CN203896219U - 一种高效压电发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高效压电发电机，包括压电振子、同步开关电路、微处理电路、SSHI电路、电能储存电路和稳压电路，所述压电振子包括质量块和基板；质量块设置在基板一端上；所述基板相对的两面分别设有第一压电材料和第二压电材料，所述基板底面设有第三压电材料；所述第二压电材料面积大于第一压电材料面积；所述第一压电材料、第二压电材料之间通过导线连接。本实用新型利用振动进行能量转换，将其中压电振子分成三部分的压电材料，第一压电材料用作产生峰值检测信号，第二、第三压电材料产生的电能经过贮存转换作为发电机输出的电能，同时给低功耗微处理电路进行供电，微处理电路检测峰值，控制同步开的通断，达到提高压电发电机的功率。

Description

一种高效压电发电机

技术领域

本实用新型涉及一种基于悬臂梁的高效压电发电机，具体涉及压电材料发电技术、信号检测技术、能量转换存贮技术、及电路处理技术，提供了高转移效率的压电发电机。

背景技术

目前常用的电源为贮备电源，主要分为化学电源、物理电源。化学电源主要有热电池和铅酸电池, 物理电源是利用发电机发电，主要有电磁发电机，风动涡轮发电机、射流发电机、风动环形发电机、气动式磁发电机，磁后坐发电机、撞击磁发电机等。化学电池能量高，功率大，但其也有激发时间长、贮存时间短的缺点，物理电源能量低，长期贮存性能好，具有良好的高、低温特性，但其也有依赖于物体的使用环境，能量低等缺点。

压电发电机是通过压电振子产生周期性振动，通过能量转移电路把电能贮存在电磁或电容中，供电路供电，提高压电振子的能量转移效率主要是通过检测压电振子产生的周期性信号的峰值，当峰值到来时，控制同步开关的通断来进行，目前检测压电振子的峰值主要有两种形式，一种是无源检测，主要是通过二极管与一些电容组成，一种是有源检测，主要是通过一些集成运放来完成。无源检测电路简单，但二极管要消耗部分电能，而有源检测最主要的问题就是要提供运放放大器的工作电源，这要增加一部分电路，同时要消耗部分电能。因此需对压电发电机进行进一步改进和设计。

实用新型内容

本实用新型目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高效率的压电发电机，是一个物理电源，易用于在低功耗的无线检测电路中，用于无线监控网络的无线传感电源使用。  

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种高效压电发电机，包括压电振子、同步开关电路、微处理电路、SSHI电路、电能储存电路和稳压电路，所述压电振子包括质量块和基板；所述质量块设置在基板一端上；所述基板相对的两面分别设有第一压电材料和第二压电材料，所述基板底面设有第三压电材料；所述第二压电材料面积大于第一压电材料面积；所述第一压电材料、第二压电材料之间通过导线连接。

作为本实用新型进一步改进的，所述微处理电路检测第一压电材料产生的电压峰值后控制同步开关电路通断，第二压电材料产生周期性电压，控制SSHI电路后经电能储存电路，稳压电路后供电。

作为本实用新型进一步改进的，所述基板采用高弹性轻质金属制成。

作为本实用新型进一步改进的，所述第一压电材料、第二压电材料和第三压电材料均采用PZT系列的压电陶瓷材料。

作为本实用新型进一步改进的，所述SSHI电路采用CMOS管构成同步开关。       

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型方案的高效压电发电机，该压电电源自产生能量，能量转换效率高，无电磁干扰，绿色环保，耐高温性好，易于小型化生成，压电材料长贮性能好，在压电材料放置10年后，其介电常数与压电常数基本没有变化；将其中压电振子分成三部分的压电材料，第一压电材料用作产生峰值检测信号，第二、第三压电材料产生的电能经过贮存转换作为发电机输出的电能，同时给低功耗微处理电路进行供电，微处理电路检测峰值，控制同步开的通断，达到提高压电发电机的功率。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

附图1是本实用新型的高效压电发电机压电振子的结构示意图；

附图2是本实用新型的高效压电发电机压电振子的A向结构图；

附图3是本实用新型的高效压电发电机压电振子的B向结构图；

附图4是本实用新型的高效压电发电机的电路图；

图中标号说明：1、质量块；2、基板；3、第一压电材料；4、第二压电材料；5、第三压电材料；6、导线。  

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

参见附图1-4所示，一种高效压电发电机，包括压电振子、同步开关电路、微处理电路、SSHI电路、电能储存电路和稳压电路，压电振子包括质量块1、基板2、压电材料、导线组成；质量块1与基板2一端连接，基板2的两面和底面分别设有压电材料，基板2两面的压电材料通过导线4连接。

