CN111865142A - 一种基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，能量采集器通过电源线连接电能储存电路并为电能储存电路充电，所述电能储能电路通过电能瞬间放电电路连接传感器本体的电源端，所述能量采集器设有支座，所述支座的固定有至少一个发电机构，所述发电机构包括其中一端固定在支座上的悬臂梁、固定在悬臂梁另一端的质量块、贴附在悬臂梁两面用于发电的压电陶瓷。本发明能够借助于能量采集技术将自然界广泛存在的单自由度振动能量转换为电能，能量采集效率高，有着精度高,范围广,结构简单,抗干扰性好,环保节能和自驱动性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及自供能式传感器。
背景技术
传感器广泛应用于汽车、电器、航天、军事、工业控制和地震测量等多种领域，例如位移传感器，几乎在所有的动力机械、桥梁构架、飞行器、高层建筑中都需要安装位移传感器，从而达到实时监测设备所承受的位移的目的。
随着位移传感器日渐小型化的趋势，并且伴随着具有低成本、低能耗、使用便捷等特点的位移传感器的出现，越来越多的位移传感器出现在日常生活消费产品，例如目前最新笔记本电脑就内置了位移传感器，它能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，系统会根据得到的振动数据智能地选择关闭硬盘还是让其继续正常运行，有了这样的功能就可以最大限度地避免由于振动或摔了笔记本电脑等对硬盘造成损坏。
位移传感器因体积小、灵敏度高、易制造和低功耗等特点而被广泛应用。特别是位移传感器和无线通信技术创造性的结合后，又有了无线通信与自组织的特性。它能够通过无线传输的方法将在现场采集到的位移数据发送至远程接收节点，进而实现对现场位移的无线远程测量。
这类微器件的功耗越来越低，能够低至微瓦量级。但要求相应的供电部件体积小、集成度高、寿命长甚至无人看管、无需更换等。传统的化学电池供电方式由于存在体积和质量较大、供能时间有限等缺点，已经无法满足这些微器件的供能要求。借助于能量采集技术将自然界广泛存在的各种振动能量转换为电能，从而为微电子器件持久供电是一种有效的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种能够自发电无需更换电池的自供电式传感器，以达到为传感器持久供电，改进传统的化学电池供电方式由于存在体积和质量较大、供能时间有限等缺点的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，能量采集器通过电源线连接电能储存电路并为电能储存电路充电，所述电能储能电路通过电能瞬间放电电路连接传感器本体的电源端，所述能量采集器设有支座，所述支座的固定有至少一个发电机构，所述发电机构包括其中一端固定在支座上的悬臂梁、固定在悬臂梁另一端的质量块、贴附在悬臂梁两面用于发电的压电陶瓷。
所述支座为柱状结构，所述支座其中一端固接有法兰盘，所述支座通过法兰盘固定在需要安装的位置，每个所述悬臂梁的一端固定在支座的侧面。
所述支座上固定有两组发电组，每个发电组由至少一个发电机构构成，所述两组发电组内发电机构的发电振动方向垂直。
所述悬臂梁由两块厚板区、以及连接两块厚板区的薄板区构成，所述厚板区的厚度大于薄板区的厚度，所述悬臂梁的两面在薄板区均为向内凹陷的结构，所述压电陶瓷为中间凹陷的结构，贴附在所述悬臂梁两面的压电陶瓷与悬臂梁贴合。
所述悬臂梁一端通过柔性铰链连接厚板区后支座，所述柔性铰链的转动方向与该悬臂梁的发电振动方向相同，所述悬臂梁和支座之间连接有具有弹性的支撑件。
所述悬臂梁两面的压电陶瓷均为压电PZT-5H材料，同一个发电机构上的两个压电陶瓷串联接入电能储存电路，每个所述电能储存电路包括阻抗匹配电路、整流电路和电容器，所述阻抗匹配电路输入端连接压电陶瓷，所述阻抗匹配电路输出端连整流电路的输入端，所述整流电路的输出端为电容器充电，所述电容器连接电能瞬间放电电路输入端。
每个所述电能储存电路设有两个电容器分别为电容器Cst和电容器C0，所述整流电路具有两路输出分别连接电容器Cst和电容器C0，所述电容器Cst连接电能瞬间放电电路并为其供电，所述电容器C0连接控制电路并为其供电，所述控制电路的控制信号输出端连接电能瞬间放电电路的控制信号输入端。
所述传感器本体的信号输出端连接处理器的信号输入端，所述处理器的信号输出端连接通信单元，并通过通信单元采用无线信号将传感器本体采集的信号发送至所匹配的接收器，所述电能瞬间放电电路的电源输出端分别连接处理器和通信单元的电源端。
多个所述发电机构上的质量块的质量不相同。
本发明能够借助于能量采集技术将自然界广泛存在的单自由度振动能量转换为电能，能量采集效率高，通过压电蹭的串联、并联和阻抗匹配技术，改进能量采集器的输出电压、输出电流、输出功率等外特性。从而为传感器持久供电，改进传统的化学电池供电方式由于存在体积和质量较大、供能时间有限等缺点。有着精度高,范围广,结构简单,抗干扰性好,环保节能和自驱动性等优点。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器原理图；
