CN110350822A - 一种脚部机械能采集装置及其采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脚部机械能采集装置，包括矩形安装架，沿安装架的中心轴依次设置有圆柱形通孔和U型空腔，通孔内设置有压块，空腔内设置有U型板，U型板的横板设置在安装架底部，压块底部依次设置有第一磁极，和压电薄膜，压电薄膜的下表面设置有第一电极，第一电极设置在U型板的竖板端部，U型板的横板内表面依次设置有第二电极和摩擦薄膜，第一电极和第二电极均连接有导线，安装架设置有导线引出孔，且引出导线，U型板的底部安装有横截面为工字型的底板，底板的竖杆上缠绕有电磁感应线圈，底板的底部粘贴有第二磁极。本发明还公开上述采集装置的采集方法，通过压电薄膜、摩擦薄膜及电磁感应线圈的相互作用，将人体脚部的机械能转化成电能。
Description
技术领域
本发明属于机械转化技术领域，具体涉及一种脚部机械能采集装置，本发明还涉及上述脚部机械能采集装置的采集方法。
背景技术
智能可穿戴电子器件是新兴的一类智能产品。目前，智能可穿戴电子器件和无线传感器的供电主要是依靠锂离子电池，但是由于其寿命有限，还存在污染环境的潜在风险，使得智能可穿戴产品和无线传感器的发展受到一定的影响。
人体具有充沛的能量，从人体运动收集的生物机械能完全可以用来代替电池给智能可穿戴电子器件和无线传感供电。但是，利用人体能量时，不能做其他工作，而且能量转换不能持续，因此迫切需要设计一种利用人体日常行动产生能量的设备，实现将机械能转化为电能，并对智能可穿戴产品和无线传感器持续供电。
发明内容
本发明的目的是提供一种脚部机械能采集装置，解决了现有技术中存在的智能可穿戴电子器件的供电器件寿命短、污染环境、人体能量转换难以持久的问题。
本发明的另一目的是提供上述采集装置的制造方法。
本发明所采用的技术方案是，一种脚部机械能采集装置，包括矩形安装架，沿安装架的中心轴依次设置有圆柱形通孔和U型空腔，空腔的开口端朝向安装架底部，通孔内设置有与之相匹配的压块，空腔内设置有与之相匹配的U型板，U型板的横板设置在安装架底部，压块底部设置有第一磁极，第一磁极的底部接触有压电薄膜，压电薄膜的下表面设置有第一电极，第一电极设置在U型板的竖板端部，U型板的横板内表面依次设置有第二电极和摩擦薄膜，第一电极和第二电极均连接有导线，安装架设置有导线引出孔，导线均通过导线引出孔引出，U型板的底部安装有横截面为工字型的底板，底板的竖杆上缠绕有电磁感应线圈，底板的底部粘贴有第二磁极。
本发明的特点还在于：
压块的顶部设置有圆柱形凸块，凸块与压块同轴线，凸块的直径不大于压块的直径。
第一磁极与第二磁极均为圆柱形磁铁片，第一磁极与第二磁极的同极相对设置。
第一电极为铝电极，且为正极；第二电极为铜电极，且为负极。
压电薄膜的上、下表面均粘贴有至少一个第三电极，两个第三电极均设置有导线，导线通过导线引出孔引出，两个第三电极的外侧均设置有衬底，两个衬底分别与第一磁极和第一电极相接触，衬底为聚酰亚胺薄膜。
第三电极包括铝电极或者导电银浆。
压电薄膜、第三电极及衬底均为矩形状，第三电极的长度和宽度均小于压电薄膜的长度和宽度，压电薄膜的长度小于衬底的长度，压电薄膜的宽度与衬底的宽度相同。
U型板为亚克力板。
