CN102307023B - 自供电脉冲检测系统 - Google Patents

自供电脉冲检测系统 Download PDF

Info

Publication number
CN102307023B
CN102307023B CN201110113069.1A CN201110113069A CN102307023B CN 102307023 B CN102307023 B CN 102307023B CN 201110113069 A CN201110113069 A CN 201110113069A CN 102307023 B CN102307023 B CN 102307023B
Authority
CN
China
Prior art keywords
flexible substrate
top board
energy acquisition
self
pulse detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201110113069.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102307023A (zh
Inventor
高子阳
吕冬青
陈翔
施岳文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Original Assignee
Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI filed Critical Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority to CN201110113069.1A priority Critical patent/CN102307023B/zh
Publication of CN102307023A publication Critical patent/CN102307023A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102307023B publication Critical patent/CN102307023B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

一种自供电脉冲检测系统,其包括:信号发送机;能量存储部件;以及能量采集机,该能量采集机包括:顶板,其被配置以接收外界物体在顶板的顶面上的应力冲击;底板,与顶板相对地定位并在底板和顶板之间保留空间;弹性元件,定位在顶板和底板之间;可弯曲基片,其在第一端附接至顶板的底面,可弯曲基片被配置以自由弯曲,与顶板和制动件碰撞;压电元件,定位在可弯曲基片上;以及重载,附接至可弯曲基片的第二端,其中在可弯曲基片、顶板和制动件之间的碰撞使得可弯曲基片和压电元件一起弯曲,从而产生功率。

