CN111585469A - 一种压电式自发电微能收集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电式自发电微能收集装置及方法，涉及电子电路领域。压电式自发电微能收集装置包括：用于设置在振源上的压电振子，压电振子包括导电板，以及位于导电板的双侧或者任意一侧且与导电板贴合设置的压电片；储能电容；以及用于将交流电整流成直流电的整流桥，其中，所述整流桥的两个输入端分别与所述压电片的外侧面和导电板电连接，所述整流桥的两个输出端分别与所述储能电容的两端电连接。从而将现实生活中的振源加以利用，通过压电式自发电微能收集装置将振动产生的电能收集起来，可使用于微能量需求环境下的工作电路，从而实现能量的二次回收利用。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路领域，具体涉及一种压电式自发电微能收集装置及方法。
背景技术
微机电系统(MEMS)是21世纪重要的研究领域之一，而微能源器件是MEMS的一个重要分支，其发展直接关系到MEMS在某些领域的应用。然而，传统的电池供电手段受使用寿命、维护、使用环境等诸多方面的限制逐渐成为制约其发展的瓶颈之一，提供一套行之有效的电源解决方案对后续行业发展将会有巨大的推进作用。
在生产生活的各种设备有很多振动，但对于振动很多停留在减小振动、避免共振的层面，没有实现能量的二次回收利用。
发明内容
本发明目的在于提供一种将振动产生的电能收集起来，可使用于微能量需求环境下的压电式自发电微能收集装置及方法。
本发明所采取的技术方案为：
一种压电式自发电微能收集装置，其特征在于，包括：
用于设置在振源上的压电振子，所述压电振子包括导电板，以及位于导电板的双侧或者任意一侧且与导电板贴合设置的压电片；
储能电容；以及
用于将交流电整流成直流电的整流桥，
其中，所述整流桥的两个输入端分别与所述压电片的外侧面和导电板一一对应连接，所述整流桥的两个输出端分别与所述储能电容的两端一一对应连接。
作为进一步改进，位于导电板的双侧且与导电板分别贴合设置的上压电片和下压电片，上压电片的外侧面和下压电片的外侧面均与所述整流桥的一个输入端电连接，导电板与所述整流桥的另一个输入端电连接。
作为进一步改进，还包括：稳压二极管，与所述储能电容并联。
作为进一步改进，还包括：夹持基座，所述夹持基座的卡口处固定所述压电振子的一端。
作为进一步改进，还包括：质量块，其设置在压电振子自所述夹持基座向外延伸的自由端的上部。
作为进一步改进，还包括：限位封装外壳；其中，压电振子穿入所述限位封装外壳内，所述压电阵子的自由端与所述限位封装外壳的顶壁和底面之间留有摆动空间，所述夹持基座固定在所述限位封装外壳的开口端。
作为进一步改进，上压电片的外侧面和下压电片的外侧面的极化方向相同。
作为进一步改进，所述导电板为铜板。
一种基于权利要求1-8任一项所述的压电式自发电微能收集装置的压电式自发电微能收集方法，包括：
压电振子在随着振源振动过程中反复产生形变，不同的形变表面产生不同的电荷，反复形变形成交流电；
整流桥将交流电整流成直流电；
储能电容将直流电的电能储存起来。
作为进一步改进，还包括:稳压二极管对所述储能电容存储的电能进行稳压，稳定的电能用于供后级的用电装置使用。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
1.本发明将现实生活中的振源加以利用，通过压电式自发电微能收集装置将振动产生的电能收集起来，可使用于微能量需求环境下的工作电路，从而实现能量的二次回收利用。所产生的电能足以供给大多弱电设备的用电，同时为用电条件苛刻或是更换/维护电池成本昂贵的环境提供了长期可靠的解决方案。
2.现今市场上的微型发电机均采用线圈组切割永磁体弹簧质量系统的磁感线办法发电，相较于电磁式发电模块，本发明具有发电电压高、频率响应快、高频特性好、结构简单、不受周围电磁场或金属结构的影响等优点。
3.利用了压电材料的正压电效应，压电片在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，当作用力的方向改变时，电流流动方向也随之改变，利用以上性质可以将振动浪费的能量进行采集存储。
