CN108540013B - 一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，包括支撑底座、夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路和能量管理单元；集能器包括压电元件、悬臂梁、第一质量块；幅值检测机构包括开关悬臂梁、轻弹簧、第二质量块；系统接口电路分别通过导线与压电元件和能量管理单元相连，系统接口电路分别通过导线与第一质量块和轻弹簧的接触点连接。本发明采用了同步开关电感回收技术(SSHI)，克服了原有电子开关需要额外的电子元件控制且消耗电能和机械开关不能适应振幅变化在幅值的正负极值处自动闭合的缺点；结构简单、可靠，能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通同步开关切换能量回收装置，具有广泛的运用前景。
Description
技术领域
本发明属于压电能量回收领域，特别涉及一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置。
背景技术
无线传感器在大量研究人员的努力下一直飞速发展，已经广泛应用在医疗健康、结构监测与诊断、工业和农业生产、智能交通等领域。目前，大多数的无线传感器均采用电池供电的方式，考虑到电池替换的维护成本以及很多无法更换电池的应用场合，其使用寿命很大程度上受制于电池所能提供的能量，严重影响了无线传感器网络的可靠性和经济性。
能量回收，即从环境中回收太阳能、热能、电磁辐射能、振动机械能等转化为电能，供给无线传感器使用，为解决电池对无线传感器的应用所带来的限制提供了一个很好的方案。回收环境中的能量给无线传感器供电由许多种回收方式，根据不同的换能机制，回收装置可分为利用压电效应的压电回收装置、利用电磁感应的电磁回收装置、利用静电感应的静电回收装置等。其中压电能量回收是一种重要的能量回收方式。
并联同步开关电感回收法(SSHI技术)，基本原理是将全波整流方法与旁路开关电感相结合而产生新方法，在压电元件两端并联同步开关电感，同步开关电感的作用是将压电片的电压反向，以增大压电片的开路输出电压，压电片的能量仍然通过整流电桥和滤波电容等进行回收。在一般情形下，运用SSHI技术需要检测集能器的位移幅值，一般需要在装置上附加传感装置，并进行专门的信号处理获得，需要引入额外的电路处理单元。一方面，这带来了额外的成本和复杂度的上升，另一方面，在一些特定的低功耗和电磁环境复杂的场合，应用受到限制。
目前，同步开关主要有电子开关和机械开关两种，电子开关通过电路来检测压电元件位移幅值的正负极值点，然后控制电子开关打开，但是由于控制电路自身会消耗一部分能量，会造成采集效率降低。现有的机械开关有很大局限性，而普通机械开关适应范围窄，不能适应振幅变化在幅值的正负极值处自动闭合，且切换时间有较大的延迟或提前，采集效率不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、性能可靠，能够自适应不同激励情况的同步开关电荷翻转，能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通机械开关能量采集器的具有自适应机械开关的压电能量回收装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，包括支撑底座、用于固定压电悬臂梁集能器和幅值检测机构的夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路和能量管理单元；
所述夹具包括依次设置在支撑底座上的第一夹具、第二夹具、第三夹具和第四夹具；其中，第一夹具和第四夹具形状相同且对称设置，第二夹具和第三夹具形状相同且对称设置；
