CN106953542A - 一种机械位移极值开关及其在振动能量收集中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机械位移极值开关。本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的机械位移极值开关的应用。本发明相对传统只能检测振动的出现并会产生简单通知信号的振动开关，本发明可以有效检测位移的极值并产生开关动作；相对传统电子开关，本发明减少了电子元件，消减了器件损耗，降低了开关翻转门限电压阈值，并在较大振动范围内可以实现压电俘能器(PEH)中的位移极值检测及开关通断功能，大大地提高了振动能量收集的效能。在一组实验案例中，采用此机械同步开关界面电路(MSP‑SSHI)的PEH，在恒应变激励下，其收集功率相对于采用传统整流桥的PEH提高131％，相对采用电子同步开关界面电路(ESP‑SSHI)的PEH提高100％。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械位移极值开关及其在振动能量收集中的应用。
背景技术
随着低能耗电子技术的发展，一些无线传感器和便携式设备的能耗水平大幅降低，这使得收集环境中的振动能为这些无线器件供电成为可能。压电俘能器(piezoelectric energy harvester，简称为PEH)以其易集成、输出电压高、适用于低频振动等优点，成为最有前景的环境能量收集技术之一。
由于压电器件的电容特性，采用电感同步开关(synchronized switchharvesting on inductor，简称为SSHI)接口电路可以提高数倍的能量收集效率。这种SSHI电路需要检测电压的极值时刻并在此时刻控制开关动作使压电材料两端的电压在很短的时间内发生符号翻转。又因压电材料两端电压的极值处对应压电结构速度过零点，即位移极值点，所以位移极值检测开关成为实现SSHI的关键技术。
PCT专利WO 2007/063194A1采用无源电子元件实现这些检测和控制功能，逐渐发展成了自供型电子同步开关(electronic self-powered SSHI，简称为ESP-SSHI)。但是由于ESP-SSHI采用了很多二极管和三极管，从而带来了开关相位滞后，翻转参考电压增加，器件损耗增加等问题，从而限制了SSHI性能的完全发挥。
在现有的开关元器件中，机械振动开关(vibration sensor switch，VSS)可以在外界振动达到一定水平时发出简易信号，告知振动存在，但是它无法实现对小振幅下位移极值的检测，而且此种开关的电极会在外界振动下反复振荡，产生多次开关动作，所以不适合用作SSHI电路中的极值检测开关。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以检测振动位移极值的机械开关。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种机械位移极值开关，其特征在于，包括框架、设于框架上的摆杆、设于框架两侧端面上固定电极及下固定电极、电刷，摆杆在外部振动的作用下在上固定电极与下固定电极之间来回摆动，从而来回地与上固定电极及下固定电极相接触，当摆杆与上固定电极接触后，上固定电极与电刷接通，当摆杆与下固定电极接触后，下固定电极与电刷接通。
优选地，所述框架包括一对相互扣合的上盖板及下盖板，所述上固定电极及所述下固定电极分别固定在上盖板及下盖板上。
优选地，还包括轴及与轴过盈配合的轴承，所述上盖板与所述下盖板扣合后，将轴承固定在所述上盖板与所述下盖板之间。
优选地，所述摆杆的一端通过止动螺丝与轴连接固定，所述摆杆的另一端用于与所述上固定电极及所述下固定电极相接触。
优选地，所述轴为能够与所述电刷有良好接触的具有导电性的轴。
优选地，所述摆杆采用质量较轻的软质材料制成，例如塑料、铜泊、橡胶片等，还可以在摆杆上开镂空。
优选地，在所述摆杆内设有导电丝，或摆杆自身为导电材料，如铝质材料。
优选地，所述摆杆在垂直于振动方向的截面较宽。
优选地，在所述上固定电极及所述下固定电极触点下方垫有用于有效吸收所述摆杆振动的阻尼垫，避免在短时间内的多次开关动作。
本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的机械位移极值开关的应用，其特征在于，将上述的机械位移极值开关安装在压电悬臂梁的自由端，并将上述的机械位移极值开关运用到SSHI的电路当中。
本发明的有益效果：相对传统只能检测振动的出现并会产生开关振荡的振动开关，本发明可以有效检测位移的极值并产生开关动作；相对传统电子开关，本发明减少了电子元件，消减了器件损耗，降低的翻转参考电压阈值，并在较大振动范围内可以实现PEH中的位移极值检测及开关通断功能，自动实现SSHI控制，大大地提高了振动能量收集的效率。在一组实验案例中，采用自供能型机械同步开关(mechanical self-powered SSHI，简称为MSP-SSHI)的PEH，在恒应变激励下，其收集功率相对于采用传统整流桥的PEH提高131％，相对采用ESP-SSHI方案的PEH提高100％。
附图说明
图1A至图1C为本发明提供的一种机械位移极值开关的结构示意图；
图2A及图2B为采用本发明的压电俘能器的示意图；
图3为采用ESP-SSHI的PEH与采用MSP-SSHI的PEH的电压波形；
图4为压电悬臂梁在输出开路电压恒定时(即恒应变)，采用标准整流桥电路(SEH)，ESP-SSHI以及MSP-SSHI三种功率调理方案的输出功率的比较。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
