供電系統(tǒng)400可以是 現(xiàn)有技術(shù)中給變送器10供電的任何合適電源，如客戶的AC/DC配電柜900 (參見圖4)。源 諧振電路50將該待無線發(fā)射的電能轉(zhuǎn)換為高頻電磁波并發(fā)射。第一負載諧振電路60和源 諧振電路50電磁共振耦合，無線接收該高頻電磁波，為該用電單元提供工作所需電力。即 第一用電單元800使用的是無線電源，無線電源包括組件：源諧振電路50和第一負載諧振 電路60。從無線供電目的看，源諧振電路50和第一負載諧振電路60選擇在殼體101內(nèi)、殼 體101上、殼體101外配置，都可以實現(xiàn)無線供電。即，源諧振電路50可以不是變送器10的 組件，處于變送器10之外。變送器10可包括殼體101、功能板100、顯示板200。優(yōu)選，源諧 振電路50設(shè)置在功能板100上，第一負載諧振電路60設(shè)置在顯示板200上。通過使用無 線電源，變送器的電路單元可不和供電系統(tǒng)直接有線電連接，變送器安裝簡單、靈活、方便， 并使變送器可靠性提高，避免了在危險環(huán)境下，使用有線電源時，連接處打火花的問題。
[0022] 實施例2
[0023] 對于實施例1中的第一用電單元800,可以是功能板電路110或顯示板電路 210(可參考圖3)，或者是變送器10內(nèi)的其它電路單元。其中，變送器10包括殼體101、功 能板100、顯示板200。功能板100上具有功能板電路110,其中功能板電路110把傳感器的 輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀豢刂破髯R別的信號。顯示板200具有起顯示功能的顯示板電路210。
[0024] 可選的，顯示板200上有第一負載諧振電路60,第一負載諧振電路60和顯示板電 路210有線電連接，為顯示板電路210提供電能；源諧振電路50在變送器10的功能板100 上，這樣，功能板100可以無線給顯示板200傳輸電能，從而使功能板100和顯示板200之 間不需要使用用于傳輸電力的電連接線。
[0025] 多個電路單元中除了第一用電單元800、第一負載諧振電路60,還可包括更多的 用電單元和負載諧振電路，如，多個電路單元可選的還包括第二負載諧振電路及第二用電 單元；其中，第二用電單元是和第二負載諧振電路有線電連接，第二負載諧振電路通過電磁 共振耦合，接收高頻電磁波，并為第二用電單元提供電能，即對于第二用電單元而言，該第 二負載諧振電路是電源；第二用電單元是所述變送器的功能板上的功能板電路。例如將第 一用電單元選擇為顯示板電路210,第二用電單元選擇為功能板電路110。
[0026] 實施例3
[0027] 對于實施例2中的方案，為了實現(xiàn)顯示板200和功能板100間在無有線電連接的 情況下，顯示板200、功能板100間可無線給對方電能（如功能板100給顯示板200無線傳 輸電能），也能從功能板100獲得需要顯示的數(shù)據(jù)信號或者控制信號，可以進一步設(shè)置收發(fā) 器電路。如圖3所示，顯示板電路210包括顯示板無線收發(fā)器電路2101，功能板電路110包 括功能板無線收發(fā)器電路1101 ;其中，功能板無線收發(fā)器電路1101向所述顯示板無線收發(fā) 器電路2101發(fā)送無線信號。這樣，所述顯示板200和功能板100間無有線的電連接；在顯 示板200的用電由功能板無線提供或不由功能板提供時，顯示板200可360度旋轉(zhuǎn)，且所述 顯示板200旋轉(zhuǎn)后，無需調(diào)整顯示板200和功能板100間的電連接線即可實現(xiàn)正常顯示。
[0028] 對于無線收發(fā)器，可以使用支持串行外設(shè)接口（SPI，Serial Peripheral Interface)串行數(shù)據(jù)的射頻（RF，radio frequency)收發(fā)器，以TI (德州儀器）的射頻收 發(fā)器為例，如CC8521射頻收發(fā)器。
[0029] 實施例4