所述压电悬臂梁集能器包括压电悬臂梁、压电元件和第一质量块，压电悬臂梁一端固定在第二夹具与第三夹具之间，压电悬臂梁靠近夹具一端的侧面上紧贴有压电元件；所述幅值检测机构包括两个开关悬臂梁、轻弹簧、第二质量块，两个开关悬臂梁分别固定在第一夹具与第二夹具、第三夹具与第四夹具之间；
压电悬臂梁的两个侧面分别设有一个第一质量块；开关悬臂梁朝向压电悬臂梁一侧与第一质量块相对应的位置设有轻弹簧，轻弹簧与第一质量块能够相互接触；开关悬臂梁背向压电悬臂梁的一侧与轻弹簧相对应的位置设有第二质量块；
第一质量块和对应的轻弹簧组成系统接口电路的机械开关，第一质量块和对应的轻弹簧分别作为该机械开关的两个电极；
所述系统接口电路和能量管理单元安装在支撑底座上，系统接口电路分别通过导线与压电元件、能量管理单元和机械开关连接。
进一步地，所述夹具与振动源固定连接，所述压电悬臂梁使用金属材料制成，压电悬臂梁的固有频率远大于开关悬臂梁的固有频率。
进一步地，所述压电能量回收装置包括两个机械开关，每个机械开关分别采用第一质量块和对应的轻弹簧作为电极，当轻弹簧与对应的第一质量块接触时，该机械开关闭合；系统接口电路分别与第一质量块和轻弹簧相连。
进一步地，所述系统接口电路包括电容C1、电感L和六个二极管；其中，二极管D3、D5串联，二极管D4、D6串联，二极管D5、D6的正极并联，二极管D3、D4的负极并联，两个并联端分别与电容C1和能量管理单元并联；
二极管D3的正极连接压电悬臂梁一端，压电元件通过导线与二极管D4的正极和电感L的一端相连，电感L的另一端分别连接二极管D1的负极和D2的正极，二极管D1的正极和D2的负极分别通过导线与两个机械开关相连。
进一步地，所述第一质量块为长方体结构，轻弹簧为弧形结构，第一质量块和轻弹簧采用导电材料制成或者第一质量块和轻弹簧的表面覆盖导电材料，轻弹簧与第一质量块的接触面相切。
进一步地，所述开关悬臂梁对称设置于压电悬臂梁两侧，其中一个开关悬臂梁能够跟随第一质量块在正方向上的运动，另一个开关悬臂梁能够跟随第一质量块在负方向上的运动。
进一步地，所述第一质量块设置在压电悬臂梁远离夹具的一端，第一质量块与压电悬臂梁之间能够良好导电。
进一步地，所述轻弹簧在初始状态下与第一质量块零距离接触，两个机械开关均闭合。
本发明的有益效果是：本发明的回收装置结构简单、性能可靠，运用于振动能量回收时，机械开关切换电流方向不需要消耗额外电能，且自适应机械开关能在不同的激励不同的振幅条件下稳定工作，能够自适应不同激励情况的同步开关电荷翻转，因此能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通机械开关能量采集器，所采集到的电能可给微型传感器等元件供电，能够提高集能器的能量采集效率，同时简化幅值检测，省略相关的专门信号处理单元，降低成本。
附图说明
图1为本发明的压电能量回收装置的结构示意图；
图2为本发明的压电能量回收装置整体电路图；
图3为本发明的压电能量回收装置轻弹簧和第一质量块局部放大图；
图4为本发明的机械开关(S1、S2)的工作状态图；
图5为本发明的压电元件的开路电压与位移的关系图；
附图标记说明：1-支撑底座，2-第一夹具，3-第二夹具，4-第三夹具，5-第四夹具，6-压电元件，7-压电悬臂梁，8开关悬臂梁，9-轻弹簧，10-第一质量块，11-第二质量块，12-系统接口电路，13-能量管理单元。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1和图2所示，一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，包括支撑底座1、用于固定压电悬臂梁集能器和幅值检测机构的夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路(图2中的12)和能量管理单元(图2中的13)；
所述夹具包括依次设置在支撑底座1上的第一夹具2、第二夹具3、第三夹具4和第四夹具5；其中，第一夹具2和第四夹具5形状相同且对称设置，第二夹具3和第三夹具4形状相同且对称设置；