压电振子上下两表面的结构形式不一样，压电振子的A方向面如图2所示，压电材料分成两部分，小面积的部分为第一压电材料3用于产生周期性交流电信号，用于检测峰值；大面积的部分为第二压电材料4用于产生周期性的电压，用于发电。

压电振子的B方向面如附图3所示，压电振子的底面是第三压电材料5，都用于压电发电，与图2 的一面构成双晶压电振子，一次振动变形时相当于两个压电片变形，增加了压电振子的电容，提高电能产生能力，同时提高了能量转移的效率。

参见图4所示，为了高效进行能量采集，本系统采用SSHI电路结构，采用两部分电路进行处理，一路产生周期性的电压信号，用于进行峰值检测，一路产生的电压后面接SHII电路，进行高效能量转移，提高压电发电机的输出功率，通过电感与同步开关进行控制，利用SHII电路可以有效的提高压电发电机的输出功率。

压电振子在受到外界激励时产生振动，使压电振子产生变形，压电振子上下两表面产生电荷。小面积的第一压电材料3产生电压通过电路桥接到5M欧姆的可变电阻上，作为微处理电路中单片机的AD转换电路的检测信号，大面积的第二压电材料4通过SHII电路给贮存电容C5进行充电，给后面的DC/DC转换电路进行供电。

 DC/DC转换电路采用美信公司的MAX748A进行设计，该芯片外围电路简单，转换效率高，可以转换成3.3V输出。当压电振子产生电压，DC转移电路输出3.3V的电压，该电压给430单片机进行供电，此时单片机进行工作，检测电路R1上的电压信号，当检测到峰值信号进，产生高电平开关信号，控制SSHI中的同步开关，此电电感接入到SSHI电路中，此时，电感与电容组成的高频振荡电路在半个振荡周期内实现电容两端电压的快速翻转，实现了电压与电流的同相位，有效的提高了压电发电机的输出功率。当峰值过后，单片机输出信号控制同步开关，使之判断，等待下一次的峰值的到来。

本实用新型的原理是：

压电振子采用是双晶梁结构，其中有很小面积独立出来，用来产生交流信号，为了有效进行峰值检测，单独设计一个桥式整流电路，可以与其它电路有效的共地，进行峰值检测，为了使微处理器能够有效检测出峰值，在信号输出端接有一高阻值的可调变阻器，根据实际的环境调节变阻器，使信号在检测的量程范围之内。通过两个并联的CMOS管，保证在压电材料产生的电压信号在正的峰值打开同步开关，在负的峰值也可以打开同步开关。再通过桥式整流电路给电容充电，然后通过稳压芯片进行稳压，给无线传感电路进行充电，同时给430单片机供电。压电材料采用PZT系列的压电陶瓷材料，该系列的材料具有比较大的介电常数与压电常数。相关元器件尽量采用低功耗的元器件。

压电材料在变形时产生一正电压，当变形越大，产生的压电电荷越多，在压电振子上面有两部分的压电材料，一部分产生一个周期性的压电电压，一部分压电的电压与同步开关，电感、电路桥相连，压电振子开始振动时，同步开关断开，压电振子产生的电能通过电路桥、贮存电容、稳压电路给外围电路及430单片机进行供电，同时430单片机对另一部分的压电材料产生的压电信号进行检测，当检测到压电信号的峰值时，打开同步开关，电感与电容组成的高频振荡电路在半个振荡周期内实现电容两端电压的快速翻转，实现了电压与电流的同相位，从而提高压电发电机的输出功率，可以提高压电发电机的效率8倍。

该实用新型把压电振子设计成两部分的压电材料，同用一个基板，两部分压电材料谐振频率相同，通过430单片机检测出压电振子产生电压的峰值，从而控制同步开关的通断，提高了压电发电机的输出功率。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高效压电发电机，包括压电振子、同步开关电路、微处理电路、SSHI电路、电能储存电路和稳压电路，其特征在于：所述压电振子包括质量块和基板；所述质量块设置在基板一端上；所述基板相对的两面分别设有第一压电材料和第二压电材料，所述基板底面设有第三压电材料；所述第二压电材料面积大于第一压电材料面积；所述第一压电材料、第二压电材料之间通过导线连接；所述微处理电路检测第一压电材料产生的电压峰值后控制同步开关电路通断，第二压电材料产生周期性电压，控制SSHI电路后经电能储存电路，稳压电路后供电。

2.根据权利要求1所述的一种高效压电发电机，其特征在于：所述第一压电材料、第二压电材料和第三压电材料均采用PZT系列的压电陶瓷材料。

3.根据上述任一权利要求所述的一种高效压电发电机，其特征在于：所述SSHI电路采用CMOS管构成同步开关。