CN114831381A - 一种压电传感发电装置及自发电运动鞋 - Google Patents
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Abstract
本说明书实施例提供了一种压电传感发电装置及自发电运动鞋，其中，压电传感装置包括：传感单元、控制单元、压电换能单元和稳压单元；基于压电传感发电装置的自发电运动鞋，包括运动鞋本体，以及内置于运动鞋本体内的压电传感装置；其中，控制单元、压电换能单元和稳压单元内嵌于运动鞋本体的鞋底内部，传感单元设置于运动鞋本体内部。传感单元，用于采集装置倾斜数据；控制单元，用于对装置倾斜数据进行分析及控制压电换能单元进行能量转换；压电换能单元，用于将机械能转化为电能，产生交流电，稳压单元用于将压电片产生的交流电转化为直流电，供用电负载使用。发电装置可以为运动鞋的传感装置和用电装置提供电源，用于人体运动感知和自动系鞋带等功能。
Description
技术领域
本文件涉及压电材料应用技术领域，尤其涉及一种压电传感发电装置及自发电运动鞋。
背景技术
随着人类科学技术的进一步发展，以低能耗、低排放、低污染为宗旨的低碳生活模式为人们所关注，以新能源技术、环境友好型生产模式为核心的低碳生产模式已成了当前人类发展的新模式，发展绿色低碳能源具有十分重要的意义。日常生活中，人们处于行走状态的时候，时时刻刻都在消耗能量并将这些能量耗散在环境中，利用人行动过程中脚的踩踏动作将机械能转化成电能，在一定程度上能减缓全球能源危机带给人类的困扰，也是今后能源发展的方向之一。
目前已经出现一些鞋子，利用鞋子内部的转化装置在将人体行走时的动能转化为电能。但是这些鞋子的转化装置往往采用复杂的机械结构，机械传动易磨损和出故障；另外有一种发电鞋是利用鞋底与地面的摩擦来发电，但同样存在着耐用性及安全性等问题。
发明内容
本说明书一个或多个实施例提供了一种压电传感发电装置，包括：传感单元、控制单元、压电换能单元和稳压单元；
所述传感单元，包括倾角传感器，用于采集装置倾斜数据，并将所述装置倾斜数据传输到所述控制单元；
所述控制单元，包括单片机和电动机，所述单片机用于对接收到的所述装置倾斜数据进行分析得到振动基频，根据得到的振动基频，通过所述电动机控制所述压电换能单元进行能量转换；
所述压电换能单元，包括针筒结构、管道、薄膜和悬臂梁，所述针筒结构中盛有液体，所述悬臂梁垂直固定于所述针筒结构外表面，所述薄膜设置于所述悬臂梁远离针筒结构的一端，所述针筒结构通过所述管道与所述薄膜连接，所述悬臂梁的顶面和底面均布置有压电片，所述压电换能单元用于根据所述电动机的运动带动所述针筒结构运动，使得悬臂梁上的压电片变形，进而将振动能量转换为交流电；
所述稳压单元包括AC-DC稳压电路，用于将所述压电片产生的交流电转化为直流电，供用电负载使用。
进一步地，所述针筒结构包括立柱、储液罐和受压板，所述储液罐外设有壳体，所述受压板置于储液罐内，所述立柱垂直于受压板并与其相连，所述受压板直径与所述储液罐内径相等，且所述受压板与所述储液罐底面平行，所述受压板和所述储液罐之间的空间盛有所述液体。
进一步地，所述受压板外轴设有隔水材料，用于实现对所述储液罐内液体的封存。
进一步地，所述管道与所述薄膜为一体成型。
进一步地，所述悬臂梁通过托盘固定在储液罐侧面，且所述悬臂梁平行于所述储液罐的底面。
进一步地，所述管道和所述薄膜通过强力胶固接于所述悬臂梁顶面。
进一步地，所述倾角传感器采用SCA103T-D05型倾角传感器。
进一步地，所述单片机采用stc单片机，所述电动机采用空心杯电机。
本说明书一个或多个实施例提供了一种基于压电传感发电装置的自发电运动鞋，包括运动鞋本体，所述运动鞋本体内设有所述压电传感装置；
所述压电传感装置包括传感单元、控制单元、压电换能单元和稳压单元，其中，所述控制单元、压电换能单元和稳压单元内嵌于所述运动鞋本体的鞋底内部，所述传感单元设置于所述运动鞋本体内部。
进一步地，所述运动鞋本体可集成多种用电负载，通过所述压电传感发电装置为所述用电负载供电，所述用电负载包括但不限于：发光件、传感器、自动系鞋带装置和电池等。
本发明有益效果如下：