本发明所采用的另一技术方案是，上述脚部机械能采集装置的采集方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、第三电极的导线连接有全波桥式二极管整流电路a的接线端口；第一电极和第二电极的导线分别连接有全波桥式二极管整流电路b接线端口；电磁感应线圈连接有全波桥式二极管整流电路c接线端口；
步骤2、将步骤1的采集装置放置到人体脚部，行走时，脚部下压凸块，带动压块下压至压电薄膜，压电薄膜产生形变，通过第三电极将电荷传输到全波桥式二极管整流电路a，同时，第一电极与摩擦薄膜相接触，第一电极和第二电极均将电荷传输到全波桥式二极管整流电路b；
步骤3压块继续下压，直至第一磁极靠近第二磁极，电磁感应线圈内产生正向感应电流，电磁感应线圈将电荷传输到全波桥式二极管整流电路c；
步骤4、脚部抬起，第一磁极与第二磁极相斥，带动压块逐渐弹起，第一电极和摩擦薄膜分离，同时，压电薄膜恢复形变；
步骤5、压块弹回至初始位置，第三电极、第一电极、第二电极及电磁感应线圈均停止电荷输出，此时，完成一个循环的电能储存，重复步骤2～4，采集装置将人体脚部的机械能转化成电能。
本发明的特点还在于：
全波桥式二极管整流电路a、全波桥式二极管整流电路b和全波桥式二极管整流电路c结构相同。
本发明的有益效果是：
本发明一种脚部机械能采集装置，采用第一磁极与第二磁极代替传统的弹簧-质量块模型，通过压块的往复运动来实现压电薄膜由形变到恢复、摩擦层即第一电极、摩擦薄膜及第二电极由接触到分离、电磁感应线圈磁通量变化3种方式将人体脚部的机械能转化成电能；本发明一种脚部机械能采集装置中的U型板可将压电薄膜和摩擦摩擦层集成在一起，极大地缩小了空间，使装置便于安装在脚底；本发明一种脚部机械能采集装置，结构简单、成本低、能量转化效率高。
附图说明
图1是本发明一种脚部机械能采集装置的剖视图；
图2是本发明一种脚部机械能采集装置的结构示意图；
图3是本发明压电薄膜输出的电压波形图；
图4是本发明摩擦薄膜输出的电压波形图；
图5是本发明电磁感应线圈输出的电压波形图；
图6是本发明全波桥式二极管整流电路图。
图中，1.压块，2.安装架，3.第一磁极，4.压电薄膜，5.第一电极，6.底板，7.电磁感应线圈，8.第二电极，9.摩擦薄膜，10.U型板，11.第二磁极，12.第三电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种脚部机械能采集装置，如图1、2所示，包括矩形安装架2，沿安装架2的中心轴依次设置有圆柱形通孔和U型空腔，空腔的开口端朝向安装架2底部，通孔内设置有与之相匹配的压块1，空腔内设置有与之相匹配的U型板10，其中，U型板10为亚克力板；U型板10的横板设置在安装架2底部，压块1底部设置有第一磁极3，第一磁极3的底部接触有压电薄膜4，压电薄膜4的下表面设置有第一电极5，第一电极5设置在U型板10的竖板端部，U型板10的横板内表面依次设置有第二电极8和摩擦薄膜9，第一电极5和第二电极8均连接有导线，安装架2本体设置有导线引出孔，导线均通过导线引出孔引出，U型板10的底部安装有横截面为工字型的底板6，底板6的竖杆上缠绕有电磁感应线圈7，底板6的底部粘贴有第二磁极11；第一磁极3与第二磁极11均为圆柱形磁铁片，第一磁极3与第二磁极11的同极相对设置。
其中，压块1的顶部设置有圆柱形凸块，凸块与压块1同轴线，凸块的直径不大于压块1的直径；第一电极5为铝电极，且为正极，第二电极8为铜电极，且为负极；压电薄膜4的上、下表面均粘贴有至少一个第三电极12，第三电极12包括铝电极或者导电银浆，两个第三电极12均设置有导线，导线通过导线引出孔引出，两个第三电极12的外侧均设置有衬底，两个衬底分别与第一磁极3和第一电极5相接触，其中，衬底为聚酰亚胺薄膜。