4.将机器的振动作为压电材料形变的条件，将振动能量转化为电能供给诸如IC模块、无限传感网络、远程控制系统等微功耗设备使用，实现一定环境下的零功耗作业，延长设备寿命。
5.新型的取电关系，可以将两个压电片，四个折弯面的电能进行收集，收集效率较高，本单元所需空间较小，便于进行集成，集成后可以作为网络为一些特殊环境下供电使用，比如野外环境的通信模块。
附图说明
图1是本发明的压电式自发电微能收集装置装配前的示意图；
图2是本发明的压电式自发电微能收集装置装配后的示意图；
图3是本发明的压电振子示意图；
图4是本发明的微能量管理电路的示意图。
附图标记说明：夹持基座1、螺栓组2、压电振子3、导电板32、上压电片33、下压电片31、质量块4、限位封装外壳5、微能量管理电路6。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图1-4对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供的压电式自发电微能收集装置，可以用于各类弱电用电场合，本实施例中是将所捕获的电荷收集存储于一电容，储存的电能用于供后级的用电装置使用。用电装置例如包括LED(发光二极管)、微功耗集成电路模块、无线传感网络、远程控制系统等一体化自供电装置，但不限于所举示例。
在本实施例中，参照图1，压电式自发电微能收集装置例如包括夹持基座1、螺栓组2、用于设置在振源上的压电振子3、质量块4、限位封装外壳5和微能量管理电路6。
参考图2，压电振子3靠两组螺栓(即，螺栓组2)将其夹紧在夹持基座的卡口(如U型槽)处，同时固定微能量管理电路6于其上。压电振子3的自由端(即悬臂端)的上下面与限位封装外壳5的顶壁和底面之间留有摆动空间，需保证一定范围的距离d1和距离d2，此距离通过压电振子3的模态分析后得出的不同频率下的振幅情况有关，所需关注的条件是：工况所能达到的振幅，整机体积，同时还需保证双晶片在长期振动过程保证其不受损坏。
夹持基座1的卡口处固定压电振子3的一端。压电振子3自夹持基座1向外延伸。质量块4设置在压电振子3自夹持基座1向外延伸的自由端的上部。质量块4作为配重，在压电振子3弯折过程中储蓄重力势能，延长压电振子3的弯折动作。压电振子3穿入限位封装外壳5内，压电阵子3的自由端与限位封装外壳5的顶壁和底面之间留有摆动空间，夹持基座1固定在限位封装外壳5的开口端。
压电式自发电微能收集装置置于振源上，并保证压电振子3的法线方向与振源振动方向保持平行；当压电式自发电微能收集装置整机收到外界一定频率的振动激励，其内置的悬臂梁结构的压电振子3的自由端将会随激励发生振动，振动幅度和激励频率与激励的有效振幅有关。
压电振子3包括导电板32，以及位于导电板32的双侧或者任意一侧且与导电板32贴合设置(如通过焊接方式贴合设置)的压电片31，33。例如，位于导电板32的双侧且与导电板32分别贴合设置的上压电片33和下压电片31。导电板32例如为铜板(如黄铜板)或其他导电材质的平板。压电片31，33例如为压电陶瓷(PZT)。
图3为压电振子截面图，同时反映了压电振子3产生电荷后电流的引出示意图。当压电振子3的自由端向下运动过程中，上压电片33受拉伸作用，其上表面(外侧面)聚集负电荷，下表面(内侧面)聚集正电荷，同时下压电片31受压缩作用，其下表面(外侧面)聚集负电荷，上表面(内侧面)聚集正电荷，上压电片33的下表面与下压电片31的上表面通过导电板32将正电荷聚集引出，上压电片33的上表面与下压电片31的下表面通过外接导线将负电荷聚集引出。上压电片33的外侧面和下压电片31的外侧面的极化方向相同。基于同样的发电原理，压电振子3的自由端向上运动过程中所发电流方向与压电振子3的自由端向下运动过程中所发电流方向相反。压电振子3的自由端反复交替连续地向下和向上运动，即可产生正弦交流电(Alternating Current，AC)信号。
压电振子3产生的电荷的多少与上压电片33和下压电片31的挠度成正相关。