本发明通过在鞋底内设置压电片，使穿戴者在跑步、行走或其他运动中将运动产生的一部分机械能转化为电能，通过AC-DC稳压电路将压电片产生的交流电转化为稳定的直流电，并对产生的电能加以利用和储存，给鞋内控制机构、传感装置等提供电能，多余的能量可以通过电池进行储存，有效解决了现有智能运动鞋产品需要频繁充电或更换电池的问题，能够为智能化运动鞋设计，例如自动系鞋带、鞋外灯光装饰、鞋内运动传感器等，提供电能；且自发电运动鞋设计合理，结构简单，发热少，无电磁干扰，易于实现，成本低，且在发电过程中无噪音、无磨损、无介质泄漏，可实现持续发电。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本说明书一个或多个实施例提供的一种压电传感发电装置结构示意图；
图2为本说明书一个或多个实施例提供的传感单元结构示意图；
图3为本说明书一个或多个实施例提供的控制单元结构示意图；
图4为本说明书一个或多个实施例提供的压电换能单元结构示意图；
图5为本说明书一个或多个实施例提供的针筒结构示意图；
图6为本说明书一个或多个实施例提供的稳压单元的电路结构示意图。
附图标记：
1：传感单元；11：倾角传感器；2：控制单元；21：单片机；22：电动机；3：压电换能单元；31：针筒结构；311：立柱；312：储液罐；313：受压板；32：液体；33：管道；34：薄膜；35：悬臂梁；4：稳压单元。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
装置实施例一
根据本发明实施例，提供了一种压电传感发电装置，图1为本说明书一个或多个实施例提供的一种压电传感发电装置结构示意图，如图1所示，根据本发明实施例的压电传感发电装置具体包括：传感单元1、控制单元2、压电换能单元3和稳压单元4；
如图2所示，所述传感单元1包括倾角传感器11，用于采集装置倾斜数据，并将所述装置倾斜数据传输到所述控制单元2。
如图3所示，所述控制单元2包括单片机21和电动机22，所述单片机21用于对接收到的所述装置倾斜数据进行分析得到振动基频，根据得到的振动基频，通过控制所述电动机22直接作用于压电换能单元，控制所述压电换能单元3产生机械能，进行机械能到电能的能量转换。
如图4所示，所述压电换能单元3包括针筒结构31、管道33、薄膜34和悬臂梁35，所述针筒结构31中盛有液体32，所述悬臂梁35垂直固定于所述针筒结构31外表面，所述薄膜34设置于所述悬臂梁35远离针筒结构的一端，所述针筒结构31通过所述管道33与所述薄膜34连接，所述悬臂梁35的顶面和底面均布置有压电片，所述压电换能单元3用于根据所述电动机22的运动带动所述针筒结构31的运动，针筒结构31通过活塞立柱将液体32沿管道33注入悬臂梁35末端的薄膜34中，驱使悬臂梁35的质量发生变化，使得悬臂梁上的压电片变形，进而将振动能量转换为交流电。
如图5所示，针筒结构31包括立柱311、储液罐312和受压板313，所述储液罐312外设有圆柱形壳体，所述受压板313置于储液罐312内，所述立柱311垂直于受压板313并与其相连，所述受压板313直径与所述储液罐312的内径相等，且所述受压板313与所述储液罐312底面平行，所述受压板313和所述储液罐312之间的空间盛有所述液体32。
为了对储液罐312与受压板313之间的液体32进行更好的封存，防止液体32发生泄漏，所述受压板313外轴设有隔水材料，如橡胶，实现对液体32的封存，所述薄膜34通过管道33与所述储液罐312和所述受压板313所夹的内部空间连接，管道33与薄膜34一体成型，防止液体32泄漏。
所述悬臂梁35可以通过托盘或者直接固定在储液罐312的侧面，且悬臂梁35与储液罐312底面平行，所述管道33和所述薄膜34通过强力胶或其他方式固接于所述悬臂梁35顶面上。
所述稳压单元4包括AC-DC稳压电路，用于将所述压电片产生的交流电转化为稳定的直流电，以供用电负载使用。
如图6所示，AC-DC稳压电路包括电阻R1、R2，电容C1、C2，二极管D1、D2、D3、D4、D5，其中，所述R1为负责分压的电阻，所述R2和C1组成交流降压模块，负责降低电压,所述D1、D2、D3、D4为整流桥，所述D5为稳压管,所述C2用于稳压和储存电能。
在一个实施例中，AC-DC稳压电路电阻R1为15欧，R2为360千欧，电容C1为20μF,C2为16μF，二极管D1,D2,D3,D4均为1BH62，D5为1N4372A。
在一个实施例中，所述倾角传感器11采用SCA103T-D05型倾角传感器。
在一个实施例中，所述单片机21采用stc单片机，所述电动机22采用空心杯电机.