压电薄膜4、第三电极12及衬底均为矩形状，第三电极12的长度和宽度均小于压电薄膜4的长度和宽度，压电薄膜4的长度小于衬底的长度，压电薄膜4的宽度与衬底的宽度相同。
本发明一种脚部机械能采集装置中主要部件的作用分别如下：
压块1：压块1的下压动作确保了压电薄膜4的充分形变，同时，也使第一电极5和摩擦薄膜9充分接触，为电荷的有效转移提供基础；
第三电极12：其为压电薄膜4的表面电极，用于压电薄膜4产生形变的电荷传输的媒介；
衬底：衬底是压电薄膜4的基板，使压电薄膜4在弯曲或释放期间在其整个体积中具有压缩或拉伸应力，提高了施加在压电薄膜4中的有效应变水平，并且在压块1被弹起后将压电薄膜4的形状恢复到原始状态。
本发明一种脚部机械能采集装置，其工作原理如下：
将第三电极12的导线与全波桥式二极管整流电路a的接线端口相连接，第一电极5和第二电极8的导线分别与全波桥式二极管整流电路b的接线端口相连接，电磁感应线圈7与全波桥式二极管整流电路c的接线端口相连接；再将脚部机械能采集装置放置到脚跟；
人体脚部下压时带动压块1下降，进而使压电薄膜4产生形变，压电薄膜4的正向电位逐渐增大，将电荷通过第三电极12输送到全波桥式二极管整流电路a进行储存，当压电薄膜4下压到位时，第一电极5和摩擦薄膜9之间的物理接触使电子从第一电极5转移向摩擦薄膜9，此时，第一电极5带有正电荷，摩擦薄膜9带有负电荷；第一电极5和第二电极8将电荷输送到全波桥式二极管整流电路b进行存储，第一磁极3随着压块1的下降逐渐靠近电磁感应线圈7，使电磁感应线圈7内产生正向感应电流，将电荷输送到全波桥式二极管整流电路c进行存储；
当人体脚部抬起时，第一磁极3与第二磁极11之间的斥力使压块1被弹回，此时，第一电极5与摩擦薄膜9发生分离，依据静电感应原理，第二电极8感应出正电荷，同时，压电薄膜4恢复形变，压电薄膜4产生反向电位，第一磁极3远离电磁感应线圈7，使电磁感应线圈7产生反向感应电流；当压块1弹回至初始位置时，第三电极12、第一电极5、第二电极8及电磁感应线圈7均停止电荷输出，此时完成一个周期的动作，即将人体脚部的机械能转化成电能；重复上述动作，通过采集装置将人体脚部的机械能转化成电能。
通过示波器检测压电薄膜4、摩擦薄膜9及电磁感应线圈7的电学性能，如图3、4、5所示，结果如表1所示：
表1一种脚部机械能采集装置的电学性能
| 最大电压(V) | 最小电压(V) | 峰值电压(V) | |
| 压电薄膜 | 5.04 | -0.72 | 5.76 |
| 摩擦薄膜 | 13.6 | -32.0 | 45.6 |
| 电磁感应线圈 | 0.018 | -0.019 | 0.037 |
由表1可以得出如下结论：
(1)、示波器测得压电薄膜4、摩擦薄膜9及电磁感应线圈7均有明显的电压幅值变化，表明压电薄膜4、摩擦薄膜9及电磁感应线圈7均能将人体脚部的机械能转化为电能；
(2)、压电薄膜4和摩擦薄膜9都具有较高的输出电压，说明本发明的脚部机械能采集装置具有良好的能量转化效率；
(3)、通过压电薄膜4、摩擦薄膜9和电磁感应线圈7的电压波形图可知，每次踩压本发明的脚部机械能采集装置时，压电薄膜4、摩擦薄膜9和电磁感应线圈7输出的最大值、最小值波峰都能保持在一个平稳的范围内，表明人体脚部踩压本发明的脚部机械能采集装置，可持续将人体脚部的机械能稳定地转化为电能。