[0030] 對于實施例1所述的供電結(jié)構(gòu)，可以進一步選擇為這樣的變送器組：有相鄰的至 少2個（即多個）變送器，每個變送器都配有第一負載諧振電路60,給這多個變送器僅配1 個源諧振電路50,實現(xiàn)一個源諧振電路50為多個第一負載諧振電路無線發(fā)射電能。圖4是 是該實施方案的一個示意圖。其中，l〇A、10B、10C、10D為一組相鄰的變送器，構(gòu)成變送器組。 每個變送器都具有各自的第一負載諧振電路60A、60B、60C、60D (圖中未示出），但它們共用 一個源諧振電路50 ;900是客戶的AC/DC配電柜，其一端和源諧振電路50有線電連接，一端 和市電或電源轉(zhuǎn)換單元有線電連接。在本實施例中，源諧振電路50優(yōu)選在殼體101之外， 即源諧振電路電路50可以采用外置結(jié)構(gòu)。即本方案可實現(xiàn)單一電源對多臺變送器供電。
[0031] 上述實施例的進一步的選擇
[0032] 在一些實施方案中，功能板電路110獲得電力的方式可以是：1)和供電系統(tǒng)400 有線電連接；2)源諧振電路50和供電系統(tǒng)400有線電連接，功能板100上有第一負載諧振 電路60,從而實現(xiàn)功能板100和供電系統(tǒng)400的無線電連接，以無線方式獲得電力。
[0033] 在一些實施方式中，即顯示板電路210獲得電力的方式可以是：1)和供電系統(tǒng)400 有線電連接；2)通過源諧振電路50和供電系統(tǒng)400有線電連接，顯示板200上有第一負 載諧振電路60,從而實現(xiàn)顯示板200和供電系統(tǒng)400的無線電連接，以無線方式獲得電力； 3)功能板100上有源諧振電路50,顯示板200上有第一負載諧振電路60,從而實現(xiàn)顯示板 200從功能板100以無線方式獲得電力。
[0034] 在一個實施方案中，源諧振電路50和第一負載諧振電路60都位于殼體101之內(nèi)。 在一個實施方案中，源諧振電路50在殼體101之外，而第一負載諧振電路60在殼體101之 內(nèi)。在一個實施方案中，源諧振電路50在殼體101之內(nèi)，而第一負載諧振電路60在殼體 101之外。根據(jù)不同的源諧振電路、第一負載諧振電路位置選擇，可選擇在殼體101上設(shè)置 和第一用電單元800連接的接口，以實現(xiàn)為第一用電單元800供電。
[0035] 無線電源電路的具體設(shè)計
[0036] 本實用新型的核心點在于設(shè)計一套強耦合電磁共振無線電源傳輸電路。如何選擇 諧振的線圈是非常重要的。此設(shè)計的物理原理如下：在自然界中諧振現(xiàn)象非常普遍.振動 的兩個線圈之前包含了能量的傳播，當兩個線圈以相同的頻率發(fā)生磁共振時，即使很小的 激勵也能在兩個線圈之間積聚很大的能量；當兩個線圈靠近時，兩個線圈發(fā)生能量的耦合， 從而在兩個線圈之間發(fā)生能量的傳遞?；谝陨衔锢碓?，在圖5中，給出了結(jié)合了一個完 整強耦合電磁共振無線電源傳輸?shù)目驁D。下面就結(jié)合該圖，說明無線電源的具體設(shè)計。需 要說明的是，為了說明本實用新型的核心構(gòu)思，下面的內(nèi)容進行了適當?shù)暮喕?，略去了一?次要內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員有能力在此核心構(gòu)思的基礎(chǔ)上作一些改變，這些改變應(yīng)屬 于本實用新型要求保護的范圍。
[0037] 為了產(chǎn)生高頻電磁波發(fā)射，需要一個高頻電源。變送器的常見輸入有市電和24V 直流電，它們都不是高頻的電源輸入。因此，在具體實現(xiàn)源諧振電路時，需要使用高頻功率 放大器和高頻振蕩器，以將輸入的電能高效無線發(fā)射。在本實用新型的一個實施方案中，選 擇如下的結(jié)構(gòu)：源諧振電路50和客戶的AC/DC配電柜900連接，其中源諧振電路50含有高 頻功率放大器501和高頻振蕩器502,它們的連接關(guān)系如圖5所示。高頻電源的組成部件 包括和客戶的AC/DC配電柜900、高頻振蕩器502同時連接的高頻功率放大器501。高頻功 率放大器501包括開關(guān)管相關(guān)電路單元5011。圖5中，Ls是磁耦合源諧振器，用來發(fā)射能 量；L D是磁耦合負載諧振器，用來接收能量；單匝線圈L1從高頻電源接收到能量后將能量 耦合給源諧振器Ls，源諧振器Ls將能量無線耦合給負載諧振器L D;再將能量耦合給單匝線 圈Lw，最后耦合到的交流電源通過全橋轉(zhuǎn)為直流電源給負載Rw供電。這里的Rw可以是用 電單元800。在圖5中，高頻功率放大器501、高頻振蕩器502、Ls均是源諧振電路50的組 件。