在一个实施例中，所述储液罐313由0Cr18N i9材料制成。
在一个实施例中，所述液体32为汞。
在一个实施例中，所述薄膜34和管道33为丁苯二烯乳胶材料制成，悬臂梁35由65Mn弹簧钢制成。
装置实施例二
根据本发明实施例，提供了一种基于压电传感发电装置的自发电运动鞋，根据本发明实施例的基于压电传感发电装置的自发电运动鞋具体包括：
运动鞋本体，所述运动鞋本体内设有所述压电传感装置；
所述压电传感装置包括传感单元、控制单元、压电换能单元和稳压单元，其中，所述控制单元、压电换能单元和稳压单元内嵌于所述运动鞋本体的鞋底内部，所述传感单元设置于所述运动鞋本体内部。
所述传感单元1包括倾角传感器11，用于通过倾角传感器11收集人体运动引起的鞋底倾斜数据并传输到控制单元2。
所述控制单元2包括单片机21和电动机22，所述单片机21将传感单元1采集的数据进行分析，得到人体运动引起的鞋底振动基频，再通过控制所述电动机22将压电换能机构3中针筒结构31进行运动，控制所述电动机22直接作用于压电换能单元3，控制所述压电换能单元3产生机械能，进行机械能到电能的能量转换。
所述压电换能单元3固定在运动鞋鞋底，包括针筒结构31、管道33、薄膜34和悬臂梁35，所述针筒结构31中盛有液体32，所述悬臂梁35垂直固定于所述针筒结构31外表面，所述薄膜34设置于所述悬臂梁35远离针筒结构的一端，所述针筒结构31通过所述管道33与所述薄膜34连接，所述悬臂梁35的顶面和底面均布置有压电片，所述压电换能单元3用于根据所述电动机22的运动带动所述针筒结构31的运动，针筒结构31通过活塞立柱311将液体32沿管道33注入悬臂梁35末端的薄膜34中，驱使悬臂梁35的质量发生变化从而使其振动基频能够覆盖鞋底振动基频，控制机构2跟随鞋底的振动使得悬臂梁35上的压电片变形，将振动能量转换为交流电。
针筒结构31包括立柱311、储液罐312和受压板313，所述储液罐312外设有圆柱形壳体，所述受压板313置于储液罐312内，所述立柱311垂直于受压板313并与其相连，所述受压板313直径与所述储液罐312的内径相等，且所述受压板313与所述储液罐312底面平行，所述受压板313和所述储液罐312之间的空间盛有所述液体32。
为了对储液罐312与受压板313之间的液体32进行更好的封存，防止液体32发生泄漏，所述受压板313外轴设有隔水材料，如橡胶，实现对液体32的封存，所述薄膜34通过管道33与所述储液罐312和所述受压板313所夹的内部空间连接，管道33与薄膜34一体成型，防止液体32泄漏。
所述悬臂梁35可以通过托盘或者直接固定在储液罐312的侧面，且悬臂梁35与储液罐312底面平行，所述管道33和所述薄膜34通过强力胶或其他方式固接于所述悬臂梁35顶面上。
在一个实施例中，管道33的管径可以不相同，形成一定梯度，以适应人运动时脚底频率的频谱区间。
稳压单元4包括AC-DC稳压电路，用于将所述压电片产生的交流电转化为稳定的直流电，以供用电负载使用；
AC-DC稳压电路包括电阻R1、R2，电容C1、C2，二极管D1、D2、D3、D4、D5，其中，所述R1为负责分压的电阻，所述R2和C1组成交流降压模块，负责降低电压,所述D1、D2、D3、D4为整流桥，所述D5为稳压管,所述C2用于稳压和储存电能。
所述运动鞋本体可集成多种用电负载，通过所述压电传感发电装置为所述用电负载供电，所述用电负载包括但不限于：发光件、传感器和自动系鞋带装置。
本发明实施例是与上述装置实施例一对应的实施例，各个单元的具体操作可以参照装置实施例一的描述进行理解，在此不再赘述。
本发明有益效果如下：
