CN106230318B - 用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，以解决当前工业环境中用于俘获气体压力能的微能源俘能器存在的俘获效率低等技术问题。本发明由微孔隙增流组件、涡流激振式发电组件和紧定螺钉三部分组成。微孔隙增流组件通过紧定螺钉与涡流激振式发电组件螺纹连接。所述微孔隙增流组件可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气定向移动，并对诱导后的气体进行增速和增流，从锥形喷气端排出作用于与微孔隙增流组件相连接的涡流激振式发电组件进行能量转化。本发明设计的压电俘能器可将气体的流速和流量放大，进而可将发电效率提高3倍以上。在低功耗传感器与低功耗器件供能等技术领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，属于低功耗电子设备供能技术领域。
背景技术
随着气动技术朝着智能化和微型化方向的不断发展，使得低成本、小尺寸与低功耗的电路与传感器的研发取得了一定的进步，这使大型无线传感器网络在气动系统中的构建成为可能。无线传感网络中较为重要的组成部分是大量低功耗器件的能量供给系统。目前主要采用电源直接供能和化学电池供能两种方式作为低功耗器件的能量供给装置。然而，电源直接供能的方式会导致电磁干扰严重、系统布线复杂等问题，而化学电池供能的方式则存在电池本体尺寸大、寿命有限、需定期更换、成本高以及环境污染严重等不足。因此，研究一种面向气动系统低功耗器件与低功耗传感器供能的压电俘能器，以解决传统供能技术所带来的诸多弊端显得尤为迫切和需要。
利用压电材料的正压电效应俘获环境中的微能源并转化为电能输出的微能源俘获与转化技术，由于具有能量转换效率高、清洁无污染、不受电磁干扰以及使用寿命长等优势，已成为当前环境微能源俘获与转化技术的研究热点问题之一。气体压力能是工业生产中大量存在的能源形式，其同样具备安全、清洁无污染以及能源可再生等优点。因此，合理利用工业生产环境中的气体能量，并结合压电材料的正压电效应将气体能量收集并转化成电能，可有效解决传统电源供能过程中带来的布线复杂以及化学电池供能过程中带来的需定期更换、污染环境等问题。然而，当前用于工业环境中压电俘能器大多不能将气体压力能直接转化为电能，或能量转化效率较低制约了此类俘能器在物联网节点、低功耗传感器和低功耗器件等低功耗电子设备供能技术领域的应用。
发明内容
为解决当前工业环境中用于俘获气体压力能的微能源俘能器存在的能量俘获效率低等技术问题。本发明公开一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，可为低功耗传感器供能等低功耗电子设备供能技术领域提供一种供能装置。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器包括微孔隙增流组件、紧定螺钉和涡流激振式发电组件，微孔隙增流组件通过紧定螺钉与涡流激振式发电组件螺纹连接；所述微孔隙增流组件包括锥形吸气端、吸气端螺钉、辅助套筒、锥形喷气端、喷气端螺钉、喷气端密封圈和吸气端密封圈；所述锥形吸气端与辅助套筒气体密封，锥形吸气端与辅助套筒螺纹连接；锥形喷气端与辅助套筒气体密封，锥形喷气端与辅助套筒螺纹连接；所述涡流激振式发电组件包括发电组件安装架、压电发电元件、谐振弹簧和柱体挡流块；发电组件安装架与压电发电元件固定，压电发电元件与谐振弹簧连接，压电发电元件与柱体挡流块固定。
所述的锥形吸气端设置有吸气孔、吸气端通孔、吸气端密封圈凹槽和吸气端螺纹孔，吸气端螺纹孔与吸气端螺钉螺纹连接；所述辅助套筒设置有吸气端套筒螺纹孔，吸气端套筒螺纹孔与吸气端螺钉螺纹连接；辅助套筒设置有进气孔和喷气端套筒螺纹孔，喷气端套筒螺纹孔与喷气端螺钉螺纹连接。所述锥形喷气端设置有喷气端连通孔、锥形喷气口和喷气端螺纹孔；喷气端螺纹孔与喷气端螺钉螺纹连接；锥形喷气端设置有连接螺纹孔，连接螺纹孔与紧定螺钉螺纹连接；锥形喷气端设置有喷气端密封圈凹槽。