所述压电悬臂梁集能器包括压电悬臂梁7、压电元件6和第一质量块10，压电悬臂梁7一端固定在第二夹具3与第三夹具4之间，压电悬臂梁7靠近夹具一端的侧面上紧贴有压电元件6；所述幅值检测机构包括两个开关悬臂梁8、轻弹簧9、第二质量块11，两个开关悬臂梁8分别固定在第一夹具2与第二夹具3、第三夹具4与第四夹具5之间；
压电悬臂梁7的两个侧面分别设有一个第一质量块10；开关悬臂梁8朝向压电悬臂梁7一侧与第一质量块10相对应的位置设有轻弹簧9，轻弹簧9与第一质量块10能够相互接触；开关悬臂梁8背向压电悬臂梁7的一侧与轻弹簧9相对应的位置设有第二质量块11；
第一质量块10和对应的轻弹簧9组成系统接口电路的机械开关，第一质量块10和对应的轻弹簧9分别作为该机械开关的两个电极；
所述系统接口电路和能量管理单元安装在支撑底座1上，系统接口电路分别通过导线与压电元件6、能量管理单元和机械开关连接。
所述夹具与振动源固定连接，所述压电悬臂梁7使用金属材料制成，压电悬臂梁7的固有频率远大于开关悬臂梁8的固有频率。
进一步地，所述压电能量回收装置包括两个机械开关，每个机械开关分别采用第一质量块10和对应的轻弹簧9作为电极，当轻弹簧9与对应的第一质量块10接触时，该机械开关闭合；系统接口电路分别与第一质量块10和轻弹簧9相连。
如图2所示，本发明的系统接口电路包括电容C1、电感L和六个二极管；其中，二极管D3、D5串联，二极管D4、D6串联，二极管D5、D6的正极并联，二极管D3、D4的负极并联，两个并联端分别与电容C1和能量管理单元并联；
二极管D3的正极连接压电悬臂梁一端，压电元件6通过导线与二极管D4的正极和电感L的一端相连，电感L的另一端分别连接二极管D1的负极和D2的正极，二极管D1的正极和D2的负极分别通过导线与两个机械开关相连。
进一步地，所述第一质量块10为长方体结构，轻弹簧9为弧形结构，第一质量块10和轻弹簧9采用导电材料制成或者第一质量块10和轻弹簧9的表面覆盖导电材料，轻弹簧9与第一质量块10的接触面相切，如图3所示。
进一步地，所述开关悬臂梁8对称设置于压电悬臂梁两侧，其中一个开关悬臂梁8能够跟随第一质量块10在正方向上的运动，另一个开关悬臂梁8能够跟随第一质量块10在负方向上的运动。
进一步地，所述第一质量块10设置在压电悬臂梁7远离夹具的一端，第一质量块10与压电悬臂梁7之间能够良好导电。
进一步地，所述轻弹簧9在初始状态下与第一质量块10零距离接触，两个机械开关均闭合。
在本实施例中，支撑底座1位于四块夹具下方，四块夹具、压电悬臂梁集能器(6、7、10)和幅值检测机构(8、9、11)的一端固结在夹具上，夹具固定在支撑底座1上。需要说明的是，支撑底座1的形状与设置方向并没有特殊的限制，可根据实际情况及设计需求进行相应的设计，只要满足支撑固定作用即可。显然，压电悬臂梁集能器(6、7、10)与夹具之间、幅值检测机构(8、9、11)与夹具之间、四块夹具与支撑底座1之间采用任何固定连接的方式均可。压电悬臂梁7使用高固有频率的梁，理论上压电悬臂梁7的固有频率越高，开关悬臂梁8的固有频率越低，能量采集效果越好。此外，第一质量块10位于压电悬臂梁7的末端两侧，第一质量块10位于压电悬臂梁7的具体方向、摆放位置并没有特殊的限制，也可以位于压电悬臂梁7的根部和压电悬臂梁7中部等位置均可，只要第一质量块10能够与轻弹簧9对应接触即可。
进一步值得说明的是，幅值检测机构(8、9、11)可以形状相同且完全对称，也可以非对称和不同形状，开关悬臂梁8的形状是否对称、相同对本发明没有实质性的影响，开关悬臂梁8的材料没有特别的限制，当其使用金属材料时注意与压电悬臂梁7绝缘即可，导线连接时，一般连接在悬臂梁的根部，也可根据实际情况更改连接位置，只要能够导通即可。本发明的发明点在于开关悬臂梁8的刚度与其末端第二质量块11没有具体限制，只要满足其固有频率远小于压电悬臂梁7的固有频率即可；轻弹簧9具有一定柔性，例如橡胶、硅胶等材料，为保证导电性能，可使用导电材料，也可在其他材料上附一层导电材料。本例中压电悬臂梁集能器(6、7、10)与幅值检测机构(8、9、11)均采用悬臂梁结构，但本发明并不局限于此种结构，可根据实际需求进行相应的设计。至于具体上压电悬臂梁7、开关悬臂梁8、轻弹簧9的形状、大小均没有特殊的限制，可根据实际情况进行相应的设计。压电悬臂梁7、幅值检测机构(8、9、11)安装的相对位置不限于此种安装方式，根据实际需求或电路连接情况进行设计。