压电振子3所发的交流电通过两根导线输送至微能量管理电路6。参考图4，微能量管理电路6包括将交流电整流成直流电的整流桥61、储能电容62、稳压二极管63。整流桥61的两个输入端分别与压电片31，33的外侧面和导电板32电连接，整流桥61的两个输出端分别与储能电容62的两端电连接。稳压二极管63与储能电容62并联。
整流桥61的两个输入端分别与压电片31，33的外侧面和导电板32电连接，即，上压电片33的外侧面和下压电片31的外侧面均与整流桥61的一个输入端电连接，导电板32与整流桥61的另一个输入端电连接，整流桥61的两个输出端分别与储能电容62的两端电连接。
通过全波的整流桥61将压电振子3所发的交流电整流成直流电，储能电容62将直流电的电能储存起来，稳压二极管63对储能电容62存储的电能进行稳压，稳定的电能用于供后级的用电装置使用，通过留出的输出端子直接连接至后级的用电装置。根据后级的用电装置的工作电压调节储能电容62和稳压二极管63的型号。
本实例压电式自发电微能收集装置所发的例如为高压低流的交流电，电流为微安级，电压可达数十伏。通过调节某些尺寸参数即可改变振子共振频率，实现一定激振频率条件下发电量最大化，以适应不同振源的使用。同时整机输出电源通用性广，可作为独立模块加入其它自供电微功耗用电设备中。
本实施例还提出一种基于压电式自发电微能收集装置的压电式自发电微能收集方法，包括以下步骤：
压电振子在随着振源振动过程中反复产生形变，不同的形变表面产生不同的电荷，反复形变形成交流电；
整流桥将交流电整流成直流电；
储能电容将直流电的电能储存起来。
在另一些实施例中，压电式自发电微能收集方法还包括：稳压二极管对所述储能电容存储的电能进行稳压，稳定的电能用于供后级的用电装置使用。
Claims (10)
1.一种压电式自发电微能收集装置，其特征在于，包括：
用于设置在振源上的压电振子，所述压电振子包括导电板，以及位于导电板的双侧或者任意一侧且与导电板贴合设置的压电片；
储能电容；以及
用于将交流电整流成直流电的整流桥，
其中，所述整流桥的两个输入端分别与所述压电片的外侧面和导电板一一对应连接，所述整流桥的两个输出端分别与所述储能电容的两端一一对应连接。
2.根据权利要求1所述的一种压电式自发电微能收集装置，其特征在于：
位于导电板的双侧且与导电板分别贴合设置的上压电片和下压电片，上压电片的外侧面和下压电片的外侧面均与所述整流桥的一个输入端电连接，导电板与所述整流桥的另一个输入端电连接。
3.根据权利要求1所述的一种压电式自发电微能收集装置，其特征在于，还包括：
稳压二极管，与所述储能电容并联。
4.根据权利要求1所述的一种压电式自发电微能收集装置，其特征在于，还包括：
夹持基座，所述夹持基座的卡口处固定所述压电振子的一端。
5.根据权利要求4所述的一种压电式自发电微能收集装置，其特征在于，还包括：
质量块，其设置在压电振子自所述夹持基座向外延伸的自由端的上部。
6.根据权利要求5所述的一种压电式自发电微能收集装置，其特征在于，还包括：
限位封装外壳，
其中，压电振子穿入所述限位封装外壳内，所述压电阵子的自由端与所述限位封装外壳的顶壁和底面之间留有摆动空间，所述夹持基座固定在所述限位封装外壳的开口端。
7.根据权利要求2所述的一种压电式自发电微能收集装置，其特征在于：上压电片的外侧面和下压电片的外侧面的极化方向相同。
8.根据权利要求1所述的一种压电式自发电微能收集装置，其特征在于：所述导电板为铜板。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的压电式自发电微能收集装置的压电式自发电微能收集方法，其特征在于，包括：
压电振子在随着振源振动过程中反复产生形变，不同的形变表面产生不同的电荷，反复形变形成交流电；
整流桥将交流电整流成直流电；
储能电容将直流电的电能储存起来。
10.根据权利要求9所述的压电式自发电微能收集方法，其特征在于，还包括：
稳压二极管对所述储能电容存储的电能进行稳压，稳定的电能用于供后级的用电装置使用。
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