Description

自供电脉冲检测系统
技术领域
本发明总体涉及能量采集设备,更具体地,涉及一种能够从应力脉冲采集能量以给脉冲检测系统供电的能量采集设备。
背景技术
在日常生活中,例如敲门和关门以及在地面上走动,通常会存在物理冲击或者应力脉冲。应力脉冲的特征在于初始尖锐的峰之后接着快速衰减。虽然这种脉冲能量短暂且微小,但是它也可以被采集和再利用。能量采集器(EH)是一种将环境振动能量转换成能够用于特定目的的能量,不然这种环境振动能量会被浪费。使用压电材料来将环境振动转换成电能的EH可以用于大范围的应用而具有低的功率消耗。
在例如美国专利No.6,861,785中,公开了一种具有EH的自供电远程控制设备。它的EH包括击打装置,该击打装置用于产生标定量的机械能量以利用预定的力在压电元件上直接击打。然而,这种设计被限制于特定类型的击打力并且不能够被用在以下情况:物理冲击可能不是预定的并且当在压电元件上直接击打时很可能会毁坏压电元件。
在美国专利No.7,936,109中描述了能量采集机的另一个例子,因此该公开文本通过援引整体并入。美国专利7,936,109描述了一种能够在一频率范围内采集能量的能量采集设备,所述频率范围包括非谐振频率。但是,在7,936,109中公开的这种能量采集设备通常用来从连续振动采集能量,因此在现有技术中,需要一种用于将物理冲击引起的应力脉冲转换成有用的电能的能量采集系统。
发明内容
本发明包括一种压电能量采集系统,其将包括物理冲击或应力脉冲的机械环境能量转换成电,所述的机械环境能量不会被浪费,所述电能够用于特定目的。
根据各个实施例,将压电能量采集系统封闭在具有顶板和底板的盒体中。电通过以下步骤产生:首先通过外界物体对顶板冲击而引入应力脉冲,使得可弯曲基片在盒体内振动。可弯曲基片采用带有一个固定端的悬臂的形式,所述固定端附接到顶板。重载附接到可弯曲基片的另一端。振动的可弯曲基片然后与顶板碰撞,导致可弯曲基片上的弯曲和变形,接着使附接到可弯曲基片的压电元件变形,产生电。弹性元件安装在顶板和底板之间以减少整个结构的总的阻尼,弹性元件诸如有弹性的、高弹性的材料(例如,聚硅酮和橡胶)、盘簧和其他能够存储和释放机械能的材料。
制动件位于可弯曲基片的端部,该端部未附接至顶板,从而当振动的可弯曲基片在顶板和制动件之间碰撞时产生更多的振动。这个附加的碰撞延长了可弯曲基片和压电材料的弯曲和变形,从而进一步从振动采集能量。制动件还阻止可弯曲基片的过度变形。
通过改变可弯曲基片的长度和/或附接到可弯曲基片的端部的重载的重量,可以调整压电能量采集系统的谐振频率,以匹配顶板的第一谐振频率或第二谐振频率,从而获得更好的转换效率。当压电能量采集系统的谐振频率与该实施例的顶板上的应力脉冲冲击表面的谐振频率交叠时,可以获得最大的能量转换效率。
弹性元件用来减少系统的总的阻尼,弹性元件诸如有弹性的、高弹性的材料(例如,聚硅酮和橡胶)、盘簧和其他能够存储和释放机械能的材料。这些技术的使用导致能量转换效率提高。因此,可以发现这里公开的电功率源具有较宽应用,并且可能对碳排放功率源的依赖较小。
本申请的另一实施例利用多个可弯曲基片来扩展能量采集系统的整个响应带宽,所述的多个可弯曲基片具有不同的谐振频率,以阵列形式布置。
在另一实施例中,利用压电能量采集系统给应力检测系统供电。这种应力检测系统包括多个检测节点,每个检测节点都将信号传输给接收机。每个节点由独立的压电能量采集机供电。
一旦给节点施加应力脉冲,压电材料就检测冲击源,同时冲击被转换成电能以给相应的传输节点供电。因为能量采集机的输出功率通常太低(<1mW)以至于不能够提供连续和稳定的输出,所以通常包含存储部件来存储能量。当被存储的能量达到期望的能量级时,就能够触发系统以释放存储的能量给功能模块。
典型的红外(IR)传输的功率消耗大于0.8mJ。因为从每个冲击采集的能量的总量可能会非常低和不稳定,所以使用简单和超低的功率传输协议,其包括非常短的包头、数据包的特定传输时间间隔以及数据包的末位。采用重复传输,以使当前数据包的末位是下一个数据包的包头。通过引入这种超低功率传输协议,从每个冲击采集的能量足以传输携带数据包的信号。
这种压电能量采集系统能够应用其他现有的超低功率通信协议。在Lizhi Charlie Zhong,Rahul Shah,Chunlong Guo,Jan Rabaey,An Ultra-lowPower and Distributed Access Protocol for Broadband Wireless SensorNetworks,加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)中描述了一个这样的超低功率通信协议,特此其通过援引整体并入。
附图说明
下文中,将参照附图对本发明的实施例进行更详细地描述,其中
图1示出了具有单个可弯曲基片的压电能量采集系统的一个实施例的侧视图;
图2示出了具有单个可弯曲基片的压电能量采集系统的另一实施例的侧视图;
图3示出了具有多个可弯曲基片的压电能量采集系统的两个实施例的俯视图;
图4示出了具有弹性元件的压电能量采集系统的一个实施例中的弹性元件的测量效果的时间-幅度曲线图;
图5示出了顶板和EH系统的测量到的振动谱线在频畴上进行比较的频率-幅度曲线图;
图6图示了自供电脉冲检测系统的实施例的示意图;以及
图7示出了超低功率传输协议的两个示例性实施例。