本发明的工作原理为：初始状态时，在外界激励较高频率作用下，压电悬臂梁7处于共振状态，并发生高频振动，而此时远离开关悬臂梁8的固有频率，开关悬臂梁8几乎没有振动，当压电悬臂梁7向正方向运动时，第一质量块10与机械开关S1的轻弹簧9接触，由于轻弹簧9具有一定柔性作为缓冲，在压电悬臂梁7的作用下开关悬臂梁8不会立即弹开，实现共同运动，达到位移幅值的正极值点后反向运动时，第一质量块10电极与轻弹簧9弧形电极分离，由于开关悬臂梁8的固有频率远低于压电悬臂梁7的共振频率，回弹速度较慢，这样在下一次压电悬臂梁7运动到该位移幅值的极值点附近时，轻弹簧9基本保持在上一次与压电悬臂梁7接触的位置，即压电悬臂梁7位移幅值的极值点附近与质量块10接触，使机械开关(图2中等效表示为S1、S2)闭合，电流反转，分离点与上次分离位置也几乎相同，负方向开关悬臂梁8的运动也是如此，最终机械开关(S1、S2)实现在压电悬臂梁7位移幅值的极值点附近打开与闭合(如图4所示)，在电感线圈L的作用下，短时间内完成电流反向的反转，储存在压电元件6的电容C0之中，当压电元件6所生成的电压反向后，新产生的电压与之前反转后储存在C0中的电压叠加，然后再通过整流电流输出到电容器C1中，再通过能量管理单元13给传感元件供电，压电元件的开路电压与位移的关系图如图5所示。下一个周期亦是如此，这样就大幅度提高了电能的利用率。当外界加速度或频率改变时，压电悬臂梁7位移幅值减小或增大，在开关悬臂梁8的刚度作用下，开关悬臂梁8的位移幅值一起减小或增大，这就保证了机械开关(8、9、10)良好的自适应性，从而实现机械开关(S1、S2)自适应开启与闭合的目的。
本发明所提出的一种集成自适应机械开关的压电振动能量回收装置能够实现同步开关电荷翻转，根据压电悬臂梁的固有频率远高于开关悬臂梁的固有频率，轻弹簧组合受压电悬臂梁撞击后，开关悬臂梁基本保持当前位移幅值不变的原理，即在外界激励作用下，压电悬臂梁在固有频率附近产生明显的振动，而此时远离开关悬臂梁的固有频率，开关悬臂梁几乎没有振动，主要受压电悬臂梁的推力，而且由于轻弹簧有一定的柔性作为缓冲，在压电悬臂梁的作用下开关悬臂梁不会立即弹开，实现共同运动，达到幅值的极值点之后反向运动时，质量块电极与轻弹簧弧形电极分离，由于开关悬臂梁的固有频率远低于压电悬臂梁的共振频率，回弹速度较慢，这样在下一次压电悬臂梁运动到该幅值的极值附近时，轻弹簧基本保持在上一次与压电悬臂梁接触的位置，即压电悬臂梁位移幅值的正负极值附近与质量块接触，使机械开关闭合，电流反转，最大限度提高电荷的利用率。这样，幅值检测机构带动轻弹簧弧形电极自动适应并保持在质量块位移幅值的正负极值点附近，实现机械开关的闭合与断开。该装置结构简单、可靠，运用于振动能量回收时，由于机械开关切换电流方向不需要消耗额外电能，且自适应机械开关能在不同的激励不同的振幅条件下稳定工作，因此能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通机械开关能量采集器，所采集到的电能可给微型传感器等元件供电。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：包括支撑底座(1)、用于固定压电悬臂梁集能器和幅值检测机构的夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路和能量管理单元；