所述的发电组件安装架设置有发电端螺纹固定孔，发电端螺纹固定孔通过紧定螺钉与微孔隙增流组件螺纹连接；发电组件安装架设置有压电元件固定槽、固定连接孔和环形出气口；所述柱体挡流块设置有压电元件固定槽，压电元件固定槽与压电发电元件固定。
所述吸气孔半径为R0，吸气端通孔半径为R1，吸气孔与吸气端通孔的半径比为E=R0/R1，E值满足的范围为1~1.5；所述喷气端连通孔的半径为R3，喷气端连通孔与吸气端通孔的半径比为F=R3/R1，F值满足的范围为1.2~1.5。
所述的发电组件安装架设置有压电元件固定槽，相邻两个压电元件固定槽间的中心距离为L，L的范围为10~20 mm；所述柱体挡流块半径为R，谐振弹簧原长为B，谐振弹簧与压电元件固定槽满足关系L=B+ζ R，ζ满足的范围为1~3之间；柱体挡流块长度为h，h/R的取值范围为2~6。
所述的涡流激振式发电组件中压电发电元件选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
本发明设计的压电俘能器的工作原理是利用压电材料的正压电效应可将气体的冲击能量转化为电能。该压电俘能器可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气进行定向流动，可对诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从锥形喷气端流出并作用激励于与微孔隙增流组件相连接的涡流激振式发电组件进行电能的转化。微孔隙增流组件具有一圈环状微型孔隙，由于孔隙的直径极小，因此，在高压气体的作用下喷射出的气体流速较快。由于快速的气体流动导致装置内部压力小于外界空气压力，因此外部空气会均匀的吸入微孔隙增流组件，进而达到增流的效果。涡流激振式发电组件采用柱体挡流块增强气体冲击产生发电效果，气流在柱体挡流块的影响下可进行附壁流动形成涡流，涡流会含有较高的气体能量，当涡流脱落时将能量释放从而使柱体挡流块带动压电元件发生较大形变，压电元件直接将气体能量转化为电能，同时谐振弹簧与压电发电元件两两相连，此种连接可产生谐振作用使压电元件发生多次形变以收集更多的气体能量。
本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的微孔隙增流组件可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气定向移动，并对诱导后的气体进行增速和增流，从锥形喷气端排出作用于与微孔隙增流组件相连接的涡流激振式发电组件进行能量转化。本发明设计的压电俘能器将气体流速和流量放大，进而可将俘能器的能量俘获效率提高3倍以上。在低功耗传感器、低功耗器件供能等技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1所示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的结构示意图；
图2所示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的微孔隙增流组件结构示意图；
图3所示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的锥形吸气端结构剖视图；
图4所示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的辅助套筒结构剖视图；
图5所示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的锥形喷气端结构剖视图；
图6所示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的锥形吸气端与锥形喷气端局部结构剖视图；
图7所示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的涡流激振式发电组件结构示意图；
图8所示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的涡流激振式发电组件结构左视图；
图9所示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的发电组件安装架结构剖视图；