具体实施方式
在下面的描述中,自供电无线脉冲检测系统及其类似物作为优选实例进行描述。对于所属领域技术人员而言,显而易见的是可以进行修改(包括增加和/或替换)而不背离本发明的范围和精神。为了不使本发明模糊,省略了具体的细节;但是,写出来的公开文本能够使所属领域的技术人员实践本文的教导,而不需要过多的实验。
参照图1,示意性地示出了各个实施例的压电能量采集系统的整体结构。电通过以下步骤产生:通过外界物体对顶板100冲击而引入应力脉冲,使得可弯曲基片120振动。接着使振动的可弯曲基片120与顶板100相撞,导致可弯曲基片120上的弯曲和变形,接着使附接到可弯曲基片120的压电元件130变形,产生电。可弯曲基片120采用带有一个固定端110的悬臂的形式,所述固定端110附接到顶板110。重载140附接到可弯曲基片120的另一端。弹性元件160安装在顶板100和底板170之间以减少整个结构的总的阻尼,弹性元件诸如有弹性的、高弹性的材料(例如,聚硅酮和橡胶)、盘簧和其他能够存储和释放机械能的材料。虽然盘簧被示意性示出来表示弹性元件160,但是应该理解这仅仅表示上述弹性材料。
制动件150被引入,以当振动的可弯曲基片120在顶板100和制动件150之间碰撞时产生更多的振动。这个附加的碰撞延长了可弯曲基片120和压电材料130的弯曲和变形,从而进一步从振动采集能量。制动件150还阻止可弯曲基片120的过度变形。
通过改变可弯曲基片120的长度和/或附接到可弯曲基片120的端部的重载140的重量,可以调整压电能量采集系统的谐振频率,以匹配顶板100的第一谐振频率或第二谐振频率,从而获得更好的转换效率。弹性元件160和制动件150进一步提高了转换效率,并且可以获得高达80%的理论转换效率。
图2示意性示出了本发明的能量采集系统的另一实施例的整体结构。通过外界物体对顶板200的冲击而引入应力脉冲,所述应力脉冲使得可弯曲基片220振动和摆动。可弯曲基片220采用钟摆的形式,该钟摆的一个端部通过轴承210固定,而另一个端部附接有重载240。可弯曲基片220前后摆动,与顶板200和底板270相撞并导致压电材料230变形从而产生电。
图3示意性示出了带有多个可弯曲基片302的能量采集系统的两个示例性实施例的整体结构的俯视图。在这两个实施例中,具有不同谐振频率的可弯曲基片302以面阵形式布置,从而增加采集能量的量并扩展系统的总的响应带宽。除了可弯曲基片的圆形和行-列布置之外,可以采用其他图案。
图4示出了压电能量采集系统中的弹性元件的测量效果的时间-幅度曲线图。在图4的测量中,使用盘簧作为弹性元件。弹性元件的出现有效地降低了整个结构的总的阻尼,然后从环境振动采集更多的能量。可以从时间-幅度曲线图看出,没有弹性元件的能量采集机和具有弹性元件的压电能量采集系统在单次应力脉冲之后产生大致相等量的电。但是,没有弹性元件的能量采集机产生的电快速衰减,而具有弹性元件的压电能量采集系统继续产生一个幅度逐步降低的瞬变电。
图5示出了压电能量采集系统的实施例的整个结构和应力脉冲冲击表面的测量到的在频畴上进行比较的振动谱线。当压电能量采集系统和应力脉冲冲击表面的谐振频率交叠时,将获得最大的能量转换效率。根据各个实施例,压电能量采集系统的可弯曲基片的长度和重载的重量是可调的,以使压电能量采集系统的谐振频率与应力脉冲冲击表面的第一或第二谐振频率匹配。
参照图6,使用压电能量采集系统来给无线检测系统供电。无线检测系统包括多个检测节点,每个检测节点将信号传输给接收机。每个节点由独立的压电能量采集机供电。一旦给节点施加应力脉冲,压电材料就检测冲击源,同时冲击被转换成电能以给相应的传输节点供电。因为能量采集机的输出功率一般太低(<1mW),以至于不能够提供连续和稳定的输出,所以诸如存储器或电池的存储部件被选择性地用来存储采集到的电能。当被存储的能量达到期望的能量级时,电压监测器就能够触发系统给功能模块释放能量。功能模块包括用来控制发送机传输信号的微处理器(MCU)。为了有效地利用低采集功率来获得一个成功的传输,使用超低功率无线协议来使每个传输所需要的能量最小化。当然,应该理解,根据冲击的幅度和采集机的尺寸和结构,应力脉冲也可能足以直接给信号传输供电。
在示例性实施例中,发送机可以是IR发送机;但是,应该理解,可以选择能够传输低频率无线信号的任何发送机来用于本发明的系统,包括那些使用rf频率来传输的发送机。
典型的无线通信(例如红外(IR)传输)的功率消耗大于0.8mJ。因为从每个冲击采集的能量的总量可能会非常低和不稳定,所以使用简单和超低的功率传输协议。
参照图7,传输信号的每位由38/40Hz频率的具有6-10个周期的IR发送机传输,该发送机能够与标准IR接收模块的数字信号解码电路兼容。当前的传输信号的末位是下一个传输信号的包头。每个传输信号传输一段特定的时间间隔。信号被重复发送,以确保在整个传输过程中IR接收模块至少能够接收到一个具有未知输入能量的完整的周期。
出于举例和说明的目的,提供了本发明前面的描述。前面的描述并不旨在将本发明落于或限制于所公开的具体形式。对于所属领域技术人员而言,很多修改和变型将是显而易见的。
为了更好地解释本发明的原理及其实际应用,选择并描述了一些实施例,从而使所属领域技术人员能够针对各个实施例来理解本发明并明白本发明具有适于预期的实际应用的各个修改。所附的权利要求书及其等效物旨在限定本发明的范围。