综上，本发明一种采集人体运动过程脚部机械能的装置将摩擦发电单元即摩擦薄膜9的瞬态电压高、电磁发电单元即电磁感应线圈7的电流大功能相结合，兼具高电压和大电流的优势，还具有良好的输出和能量转换效率。
本发明还涉及一种脚部机械能采集装置的采集方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、第三电极12的导线连接有全波桥式二极管整流电路a的接线端口；第一电极5和第二电极8的导线分别连接有全波桥式二极管整流电路b接线端口；电磁感应线圈7连接有全波桥式二极管整流电路c接线端口；
步骤2、将步骤1的采集装置放置到人体脚部，行走时，脚部下压凸块，带动压块1下压至压电薄膜4，压电薄膜4产生形变，通过第三电极12将电荷传输到全波桥式二极管整流电路a，同时，第一电极5与摩擦薄膜9相接触，第一电极5和第二电极8均将电荷传输到全波桥式二极管整流电路b；
步骤3、压块1继续下压，直至第一磁极3靠近第二磁极11，电磁感应线圈7内产生正向感应电流，电磁感应线圈7将电荷传输到全波桥式二极管整流电路c；
步骤4、脚部抬起，第一磁极3与第二磁极11相斥，带动压块1逐渐弹起，第一电极5和摩擦薄膜9分离，同时，压电薄膜4恢复形变；
步骤5、压块1弹回至初始位置，第三电极12、第一电极5、第二电极8及电磁感应线圈7均停止电荷输出，此时，完成一个循环的电能储存，重复步骤2～4，采集装置将人体脚部的机械能转化成电能。
其中，全波桥式二极管整流电路a、全波桥式二极管整流电路b和全波桥式二极管整流电路c的结构相同，包括线连接的WOB圆桥、CD1H105MC9BEF4E000直插独石电容和直插铝电解电容。
全波桥式二极管整流电路的制造方法如下：
选取3个接线端、3个WOB圆桥、3个独石电容、3个电解电容及电路板，将其中1个接线端、WOB圆桥、独石电容和电解电容排成一行，均插入电路板的焊锡孔中，采用焊锡方式将接线端与WOB圆桥并联，再将WOB圆桥与独石电容并联得到全波桥式二极管整流电路a；剩余2个接线端、2个WOB圆桥和2个独石电容的连接方式均同上，分别得到全波桥式二极管整流电路b和全波桥式二极管整流电路c，最后分别将3个独石电容与电解电容并联起来，其结构如图6所示。
摩擦薄膜9的制造方法如下：
选取适量PDMS、PDMS固化剂和质量分数为9.8％的碳纳米管，将PDMS固化剂：PDMS：碳纳米管以质量比为1：10：0.33混合均匀；使用超声振荡仪使其完全分散；再倒入矩形模具中密封，放入真空烤箱使其固化，得到摩擦薄膜9。
Claims (10)
1.一种脚部机械能采集装置，其特征在于，包括矩形安装架(2)，沿所述安装架(2)的中心轴依次设置有圆柱形通孔和U型空腔，所述空腔的开口端朝向安装架(2)底部，所述通孔内设置有与之相匹配的压块(1)，所述空腔内设置有与之相匹配的U型板(10)，所述U型板(10)的横板设置在安装架(2)底部，所述压块(1)底部设置有第一磁极(3)，所述第一磁极(3)的底部接触有压电薄膜(4)，所述压电薄膜(4)的下表面设置有第一电极(5)，所述第一电极(5)设置在U型板(10)的竖板端部，所述U型板(10)的横板内表面依次设置有第二电极(8)和摩擦薄膜(9)，所述第一电极(5)和第二电极(8)均连接有导线，所述安装架(2)设置有导线引出孔，所述导线均通过导线引出孔引出，所述U型板(10)的底部安装有横截面为工字型的底板(6)，所述底板(6)的竖杆上缠绕有电磁感应线圈(7)，所述底板(6)的底部粘贴有第二磁极(11)。