图10示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的压电发电元件结构剖视图；
图11示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的柱体挡流块结构结构剖视图；
图12示为本发明提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的全桥整流电路示意图。
具体实施方式
结合图1~图12说明本实施方式。本实施方式提供了一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的具体实施方案。所述用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器由微孔隙增流组件1、紧定螺钉2和涡流激振式发电组件3组成。其中，微孔隙增流组件1通过紧定螺钉2与涡流激振式发电组件3螺纹连接。
所述的微孔隙增流组件1包括锥形吸气端1-1、吸气端螺钉1-2、辅助套筒1-3、锥形喷气端1-4、喷气端螺钉1-5、喷气端密封圈1-6和吸气端密封圈1-7。所述锥形吸气端1-1与辅助套筒1-3通过吸气端密封圈1-7气体密封；所述锥形吸气端1-1与辅助套筒1-3通过吸气端螺钉1-2螺纹连接。所述锥形喷气端1-4与辅助套筒1-3通过喷气端密封圈1-6进行气体密封；所述锥形喷气端1-4与辅助套筒1-3通过喷气端螺钉1-5螺纹连接。所述锥形吸气端1-1设置有吸气孔1-1-1，诱导外界气体由吸气孔1-1-1进入锥形吸气端1-1；所述锥形吸气端1-1设置有吸气端通孔1-1-2，诱导气体经由吸气端通孔1-1-2排出锥形吸气端1-1；所述锥形吸气端1-1设置有吸气端密封圈凹槽1-1-3，吸气端密封圈凹槽1-1-3用于安装吸气端密封圈1-7；所述锥形吸气端1-1设置有吸气端螺纹孔1-1-4，所述吸气端螺纹孔1-1-4与吸气端螺钉1-2与螺纹连接。所述辅助套筒1-3设置有吸气端套筒螺纹孔1-3-1，所述吸气端套筒螺纹孔1-3-1与吸气端螺钉1-2螺纹连接；所述辅助套筒1-3设置有进气孔1-3-2，压缩气体由进气孔1-3-2进入辅助套筒1-3；所述辅助套筒1-3设置有喷气端套筒螺纹孔1-3-3，所述喷气端套筒螺纹孔1-3-3与喷气端螺钉1-5螺纹连接。所述锥形喷气端1-4设置有喷气端连通孔1-4-1，混合气体由喷气端连通孔1-4-1进入锥形喷气端1-4；所述锥形喷气端1-4设置有锥形喷气口1-4-2，混合气体经由锥形喷气口1-4-2喷出微孔隙增流组件1；所述锥形喷气端1-4设置有喷气端螺纹孔1-4-3，喷气端螺钉1-5与喷气端螺纹孔1-4-3螺纹连接；所述锥形喷气端1-4设置有连接螺纹孔1-4-4；所述连接螺纹孔1-4-4与紧定螺钉2纹连接；所述锥形喷气端1-4设置有喷气端密封圈凹槽1-4-5，喷气端密封圈凹槽1-4-5用于安装喷气端密封圈1-6。
所述的涡流激振式发电组件3包括发电组件安装架3-1、压电发电元件3-2、谐振弹簧3-3和柱体挡流块3-4。所述发电组件安装架3-1设置有发电端螺纹固定孔3-1-1，所述发电端螺纹固定孔3-1-1通过紧定螺钉2与微孔隙增流组件1螺纹连接；所述发电组件安装架3-1设置有压电元件固定槽3-1-2；所述发电组件安装架3-1设置有固定连接孔3-1-3；所述发电组件安装架3-1设置有环形出气口3-1-4。所述压电发电元件3-2可通过环氧树脂AB胶与压电元件固定槽3-1-2胶粘连接；所述压电发电元件3-2之间连接有谐振弹簧3-3；所述压电发电元件3-2可将气体压力能转化为电能，并通过全桥整流电路对能量进行管理；该具体实施方式中压电发电元件3-2可采用哈尔滨芯明天公司和保定市宏声声学器厂家的压电陶瓷片PZT；该具体实施方式中压电发电元件3-2也可采用美国精量电子（深圳）有限公司的柔性强韧性压电发电元件PVDF。所述柱体挡流块3-4设置有压电元件固定槽3-4-1，所述压电元件固定槽3-4-1通过环氧树脂AB胶与压电发电元件3-2粘接。