Claims (18)

1.一种自供电脉冲检测系统,其包括:
信号发送机;
与所述信号发送机电通信的能量存储部件;以及
能量采集机,该能量采集机包括:
顶板,其具有顶面和底面,所述顶板被配置以接收外界物体在所述顶板的顶面上的应力冲击;
底板,其与顶板相对地定位并在所述底板和所述顶板之间保留空间;
弹性元件,其定位在所述顶板和所述底板之间,所述弹性元件被配置以降低系统的整个阻尼效应;
可弯曲基片,其在第一端附接至所述顶板的底面,所述可弯曲基片被配置以自由弯曲;
压电元件,其定位在所述可弯曲基片上;
重载,其附接至所述可弯曲基片;以及
制动件,其定位在所述可弯曲基片的第二端,所述制动件被配置以当所述可弯曲基片朝向制动件弯曲时使得所述可弯曲基片与所述制动件碰撞;
其中在所述可弯曲基片、所述顶板和所述制动件之间的碰撞使得可弯曲基片和压电元件一起弯曲以产生电,从而由能量采集机产生的电通过能量存储部件向所述信号发送机供电以传输信号。
2.根据权利要求1所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机的可弯曲基片的长度是可调的。
3.根据权利要求1所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机的重载的重量是可调的。
4.根据权利要求1所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机的可弯曲基片的长度和所述能量采集机的重载的重量是可调的,用于调节能量采集机的谐振频率以匹配所述顶板的谐振频率。
5.根据权利要求1所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机包括多个弹性元件,每个弹性元件定位在所述顶板和所述底板之间。
6.根据权利要求1所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机包括多个可弯曲基片。
7.根据权利要求6所述的自供电脉冲检测系统,其中每个可弯曲基片具有不同的谐振频率。
8.根据权利要求6所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机包括多个制动件,每个制动件被配置以在每个可弯曲基片朝向各自的制动件弯曲时使得每个可弯曲基片与各自的制动件碰撞。
9.根据权利要求6所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机包括多个重载,每个重载附接到每个可弯曲基片。
10.一种自供电脉冲检测系统,其包括:
信号发送机;
能量存储部件;以及
能量采集机,其包括:
顶板,其具有顶面和底面,所述顶板被配置以接收外界物体在所述顶板的顶面上的应力冲击;
底板,其与顶板相对地定位并在所述底板和所述顶板之间保留空间;
弹性元件,其定位在所述顶板和所述底板之间;
可弯曲基片,其连接至轴承,所述轴承附接至所述顶板的底面,所述可弯曲基片被配置以自由摆动;
压电元件,其定位在所述可弯曲基片上;以及
重载,其附接至所述可弯曲基片,以及,
其中在所述可弯曲基片、所述顶板和所述底板之间的碰撞使得可弯曲基片和压电元件一起弯曲以产生电,从而由能量采集机产生的电通过能量存储部件向所述信号发送机供电以传输信号。
11.根据权利要求10所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机的可弯曲基片的长度是可调的。
12.根据权利要求10所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机的重载的重量是可调的。
13.根据权利要求10所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机的可弯曲基片的长度和所述能量采集机的重载的重量是可调的,用于调节能量采集机的谐振频率以匹配所述顶板的谐振频率。
14.根据权利要求10所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机包括多个弹性元件,每个弹性元件定位在所述顶板和所述底板之间并连接所述顶板和所述底板。
15.根据权利要求10所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机包括多个可弯曲基片。
16.根据权利要求15所述的自供电脉冲检测系统,其中每个可弯曲基片具有不同的谐振频率。
17.根据权利要求15所述的自供电脉冲检测系统,其中所述能量采集机包括多个重载,每个重载附接到每个可弯曲基片。
18.一种能量采集机,其包括:
顶板,其具有顶面和底面,所述顶板被配置以接收外界物体在所述顶板的顶面上的应力冲击;
底板,其与顶板相对地定位并在所述底板和所述顶板之间保留空间;
弹性元件,其定位在所述顶板和所述底板之间,所述弹性元件被配置以降低系统的整个阻尼效应;
可弯曲基片,其在第一端附接至所述顶板的底面,所述可弯曲基片被配置以自由弯曲;
压电元件,其定位在所述可弯曲基片上;
重载,其附接至所述可弯曲基片;以及
制动件,其定位在所述可弯曲基片的第二端,所述制动件被配置以当所述可弯曲基片朝向制动件弯曲时使得所述可弯曲基片与所述制动件碰撞;
其中在所述可弯曲基片、所述顶板和所述制动件之间的碰撞使得可弯曲基片和压电元件一起弯曲以产生电。
CN201110113069.1A 2011-05-03 2011-05-03 自供电脉冲检测系统 Expired - Fee Related CN102307023B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110113069.1A CN102307023B (zh) 2011-05-03 2011-05-03 自供电脉冲检测系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110113069.1A CN102307023B (zh) 2011-05-03 2011-05-03 自供电脉冲检测系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102307023A CN102307023A (zh) 2012-01-04
CN102307023B true CN102307023B (zh) 2014-04-16

