CN111917330A - 一种基于压力能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压力能采集器的自供能传感器，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，所述采集器设有底座，所述底座的侧面固定有侧向延伸的基板，每个所述的基板的外端均连接上压板，所述基板和支架位于上压板和底座之间，每个所述基板朝向上压板和/或底座的面均贴附有压电陶瓷。本发明通过采集器在设定场合能够不间断的采集压力和震动能量，并将能量转换成电能为传感器供电，实现了电能的自供给功能。
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，例如微压力传感器，可以微压力传感器通过一定的信号转换方式，将压力信号转换成电信号。根据转换方式的不同，可以分为压电式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器。
然而，在当前技术的背景下，现有的能源供给主要是依靠外接电源、充电或者更换电池三种方式，存在诸多不便，有很大的局限性。若采用外接电源或者是充电的方法，当没有外接电源供应、电力短缺或是紧急情况时，这种方法将显得无能为力。更换电池的方法同样面临一系列问题，包括电池使用寿命限制，更换的繁琐等等。同时，电池的回收，材料资源消耗和对环境造成的污染都是必须考虑的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种能够从环境中收集能量，并且通过能量转换来驱动传感器工作，实现能量自供给。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于压力能采集器的自供能传感器，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，所述采集器设有底座，所述底座的侧面固定有侧向延伸的基板，每个所述的基板的外端均连接上压板，所述基板和支架位于上压板和底座之间，每个所述基板朝向上压板和/或底座的面均贴附有压电陶瓷。
所述底座和上压板均为圆形板，所述支架为竖直固定在底座圆心位置的柱状结构，每个所述基板的长度相同且等夹角的均匀分布在支架的四周。
每个所述基板的外端均固定有质量块，所述上压板与每个质量块固接，所述底座和上压板的直径相同且相互平行。
所述底座上固定有穿孔，并通过螺钉穿过穿孔将底座固定在待安装的位置，所述底座周边设有一圈侧面板，所述侧面板向上压板方向延伸且与上压板之间具有间隙，所述间隙大小为上压板向底板方向运动幅度的上限值。
所述上压板与支架之间通过弹性件连接。
每个所述基板中间区域为两面均向内凹陷的结构，所述压电陶瓷为中间凹陷的结构，贴附在所述基板两面的压电陶瓷与基板向内凹陷的结构贴合。
所述电能储存电路包括阻抗匹配电路、整流电路和电容器，所述基板两面的压电陶瓷均为压电PZT-5H材料，所述采集器上的所有压电陶瓷并联接入阻抗匹配电路的输入端，所述阻抗匹配电路的输出端连接整流电路的输入端，所述整流电路的输出端经电容器连接电能瞬间放电电路。
每个所述电能储存电路设有两个电容器分别为电容器C1和电容器C2，所述整流电路具有两路输出分别连接电容器C1和电容器C2，所述电容器C1连接电能瞬间放电电路并为其供电，所述电容器C2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。
本发明通过采集器在设定场合能够不间断的采集压力和震动能量，并将能量转换成电能为传感器供电，实现了电能的自供给功能，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、2为采集器结构示意图；
图3为采集器剖视图；
图4为图3中凹槽部分局部放大示意图；
图5、6为基于压力能采集器的自供能传感器的电路原理图；
上述图中的标记均为：1、侧面板；2、上压板；3、螺钉；4、凹槽；5、基板；6、支架；7、底座；8、质量块；9、压电陶瓷。
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。
基于压力能采集器的自供能传感器的核心部件是采集器，如图1-3所示，采集器主要由侧面板1、上压板2、基板5、支架6、底座7、质量块8和压电陶瓷9构成，底座7为圆形板，内部可以设计空腔用于固定其他电子元器件，支架6为竖直固定在底座7圆心位置的柱状结构，基板5优选为扁平的杆状结构，其一端固定在支架6的侧面，如图4所示，每个基板5中间区域为两面均向内凹陷的结构，即基板5采用两边对称凹槽4型结构，压电陶瓷9为中间凹陷的结构，贴附在基板5两面的压电陶瓷9与基板5向内凹陷的结构贴合。
这样基板5中间构成一个大变形的悬臂结构，可以进一步的提高基板5的振动幅度，也对压电陶瓷9进行了进一步的压缩和拉伸，增大了压电陶瓷9的面积，也就增加了能量采集效率。此外，凹槽4型结构可以控制悬臂梁的震动频率在可控制的范围内。
基板5一般设置3-5个，每个基板5的长度相同且等夹角固定在支座上，在每个基板5的末端加上一个质量块8是为了降低悬臂梁结构振动能量收集器振动的固有频率，提高换能器的输出功率，同时质量块8与上圆形板连接，配合均匀分布的基板5布局可以起到一个可靠支撑的作用。
上压板2也为圆形板，并且与底座7的外径相同，底座7周边设有一圈侧面板1，侧面板1向上压板2方向延伸且与上压板2之间具有间隙，构成一个类似于一个杯子的形状，上面的上压板2是用来抵抗外界施加的压力促使内部基板5产生震动用的，侧面板1一方面可以起到保护内部机械部件的作用，另一方面是对上压板2在受到外界压力临界时起到一定的保护作用，即间隙大小为上压板2向底板方向运动幅度的上限值。底座7的作用是用来支撑整个机构，起到固定的作用，底座7上固定有穿孔，并通过螺钉3穿过穿孔将底座7固定在待安装的位置。