所述微孔隙增流组件1中的锥形吸气端1-1设置有吸气孔1-1-1，所述吸气孔1-1-1的半径为R0，所述锥形吸气端1-1设置有吸气端通孔1-1-2，所述吸气端通孔1-1-2的半径为R1，吸气孔1-1-1与吸气端通孔1-1-2的半径比为E=R0/R1，E值满足的范围为1~1.5，通过调节E值可以改变外界气体进入吸气端通孔1-1-2的流速；本具体实施方式中E的取值为1.2。所述辅助套筒1-3设置有进气孔1-3-2，进气孔1-3-2的半径为R2，所述进气孔1-3-2半径、吸气孔1-1-1半径以及吸气端通孔1-1-2半径满足的关系为R0=R1+k R2，k取值满足的范围为0~0.3，通过调节k值可以改变流入吸气端通孔1-1-2中混合气体的流量和流速；本具体实施方式中k取值为0。所述锥形喷气端1-4设置有喷气端连通孔1-4-1，所述喷气端连通孔1-4-1的半径为R3，喷气端连通孔1-4-1与吸气端通孔1-1-2的半径比值为F=R3/R1，F值满足的范围为1.2~1.5，通过调节F值可以改变混合气体流入喷气端连通孔1-4-1中的流量；本具体实施方式中F的取值为1.2。所述喷气端连通孔1-4-1与进气孔1-3-2的半径比值为W=R3/R2，W值满足的具体范围为5~8，通过改变W值可以调节混合气体进入喷气端连通孔1-4-1的流量和流速；本具体实施方式中W的取值为6。所述锥形喷气口1-4-2的半径为R4，锥形喷气口1-4-2与喷气端连通孔1-4-1的半径比值为Y=R4/R3，Y值的取值范围为1~1.5，通过调节Y值可以改变混合气体的流速；本具体实施方式中Y的取值为1.2。所述的锥形吸气端1-1与锥形喷气端1-4之间的重合部分长度为a，a取值满足的范围为10~25 mm，通过调节a的值可以改变混合气体的流态；本具体实施方式中a的取值为25 mm。
所述的涡流激振式发电组件3中的发电组件安装架3-1设置有压电元件固定槽3-1-2，相邻两个压电元件固定槽3-1-2之间的中心距离为L，L值的取值范围满足10~20 mm，通过调节L值可以改变受风面积；本具体实施方式中L的取值15 mm。所述柱体挡流块3-4的半径为R，谐振弹簧3-3的自然原长为B，所述谐振弹簧3-3与压电元件固定槽3-1-2满足关系式L=B+ζ R，ζ值满足的范围为1~3之间；本具体实施方式中ζ值为2。所述涡流激振式发电组件3沿轴向布置有4n压电发电元件3-2，其中n为正整数；本具体实施方式中n值为5。所述柱体挡流块3-4的长度为h，h/R的取值范围介于1~6之间；本具体实施方式中h/R的取值为6。所述两个压电元件固定槽3-1-2之间中心距离为L，L与R的比值介于1~8之间；本具体实施方式中L与D的比值为6。
所述的全桥整流电路包括主要二极管（D6~D9）和电容C1。当增流气体从锥形喷气端1-4流出后，激励涡流激振式发电组件3，在正压电效应的作用下会产生正负交替周期性电信号，将产生的电信号通过导线连接到全桥整流电路的输入端。当产生正向电信号时，二极管D6和二极管D9导通构成闭合回路，电能可存储于电容C1中；当产生负向电信号时，二极管D7和二极管D8导通构成闭合回路，且整流后的电信号流向与二极管D6、二极管D9闭合回路电信号流向相同，因此电能仍存储于电容C1中。经过整流存储后的电能可经由C1流出到输出端对低功耗传感器进行供能。所述二极管（D6~D9）可以是NI 5408整流二极管，所述电容C1的电容量范围为100~1000 μF。
综合以上所述内容，本发明设计的压电俘能器可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气定向移动，并对诱导后的气体进行增速和增流，从锥形喷气端排出作用于与微孔隙增流组件相连接的涡流激振式发电组件进行能量转化。本发明设计的发电机可将气体流速和流量放大，进而可将发电效率提高3倍以上。在低功耗传感器、低功耗器件等低功耗电子设备供能的技术领域具有广泛的应用前景。
Claims (7)