图2为多悬臂梁能量采集器结构示意图；
图3为多悬臂梁能量采集器电路原理图；
图4和图5为不同发电振动方向的多悬臂梁能量采集器结构示意图；
图2中箭头为悬臂梁的发电振动方向；
上述图中的标记均为：1、法兰盘；2、支座；3、支撑件；4、悬臂梁；5、压电陶瓷；6、质量块；401、柔性铰链；402、厚板区；403、薄板区。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器的核心部件是能量采集器，如图2所示，能量采集器主要由支座2、悬臂梁4、压电陶瓷5、质量块6和法兰盘1组成。支座2为柱状结构，支座2其中一端固接有法兰盘1，支座2通过法兰盘1固定在需要安装的位置。
悬臂梁4优选为扁平的杆状结构，其一端固定在支座2的侧面，悬臂梁4与支座2接触的端部可以设计成两面向内凹陷的结构，构成柔性铰链401，采用柔性铰链401可以提高悬臂梁4的振动幅度。悬臂梁4下方有个支撑件3，支撑件3优选为弧形且具有弹性的杆状结构，加强了悬臂梁4的强度，可以起到保护铰链的作用，在提高悬臂梁4振幅的同时保证悬臂梁4不会出现断裂的情况，同时具有弹性的支撑件3也具有辅助蓄(势)能的作用，在振动发生时提高振动对采集器的影响，增加悬臂梁4的摆动次数，维持悬臂梁4在一个较为合理振幅内运动产生电能。
悬臂梁4由两块厚板区402、以及连接两块厚板区402的薄板区403构成，厚板区402的厚度大于薄板区403的厚度，悬臂梁4的两面在薄板区403均为向内凹陷的结构，压电陶瓷5为中间凹陷的结构，贴附在悬臂梁4上压电陶瓷5与悬臂梁4贴合，优选悬臂梁4的两面均贴附有压电陶瓷5。这样悬臂梁4中间构成一个大变形的悬臂结构，可以进一步的提高悬臂梁4的振动幅度(悬臂梁4的振动方向与柔性铰链401可以弯折的方向相同)，通过上述柔性铰链401配合大变形的悬臂结构增加了悬臂梁4的位移量，同时也对压电陶瓷5进行了进一步的压缩和拉伸，增大了压电陶瓷5的面积，也就增加了能量采集效率。
各悬臂梁4的上、下层压电陶瓷5采用压电PZT-5H材料，两个压电层串联(极化方向相反)，中间金属层作为上、下压电层的共用电极，在压电层的表面覆有金属薄膜作为引出电极，用来收集电荷，悬臂梁4自由端固定有钨合金作为质量块6，多个质量块6的质量可以不相同，这样可以采集不同振幅的震动力。四个悬臂梁4的压电层并联，以提高能量采集电流。其中压电层弹性常数为6.2×1010Pa，相对介电常数为3800，压电应变常数为320×10pC/N。中间金属层泊松比为0.34，密度为8.96×103kg/m3。采集器的质量块6密度为17.9×103kg/m3。
悬臂梁4及其压电陶瓷5构成一个发电机构，每个基座上可以固定多个发电机构，即将悬臂梁4结构设计成绕支座2均布的四悬臂梁4结构，进一步的提高能量采集效果。当振源振动激励对多悬臂梁4进行激励时,粘贴在悬臂梁4上的压电材料把机械能转换为电能并存储在超级电容器中。当电量积累到一定程度时,控制电路控制电能瞬间放电电路工作,将超级电容器中的电量瞬间释放,产生较大的放电功率驱动电容式位移传感器、处理器及发射模块工作。为了能够采集不同方向上的振动能量，如图4、5所示，当固定在同一平面的悬臂梁4可以采用不同方向的振动力，即每个支座2上固定有两组发电组，每个发电组由至少一个发电机构构成，每个发电组内所有悬臂梁4采集的振动力方向相同，两组发电组内发电机构的发电振动方向垂直。
如图3所示，能量采集器将振动能转换为电能，阻抗匹配电路对能量采集器进行阻抗匹配，匹配后的两路能量输出信号再经过整流后，分别对Cst和C0进行充电。超级电容为Cst为储能电容，为传感器的工作提供能量。电解电容C0为辅助电容，为控制电路提供工作电压和能量。在这里，每个振动能量采集器都配有一个储能电容Cst和一个辅助电容C0，再将多个振动能量采集器的电路并联，形成一个整体电路。当Cst的电压达到阈值电压上限时，瞬时放电电路开始工作，储能电容瞬间释放其存储的电能，驱动传感器工作。随着无感器的耗能，当Cst的电压降至阈值电压下限时，放电电路结束工作，储能电容结束放电。储能电容放电一次，传感器完成一次采集发射数据，储能电容再进入下一个充电周期。
整流电路设计中选定的是由美国Linear公司生产的电源管理芯片LTC3588，该芯片的突出优势是内部集成了一个低损耗的全波桥式整流电路，可对芯片的输出电压进行调整。
电能瞬间放电电路的负载是由传感器元件、数据处理器和通信单元三部分组成。传感器本体可以是位移传感器、温度传感器、湿度传感器、速度传感器、加速度传感器、压力传感器等等，例如传感元件根据需要选用的是MMS1260EG单轴位移传感器,其为微机电位移传感器，功耗很低，对低速运动物体位移进行测量的多用途低速通用位移传感器；例如传感元件根据需要选用的是MMS1260EG单轴湿度传感器,其为微机电湿度传感器，功耗很低，对低速运动物体位移进行测量的多用途低速通用湿度传感器。