2.如权利要求1所述的一种脚部机械能采集装置，其特征在于，所述压块(1)的顶部设置有圆柱形凸块，所述凸块与压块(1)同轴线，所述凸块的直径不大于压块(1)的直径。
3.如权利要求1所述的一种脚部机械能采集装置，其特征在于，所述第一磁极(3)与第二磁极(11)均为圆柱形磁铁片，所述第一磁极(3)与第二磁极(11)的同极相对设置。
4.如权利要求1所述的一种脚部机械能采集装置，其特征在于，所述第一电极(5)为铝电极，且为正极；所述第二电极(8)为铜电极，且为负极。
5.如权利要求1所述的一种脚部机械能采集装置，其特征在于，所述压电薄膜(4)的上、下表面均粘贴有至少一个第三电极(12)，两个所述第三电极(12)均设置有导线，所述导线通过导线引出孔引出，两个所述第三电极(12)的外侧均设置有衬底，两个所述衬底分别与第一磁极(3)和第一电极(5)相接触，所述衬底为聚酰亚胺薄膜。
6.如权利要求5所述的一种脚部机械能采集装置，其特征在于，所述第三电极(12)包括铝电极或者导电银浆。
7.如权利要求6所述的一种脚部机械能采集装置，其特征在于，所述压电薄膜(4)、第三电极(12)及衬底均为矩形状，所述第三电极(12)的长度和宽度均小于压电薄膜(4)的长度和宽度，所述压电薄膜(4)的长度小于衬底的长度，所述压电薄膜(4)的宽度与衬底的宽度相同。
8.如权利要求1所述的脚部机械能采集装置，其特征在于，所述U型板(10)为亚克力板。
9.如权利要求1～8任意一项所述的一种脚部机械能采集装置的采集方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、所述第三电极(12)的导线连接有全波桥式二极管整流电路a的接线端口；所述第一电极(5)和第二电极(8)的导线分别连接有全波桥式二极管整流电路b接线端口；所述电磁感应线圈(7)连接有全波桥式二极管整流电路c接线端口；
步骤2、将步骤1的采集装置放置到人体脚部，行走时，脚部下压凸块，带动压块(1)下压至压电薄膜(4)，所述压电薄膜(4)产生形变，通过第三电极(12)将电荷传输到全波桥式二极管整流电路a，同时，所述第一电极(5)与摩擦薄膜(9)相接触，所述第一电极(5)和第二电极(8)均将电荷传输到全波桥式二极管整流电路b；
步骤3、所述压块(1)继续下压，直至所述第一磁极(3)靠近第二磁极(11)，所述电磁感应线圈(7)内产生正向感应电流，电磁感应线圈(7)将电荷传输到全波桥式二极管整流电路c；
步骤4、脚部抬起，所述第一磁极(3)与第二磁极(11)相斥，带动压块(1)逐渐弹起，所述第一电极(5)和摩擦薄膜(9)分离，同时，压电薄膜(4)恢复形变；
步骤5、所述压块(1)弹回至初始位置，所述第三电极(12)、第一电极(5)、第二电极(8)及电磁感应线圈(7)均停止电荷输出，此时，完成一个循环的电能储存，重复步骤2～4，所述采集装置将人体脚部的机械能转化成电能。
10.如权利要求9所述的脚部机械能采集装置的采集方法，其特征在于，所述全波桥式二极管整流电路a、全波桥式二极管整流电路b和全波桥式二极管整流电路c的结构相同。
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