1.一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于该用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器包括微孔隙增流组件（1）、紧定螺钉（2）和涡流激振式发电组件（3），微孔隙增流组件（1）通过紧定螺钉（2）与涡流激振式发电组件（3）螺纹连接；所述微孔隙增流组件（1）包括锥形吸气端（1-1）、吸气端螺钉（1-2）、辅助套筒（1-3）、锥形喷气端（1-4）、喷气端螺钉（1-5）、喷气端密封圈（1-6）和吸气端密封圈（1-7）；所述锥形吸气端（1-1）与辅助套筒（1-3）气体密封，锥形吸气端（1-1）与辅助套筒（1-3）螺纹连接；锥形喷气端（1-4）与辅助套筒（1-3）气体密封，锥形喷气端（1-4）与辅助套筒（1-3）螺纹连接；所述涡流激振式发电组件（3）包括发电组件安装架（3-1）、压电发电元件（3-2）、谐振弹簧（3-3）和柱体挡流块（3-4）；发电组件安装架（3-1）与压电发电元件（3-2）固定，压电发电元件（3-2）与谐振弹簧（3-3）连接，压电发电元件（3-2）与柱体挡流块（3-4）固定。
2.根据权利要求1所述的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于所述的锥形吸气端（1-1）设置有吸气孔（1-1-1）、吸气端通孔（1-1-2）、吸气端密封圈凹槽（1-1-3）和吸气端螺纹孔（1-1-4），吸气端螺纹孔（1-1-4）与吸气端螺钉（1-2）螺纹连接；所述辅助套筒（1-3）设置有吸气端套筒螺纹孔（1-3-1），吸气端套筒螺纹孔（1-3-1）与吸气端螺钉（1-2）螺纹连接；辅助套筒（1-3）设置有进气孔（1-3-2）和喷气端套筒螺纹孔（1-3-3），喷气端套筒螺纹孔（1-3-3）与喷气端螺钉（1-5）螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于所述锥形喷气端（1-4）设置有喷气端连通孔（1-4-1）、锥形喷气口（1-4-2）和喷气端螺纹孔（1-4-3）；喷气端螺纹孔（1-4-3）与喷气端螺钉（1-5）螺纹连接；锥形喷气端（1-4）设置有连接螺纹孔（1-4-4），连接螺纹孔（1-4-4）与紧定螺钉（2）螺纹连接；锥形喷气端（1-4）设置有喷气端密封圈凹槽（1-4-5）。
4.根据权利要求1所述的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于所述的发电组件安装架（3-1）设置有发电端螺纹固定孔（3-1-1），发电端螺纹固定孔（3-1-1）通过紧定螺钉（2）与微孔隙增流组件（1）螺纹连接；发电组件安装架（3-1）设置有压电元件固定槽（3-1-2）、固定连接孔（3-1-3）和环形出气口（3-1-4）；所述柱体挡流块（3-4）设置有压电元件固定槽（3-4-1），压电元件固定槽（3-4-1）与压电发电元件（3-2）固定。
5.根据权利要求1所述的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于所述吸气孔（1-1-1）半径为R0，吸气端通孔（1-1-2）半径为R1，吸气孔（1-1-1）与吸气端通孔（1-1-2）的半径比为E=R0/R1，E值满足的范围为1~1.5；所述喷气端连通孔（1-4-1）的半径为R3，喷气端连通孔（1-4-1）与吸气端通孔（1-1-2）的半径比为F=R3/R1，F值满足的范围为1.2~1.5。
6.根据权利要求1所述的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于所述的发电组件安装架（3-1）设置有压电元件固定槽（3-1-2），相邻两个压电元件固定槽（3-1-2）间的中心距离为L，L的范围为10~20 mm；所述柱体挡流块（3-4）半径为R，谐振弹簧（3-3）原长为B，谐振弹簧（3-3）与压电元件固定槽（3-1-2）满足关系L=B+ζ R，ζ满足的范围为1~3之间；柱体挡流块（3-4）长度为h，h/R的取值范围为2~6。
7.根据权利要求1所述的涡流激振式发电组件（3），其特征在于压电发电元件（3-2）选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。
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