[0038] 源諧振電路50可等效為R、L和C串聯(lián)的諧振電路。源諧振電路50的性能由諧振 頻率和它的自身損耗r決定。該性能可以用質(zhì)量因子Q衡量，其中Q = ? 越 大儲能能力越高。其中，和Q的計算公式如下。
[0039]

【權(quán)利要求】
1. 一種變送器，包括： 第一負載諧振電路，及 第一用電單元； 其中，所述第一用電單元和所述第一負載諧振電路有線電連接，所述第一負載諧振電 路通過電磁共振耦合，接收高頻電磁波，并為所述第一用電單元提供電能。2. 如權(quán)利要求1所述的變送器，其中，所述第一用電單元是所述變送器的顯示板上的 起顯不功能的顯不板電路。3. 如權(quán)利要求2所述的變送器，其中，所述第一負載諧振電路在所述顯示板上。4. 如權(quán)利要求3所述的變送器，其中，所述變送器的功能板和所述顯示板是分立的。5. 如權(quán)利要求1所述的變送器，其中，所述第一用電單元是所述變送器的功能板上的 功能板電路。6. 如權(quán)利要求5所述的變送器，其中，所述第一負載諧振電路在所述功能板上。7. 如權(quán)利要求3所述的變送器，還包括： 第二負載諧振電路，及 第二用電單元； 其中，所述第二用電單元和所述第二負載諧振電路有線電連接，所述第二負載諧振電 路通過電磁共振耦合，接收高頻電磁波，并為所述第二用電單元提供電能。8. 如權(quán)利要求3或7所述的變送器，其中，所述變送器還包括功能板上的源諧振電路， 其中，所述源諧振電路和為所述源諧振電路輸入待無線發(fā)射的電能的供電系統(tǒng)有線電連 接，并將所述待無線發(fā)射的電能轉(zhuǎn)換為所述高頻電磁波并發(fā)射。9. 如權(quán)利要求4所述的變送器，其中，所述功能板上的功能板電路和所述顯示板電路 均包括能夠彼此通信的無線收發(fā)器電路。10. 如權(quán)利要求7所述的變送器，其中，所述第一負載諧振器被布置為能夠接收所述變 送器的殼體之外或之上的源諧振電路無線發(fā)射的電能；所述第二負載諧振器被布置為能夠 接收所述變送器的殼體之外或之上的源諧振電路無線發(fā)射的電能。11. 如權(quán)利要求9所述的變送器，其中，所述變送器還包括功能板上的源諧振電路，其 中，所述源諧振電路和為所述源諧振電路輸入待無線發(fā)射的電能的供電系統(tǒng)有線電連接， 并將所述待無線發(fā)射的電能轉(zhuǎn)換為所述高頻電磁波并發(fā)射。12. 如權(quán)利要求9所述的變送器，其中，所述變送器還包括第二負載諧振電路及第二用 電單元，其中，所述第二用電單元和所述第二負載諧振電路有線電連接，所述第二負載諧振 電路通過電磁共振耦合，接收高頻電磁波，并為所述第二用電單元提供電能，所述第二負載 諧振電路在所述功能板上，所述第二用電單元是所述功能板電路。13. 如權(quán)利要求8所述的變送器，其中，所述源諧振電路含有高頻振蕩器和高頻功率放 大器，以提供無線電能發(fā)射所需的高頻電源。14. 如權(quán)利要求13所述的變送器，其中，所述高頻功率放大器為E類功率放大器。15. 如權(quán)利要求14所述的變送器，其中，所述E類功率放大器包含連接到所述高頻振蕩 器的MOSFET開關(guān)管。16. 如權(quán)利要求13所述的變送器，其中，所述高頻振蕩器為最大輸出頻率為3MHz的高 頻振蕩器。17. 如權(quán)利要求9所述的變送器，其中，所述無線收發(fā)器電路含支持串行外設(shè)接口的射 頻收發(fā)器。18. -種變送器組，包括多個權(quán)利要求1所述的變送器，及一個源諧振電路，所述多個 變送器共用所述源諧振電路， 其中，所述源諧振電路和為所述源諧振電路輸入待無線發(fā)射的電能的供電系統(tǒng)有線電 連接，并將所述待無線發(fā)射的電能轉(zhuǎn)換為所述高頻電磁波并發(fā)射。
【文檔編號】H02J17-00GK204271761SQ201420734865
【發(fā)明者】劉成珺 [申請人]微動公司