Family

ID=45380845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110113069.1A Expired - Fee Related CN102307023B (zh) 2011-05-03 2011-05-03 自供电脉冲检测系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102307023B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109269761B (zh) * 2018-09-28 2020-10-09 杭州电子科技大学 一种评估落石风险的自供电传感器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101002343A (zh) * 2004-10-21 2007-07-18 米其林技术公司 具有可调共振频率的能量收集器
CN101615652A (zh) * 2008-02-22 2009-12-30 香港应用科技研究院有限公司 用来在诸如胎压监测系统里进行能量收集的压电组件
CN101641804A (zh) * 2007-03-21 2010-02-03 佛蒙特大学及州立农业学院 结合参数弯曲模态能量收获的压电振动能量收获系统
CN101714834A (zh) * 2009-11-16 2010-05-26 清华大学 碰撞式压电振动能量收集装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7687977B2 (en) * 2006-04-10 2010-03-30 Honeywell International Inc. Micromachined, piezoelectric vibration-induced energy harvesting device and its fabrication

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101002343A (zh) * 2004-10-21 2007-07-18 米其林技术公司 具有可调共振频率的能量收集器
CN101641804A (zh) * 2007-03-21 2010-02-03 佛蒙特大学及州立农业学院 结合参数弯曲模态能量收获的压电振动能量收获系统
CN101615652A (zh) * 2008-02-22 2009-12-30 香港应用科技研究院有限公司 用来在诸如胎压监测系统里进行能量收集的压电组件
CN101714834A (zh) * 2009-11-16 2010-05-26 清华大学 碰撞式压电振动能量收集装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN102307023A (zh) 2012-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8072122B2 (en) Self-powered impulse detection system with piezoelectric energy harvester
CN110445417B (zh) 一种低频宽频带震动俘能装置
CN107707155A (zh) 一种超宽带高能效压电振动能量收集装置
CN103354434A (zh) 双稳压电悬臂梁振动能量采集器
CN106787069A (zh) 一种基于介电弹性体的环境振动能量采集控制系统
CN204271949U (zh) 浮桥监测系统自维持悬臂梁式压电电源
CN103346696A (zh) 阵列式复合能量采集器
CN103234621A (zh) 一种基于动能电池的风电叶片无线振动监测装置及方法
CN106357154B (zh) 多臂耦合型碰撞式压电能量收集装置
CN102307023B (zh) 自供电脉冲检测系统
JP2011202961A (ja) 地震計およびその制御方法
KR100953571B1 (ko) 곡면 탄성판을 이용한 발전모듈 및 압전에너지 수집장치
CN206759340U (zh) 一种波纹型压电悬臂梁振动能量采集器
CN102386804A (zh) 一种汽车遥控钥匙自供电装置
Singh et al. A self-propelled mechanism to increase range of bistable operation of a piezoelectric cantilever-based vibration energy harvester
CN210075112U (zh) 一种层状磁电复合材料俘能器
CN109150006A (zh) 一种微振动压电俘能电池
CN110912459A (zh) 一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置
Lu et al. Low-frequency and ultra-wideband MEMS electrostatic vibration energy harvester powering an autonomous wireless temperature sensor node
CN103632190A (zh) 多频电子标签
CN102611153A (zh) 一种便携式电源设备
Abdal-Kadhim et al. Application of piezoelectric energy harvesting in powering radio frequency (RF) module
CN202586807U (zh) 一种按键式压电开关发电装置
CN105048867A (zh) 一种中央空调送风管降噪声电转化装置
CN103151035A (zh) 一种自适应电子喇叭

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140416