所述夹具包括依次设置在支撑底座(1)上的第一夹具(2)、第二夹具(3)、第三夹具(4)和第四夹具(5)；其中，第一夹具(2)和第四夹具(5)形状相同且对称设置，第二夹具(3)和第三夹具(4)形状相同且对称设置；
所述压电悬臂梁集能器包括压电悬臂梁(7)、压电元件(6)和第一质量块(10)，压电悬臂梁(7)一端固定在第二夹具(3)与第三夹具(4)之间，压电悬臂梁(7)靠近夹具一端的侧面上紧贴有压电元件(6)；所述幅值检测机构包括两个悬臂梁(8)、轻弹簧(9)、第二质量块(11)，两个悬臂梁(8)分别固定在第一夹具(2)与第二夹具(3)、第三夹具(4)与第四夹具(5)之间；
压电悬臂梁(7)的两个侧面分别设有一个第一质量块(10)；悬臂梁(8)朝向压电悬臂梁(7)一侧与第一质量块(10)相对应的位置设有轻弹簧(9)，轻弹簧(9)与第一质量块(10)能够相互接触；悬臂梁(8)背向压电悬臂梁(7)的一侧与轻弹簧(9)相对应的位置设有第二质量块(11)；
第一质量块(10)和对应的轻弹簧(9)组成系统接口电路的机械开关，第一质量块(10)和对应的轻弹簧(9)分别作为该机械开关的两个电极；
所述系统接口电路和能量管理单元安装在支撑底座(1)上，系统接口电路分别通过导线与压电元件(6)、能量管理单元和机械开关连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：所述夹具与振动源固定连接，所述压电悬臂梁(7)使用金属材料制成，压电悬臂梁(7)的固有频率远大于悬臂梁(8)的固有频率。
3.根据权利要求1所述的一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：所述压电能量回收装置包括两个机械开关，每个机械开关分别采用第一质量块(10)和对应的轻弹簧(9)作为电极，当轻弹簧(9)与对应的第一质量块(10)接触时，该机械开关闭合；系统接口电路分别与第一质量块(10)和轻弹簧(9)相连。
4.根据权利要求3所述的一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：所述系统接口电路包括电容C1、电感L和六个二极管；其中，二极管D3、D5串联，二极管D4、D6串联，二极管D5、D6的正极并联，二极管D3、D4的负极并联，两个并联端分别与电容C1和能量管理单元并联；
二极管D3的正极连接压电悬臂梁一端，压电元件(6)通过导线与二极管D4的正极和电感L的一端相连，电感L的另一端分别连接二极管D1的负极和D2的正极，二极管D1的正极和D2的负极分别通过导线与两个机械开关相连。
5.根据权利要求1所述的一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：所述第一质量块(10)为长方体结构，轻弹簧(9)为弧形结构，第一质量块(10)和轻弹簧(9)采用导电材料制成或者第一质量块(10)和轻弹簧(9)的表面覆盖导电材料，轻弹簧(9)与第一质量块(10)的接触面相切。
6.根据权利要求1所述的一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：所述悬臂梁(8)对称设置于压电悬臂梁两侧，其中一个悬臂梁(8)能够跟随第一质量块(10)在正方向上的运动，另一个悬臂梁(8)能够跟随第一质量块(10)在负方向上的运动。
7.根据权利要求1所述的一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：所述第一质量块(10)设置在压电悬臂梁(7)远离夹具的一端，第一质量块(10)与压电悬臂梁(7)之间能够良好导电。
8.根据权利要求1所述的一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：所述轻弹簧(9)在初始状态下与第一质量块(10)零距离接触，两个机械开关均闭合。
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