由于传统电子同步开关会产生开关相位滞后，翻转参考电压增加，器件损耗增加等问题，而通用机械振动开关无法检测振动位移极值。为实现对位移极值的检测，实现SSHI技术功能，提高能量收集效率，本发明提供了一种可以检测振动位移极值的机械开关及其在SSHI技术中的应用方案。
结合图1A至图1C，本发明提供的一种机械位移极值开关包括：
1.下盖板，2.上盖板，3.轴，4.螺栓1×4只，5.螺栓2×4只，6.轴承×2，7.止动螺栓，8.轴承盖×2，9.摆杆，10.螺母×4，11.上固定电极，12.下固定电极，13.电刷。
轴3与轴承6过盈配合，轴承6与上下盖板1、2过渡配合，摆杆9和轴3通过止动螺栓7配合，上下固定电极11、12通过粘接方式与上下盖板1、2连接，上下盖板1、2通过四个螺栓5和螺母10连接，轴承盖8通过四个螺栓4与上下盖板1、2连接。
在本实施例中，由上下盖板1、2组成的框架由ABS材料3D打印而成，尺寸为：40×20×8mm。上下固定电极11、12为导电铜箔且下方胶接有3M VHB材料的缓冲垫。电刷13通过轴3与摆杆9相连。
本发明提供的机械位移极值开关可以应用在如图2A及图2B所示的压电俘能器中，由位移极值开关、压电悬臂梁及整流电路组成，连接关系如图2A及图2B所示。在上述压电俘能器中，本发明的工作过程为：
将机械开关固定到需要极值检测的位置后，检测点振动时，机械开关中的摆杆9和与其刚性连接的轴3将会绕着轴承6进行转动，转动一定角度后摆杆9的末端将与上固定电极11(或下固定电极12)接触并且短暂停止摆动，此时电刷13通过导电性良好的轴3以及导电性良好的摆杆9与上固定电极11(或下固定电极12)接通。随着检测点处的振动，摆杆9将离开上固定电极11(或下固定电极12)并向下固定电极11(或上固定电极12)摆动过去并最终与其接触，实现电刷13与下固定电极11(或上固定电极12)的接通。随着振动的进行，摆杆9在上下两片固定电极11，12之间随着外界(被测点)的振动幅度和频率的变化而相应的来回摆动并实现了单刀双掷开关的功能。从而从结构上实现极值点检测功能。
图3比较了采用ESP-SSHI的PEH与采用MSP-SSHI的PEH的电压波形。图中Zr1为压电悬臂梁的相对位移波形，Zr1与压电换能器的开路电压成正比，其中ESP-SSHI和MSP-SSHI的波形为压电双晶片的其中一个压电片分别连接ESP-SSHI和MSP-SSHI时的电压波形。从MSP-SSHI的电压波形图可以看出，机械位移极值开关可以检测位移的极值，并实现SSHI的功能，其开关时刻与位移(电压)最大值时刻的相位差小于ESP-SSHI的相位差。此外，由于MSP-SSHI减少了器件损耗及开关阈值压降，其电压幅值比ESP-SSHI高，这预示着MSP-SSHI的收集功率将高于ESP-SSHI。
图4比较了在压电悬臂梁输出开路电压恒定时(即恒应变)，采用标准整流桥电路(SEH)，ESP-SSHI以及MSP-SSHI三种方案的输出功率。由图中可以看出，MSP-SSHI收集功率高于SEH和ESP-SSHI，在开路电压为40V时，其收集功率相对于采用传统整流桥的PEH提高131％，相对采用ESP-SSHI方案的PEH提高100％。
Claims (10)
1.一种机械位移极值开关，其特征在于，包括框架、设于框架上的摆杆(9)、设于框架两侧端面上固定电极(11)及下固定电极(12)、电刷(13)，摆杆(9)在外部振动的作用下在上固定电极(11)与下固定电极(12)之间来回摆动，从而来回地与上固定电极(11)及下固定电极(12)相接触，当摆杆(9)与上固定电极(11)接触后，上固定电极(11)与电刷(13)接通，当摆杆(9)与下固定电极(12)接触后，下固定电极(12)与电刷(13)接通。
2.如权利要求1所述的一种机械位移极值开关，其特征在于，所述框架包括一对相互扣合的上盖板(2)及下盖板(1)，所述上固定电极(11)及所述下固定电极(12)分别固定在上盖板(2)及下盖板(1)上。
3.如权利要求2所述的一种机械位移极值开关，其特征在于，还包括轴(3)及与轴(3)过盈配合的轴承(6)，所述上盖板(2)与所述下盖板(1)扣合后，将轴承(6)固定在所述上盖板(2)与所述下盖板(1)之间。
4.如权利要求3所述的一种机械位移极值开关，其特征在于，所述摆杆(9)的一端通过止动螺丝(7)与轴(3)连接固定，所述摆杆(9)的另一端用于与所述上固定电极(11)及所述下固定电极(12)相接触。
5.如权利要求3所述的一种机械位移极值开关，其特征在于，所述轴(3)为能够与所述电刷有良好接触的具有良好导电性的轴(3)。
6.如权利要求1所述的一种机械位移极值开关，其特征在于，所述摆杆(9)采用质量较轻的软质材料制成。
7.如权利要求6所述的一种机械位移极值开关，其特征在于，在所述摆杆(9)内设有导电丝。
8.如权利要求1所述的一种机械位移极值开关，其特征在于，所述摆杆(9)在垂直于振动方向的截面较宽。
9.如权利要求1所述的一种机械位移极值开关，其特征在于，在所述上固定电极(11)及所述下固定电极(12)下方垫有能够有效吸收所述摆杆(9)振动的阻尼垫。
10.一种如权利要求1所述的机械位移极值开关的应用，其特征在于，将如权利要求1所述的机械位移极值开关设置在压电悬臂梁的自由端，并将如权利要求1所述的机械位移极值开关设计连接整流电路。
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