数据处理与控制单元选择Atmel公司的超低功耗处理器ATmega32L。通信单元采用Chipcon公司为低功耗无线应用而设计的单片UHF收发通信芯片CC1100。
相比于现有的传感器来说，多悬臂梁4能量采集器的自供能位移传感器利用多悬臂结构，借助于能量采集技术将自然界广泛存在的单自由度振动能量转换为电能，能量采集效率高，通过压电蹭的串联、并联和阻抗匹配技术，改进能量采集器的输出电压、输出电流、输出功率等外特性。从而为位移传感器持久供电，改进传统的化学电池供电方式由于存在体积和质量较大、供能时间有限等缺点。有着精度高,范围广,结构简单,抗干扰性好,环保节能和自驱动性等优点。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，其特征在于：能量采集器通过电源线连接电能储存电路并为电能储存电路充电，所述电能储能电路通过电能瞬间放电电路连接传感器本体的电源端，所述能量采集器设有支座，所述支座的固定有至少一个发电机构，所述发电机构包括其中一端固定在支座上的悬臂梁、固定在悬臂梁另一端的质量块、贴附在悬臂梁上用于发电的压电陶瓷。
2.根据权利要求1所述的基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述支座为柱状结构，所述支座其中一端固接有法兰盘，所述支座通过法兰盘固定在需要安装的位置，每个所述悬臂梁的一端固定在支座的侧面。
3.根据权利要求2所述的基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述支座上固定有两组发电组，每个发电组由至少一个发电机构构成，所述两组发电组内发电机构的发电振动方向垂直。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述悬臂梁由两块厚板区、以及连接两块厚板区的薄板区构成，所述厚板区的厚度大于薄板区的厚度，所述悬臂梁的两面在薄板区均为向内凹陷的结构，所述压电陶瓷为中间凹陷的结构，贴附在所述悬臂梁两面的压电陶瓷与悬臂梁贴合。
5.根据权利要求4所述的基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述悬臂梁一端通过柔性铰链连接厚板区后支座，所述柔性铰链的转动方向与该悬臂梁的发电振动方向相同，所述悬臂梁和支座之间连接有具有弹性的支撑件。
6.根据权利要求5所述的基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，其特征在于：多个所述发电机构上的质量块的质量不相同。
7.根据权利要求1或6所述的基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述悬臂梁两面的压电陶瓷均为压电PZT-5H材料，同一个发电机构上的两个压电陶瓷串联接入电能储存电路，每个所述电能储存电路包括阻抗匹配电路、整流电路和电容器，所述阻抗匹配电路输入端连接压电陶瓷，所述阻抗匹配电路输出端连整流电路的输入端，所述整流电路的输出端为电容器充电，所述电容器连接电能瞬间放电电路输入端。
8.根据权利要求7所述的基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，其特征在于：每个所述电能储存电路设有两个电容器分别为电容器Cst和电容器C0，所述整流电路具有两路输出分别连接电容器Cst和电容器C0，所述电容器Cst连接电能瞬间放电电路并为其供电，所述电容器C0连接控制电路并为其供电，所述控制电路的控制信号输出端连接电能瞬间放电电路的控制信号输入端。
9.根据权利要求8所述的基于多悬臂梁能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述传感器本体的信号输出端连接处理器的信号输入端，所述处理器的信号输出端连接通信单元，并通过通信单元采用无线信号将传感器本体采集的信号发送至所匹配的接收器，所述电能瞬间放电电路的电源输出端分别连接处理器和通信单元的电源端。
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| CN113572388A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-10-29 | 浙江理工大学 | 一种压电能量收集装置及控制方法 |
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| CN112671261B (zh) * | 2020-12-18 | 2023-07-21 | 上海科技大学 | 瞬态运动能量收集器及瞬态运动供能物联网传感节点设备 |
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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