本发明通过在鞋底内设置压电片，使穿戴者在跑步、行走或其他运动中将运动产生的一部分机械能转化为电能，通过AC-DC稳压电路将压电片产生的交流电转化为稳定的直流电，并对产生的电能加以利用和储存，给鞋内控制机构、传感装置等提供电能，多余的能量可以通过电池进行储存，有效解决了现有智能运动鞋产品需要频繁充电或更换电池的问题，能够为智能化运动鞋设计，例如自动系鞋带、鞋外灯光装饰、鞋内运动传感器等，提供电能；且自发电运动鞋设计合理，结构简单，发热少，无电磁干扰，易于实现，成本低，且在发电过程中无噪音、无磨损、无介质泄漏，可实现持续发电。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种压电传感发电装置，其特征在于，包括：传感单元、控制单元、压电换能单元和稳压单元；
所述传感单元，包括倾角传感器，用于采集装置倾斜数据，并将所述装置倾斜数据传输到所述控制单元；
所述控制单元，包括单片机和电动机，所述单片机用于对接收到的所述装置倾斜数据进行分析得到振动基频，根据得到的振动基频，通过所述电动机控制所述压电换能单元进行能量转换；
所述压电换能单元，包括针筒结构、管道、薄膜和悬臂梁，所述针筒结构中盛有液体，所述悬臂梁垂直固定于所述针筒结构外表面，所述薄膜设置于所述悬臂梁远离针筒结构的一端，所述针筒结构通过所述管道与所述薄膜连接，所述悬臂梁的顶面和底面均布置有压电片，所述压电换能单元用于根据所述电动机的运动带动所述针筒结构运动，使得悬臂梁上的压电片变形，进而将振动能量转换为交流电；
所述稳压单元包括AC-DC稳压电路，用于将所述压电片产生的交流电转化为直流电，供用电负载使用。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述针筒结构包括立柱、储液罐和受压板，所述储液罐外设有壳体，所述受压板置于储液罐内，所述立柱垂直于受压板并与其相连，所述受压板直径与所述储液罐内径相等，且所述受压板与所述储液罐底面平行，所述受压板和所述储液罐之间的空间盛有所述液体。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述受压板外轴设有隔水材料，用于实现对所述储液罐内液体的封存。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述管道与所述薄膜为一体成型。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述悬臂梁通过托盘固定在储液罐侧面，且所述悬臂梁平行于所述储液罐的底面。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述管道和所述薄膜通过强力胶固接于所述悬臂梁顶面。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倾角传感器采用SCA103T-D05型倾角传感器。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单片机采用stc单片机，所述电动机采用空心杯电机。
9.一种基于权利要求1-8任一所述的压电传感发电装置的自发电运动鞋，其特征在于，包括运动鞋本体，所述运动鞋本体内设有所述压电传感装置；
所述压电传感装置包括传感单元、控制单元、压电换能单元和稳压单元，其中，所述控制单元、压电换能单元和稳压单元内嵌于所述运动鞋本体的鞋底内部，所述传感单元设置于所述运动鞋本体内部。
10.根据权利要求9所述的基于压电传感发电装置的自发电运动鞋，其特征在于，所述运动鞋本体可集成多种用电负载，通过所述压电传感发电装置为所述用电负载供电，所述用电负载包括但不限于：发光件、传感器和自动系鞋带装置。
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