基于压力能采集器的自供能传感器的电控部分如图5、6所示，当上压板2受到压力使悬臂梁产生形变而振动产生相应的机械能,粘贴在悬臂梁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压力传感器、处理器及发射模块工作。
压电陶瓷9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，基板5自由端固定有钨合金作为质量块8。四个悬臂梁的压电层并联，以提高能量采集电流。其中压电陶瓷9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8密度为17.9×103kg/m3。
电源管理电路的组成有阻抗匹配电路、整流电路、储能电路和瞬时放电电路等组成。电源管理电路的原理图如图6所示。其中超级电容C1为储能电容，为传感器的工作提供能量。电解电容C2为辅助电容，为控制电路提供工作电压和能量。控制电路通过检测储能电容的电压来控制瞬时放电电路的工作。
压电换能器并联将振动产生的机械能转换为电能，阻抗匹配电路对压电换能器进行阻抗匹配，匹配后的两路能量输出信号再经过整流后，分别对C1和C2进行充电。当C1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C1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。
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MAP&BAP绝对压力传感器,其为典型的安全相关压力传感器，尺寸小、功耗低、精度高。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。
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)
1.一种基于压力能采集器的自供能传感器，其特征在于：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，所述采集器设有底座，所述底座的侧面固定有侧向延伸的基板，每个所述的基板的外端均连接上压板，所述基板和支架位于上压板和底座之间，每个所述基板朝向上压板和/或底座的面均贴附有压电陶瓷。
2.根据权利要求1所述的基于压力能采集器的自供能传感器，其特征在于：所述底座和上压板均为圆形板，所述支架为竖直固定在底座圆心位置的柱状结构，每个所述基板的长度相同且等夹角的均匀分布在支架的四周。
3.根据权利要求2所述的基于压力能采集器的自供能传感器，其特征在于：每个所述基板的外端均固定有质量块，所述上压板与每个质量块固接，所述底座和上压板的直径相同且相互平行。
4.根据权利要求3所述的基于压力能采集器的自供能传感器，其特征在于：所述底座上固定有穿孔，并通过螺钉穿过穿孔将底座固定在待安装的位置，所述底座周边设有一圈侧面板，所述侧面板向上压板方向延伸且与上压板之间具有间隙，所述间隙大小为上压板向底板方向运动幅度的上限值。
5.根据权利要求4所述的基于压力能采集器的自供能传感器，其特征在于：所述上压板与支架之间通过弹性件连接。
6.根据权利要求5所述的基于压力能采集器的自供能传感器，其特征在于：每个所述基板中间区域为两面均向内凹陷的结构，所述压电陶瓷为中间凹陷的结构，贴附在所述基板两面的压电陶瓷与基板向内凹陷的结构贴合。
7.根据权利要求1-6中任一所述的基于压力能采集器的自供能传感器，其特征在于：所述电能储存电路包括阻抗匹配电路、整流电路和电容器，所述基板两面的压电陶瓷均为压电PZT-5H材料，所述采集器上的所有压电陶瓷并联接入阻抗匹配电路的输入端，所述阻抗匹配电路的输出端连接整流电路的输入端，所述整流电路的输出端经电容器连接电能瞬间放电电路。
8.根据权利要求7所述的基于压力能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C1和电容器C2，所述整流电路具有两路输出分别连接电容器C1和电容器C2，所述电容器C1连接电能瞬间放电电路并为其供电，所述电容器C2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所述的基于压力能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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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112600460A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-04-02 | 浙江大学 | 一种基于后屈曲现象的自供能压力传感器 |
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2020
- 2020-08-11 CN CN202010803485.3A patent/CN111917330A/zh active Pending
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