CN206806180U - 一种压力弹簧可变电容的换能器装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种压力弹簧可变电容的换能器装置，其特征是用于机械能转换为电能。通过外界的压力以及弹簧的伸缩性来改变上下电极片的位置达到可变电容的效果，实现机电能量的转换。针对传统的电容式机电换能器存在的机电转换效率低和输出功率不足的缺点，提出了一种设计方便，输出效率高的一种压力弹簧可变电容的换能器装置。本实用新型所选择的技术方案是改变电介质的厚度，弹簧的形变效果和不同材料的介电常数来提高增益系数，从而达到高功率的输出，从而克服了传统的平板电容之间的距离限制从而不能实现高功率的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力弹簧可变电容的换能器装置。
背景技术
在当代社会中，移动设备的需求越来越大，移动电子设备对移动电源的要求也越来越高，需要一个可以进行持续对移动电子设备进行充电的设备。针对传统的电源便携式充电装置是依靠太阳能光伏效应，而太阳能光伏效应受天气的影响非常大，也不方便携带，同时太阳能转换电能的效率并不高。
本设计不仅仅通过改变电容间距离来增大容值，同时改变电介质，来增大介电常数，从而使得转换效率变得更高。本设计可以利用人体步行产生的多余的能量来做功转换为电能，起到一个移动充电的效果。
发明内容
为了克服传统的电容式换能器存在的低转换效率的问题，本发明提出了一种设计简单，可靠性高，转换效率高的一种压力弹簧可变电容的换能器装置。电容式换能装置的核心在于可变电容，传统的方法改变电容的距离，从而改变电容的容值。但这仅此单一的电极板之间的改变距离，转换效率并不高，很难进行高效率的转换。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：包括塑料支架，塑料片，电极片，电介质，弹簧，电解质液。塑料片和上电极片以及下电极片固定在一起形成金属电极；塑料片和弹簧固定在一起；电介质和下电极片固定连接在一起；塑料支架与可变的电容固定在一起。上电极片，下电极片与电介质处于电解质液中。塑料片作为施加力的载体，上电极片和下电极片以整体注塑的方式结合或以溅射的方式在塑料片上；下电极片与电介质以整体注塑的方式结合或以溅射的方式固定在一起。四个弹簧与塑料片固定在一起，并分别固定在塑料片的四个角。电介质为聚乙炔或者介电常数大于聚乙炔的物质。电介质的尺寸与下电极片的尺寸相同。电介质与上电极片之间应该有一定的距离。两塑料片之间的距离应该为弹簧未发生形变的长度。
本发明的有益效果为：单个可变电容在上方施加固定的压力后，使得可变电容之间的距离变小，然后由弹簧以弹性势能再次将电极弹到初始位置。如图3所示，同时增加数个这样的可变电容。该装置通过改变电介质材料，电介质尺寸，弹簧尺寸来增大单个可变电容的容值，从而提高输出功率，再增加可变电容的数量来控制功率输出。
附图说明
图1为本发明的基本结构，此时未施加压力，弹簧未被压缩，上电极片与电介质间有距离。
图2为施加压力后，弹簧被压缩，上电极片与电介质贴合。
图3为顺序的排列多个可变电容的结构示意图。
图4为电容式机电转换原理。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步进行描述。
如图1所示，压力弹簧可变电容的换能器装置包括塑料片，电极片，电介质，弹簧，电解质液，图2和图3所标相同序号均属于相同元件。
如图2所示，包括塑料片，电极片，电介质，弹簧，电解质液。
如图3所示，包括塑料支架，塑料片，电极片，电介质，弹簧，电解质液。
如图4所示，电容式机电转换原理图包括负载，电源，充电状态，等待状态，放电状态，可变电容器。
一种压力弹簧可变电容的换能器装置，包括塑料支架，塑料片，电极片，电介质，弹簧，电解质液。首先将未发生形变的弹簧与塑料片的四个角固定住；其次将上下电极片与塑料片也以注塑的方式构成可变电容或者以溅射的方式形成可变电容；同时将下电极片与电介质以同样的方式连接在一起；上下电极与电介质处于电解质液中；最后将这些单个可变电容顺序排列好，再用塑料支架将每个可变的电容的上塑料片以溅射的方式固定好。
本发明装置的工作原理为：在本装置中换能器的功能是通过塑料片上端施加的压力做功，实现可变电容器，增大电容器电场能量。可变电容器的实现如下所述。
首先考虑未施加压力的情况下，如图1所示，此时弹簧未发生形变，给电极片充电，此时的电容可以计算为：
上式中d1是电介质与上电极板之间的距离，d2为电介质的厚度，ε1为电解质液的介电常数，ε2为电介质的介电常数，s为电极片表面的面积。
此时上下电极片和电介质所形成的电容中储存的总能量是：
上式中d1是电介质与上电极板之间的距离，d2为电介质的厚度，ε1为电解质液的介电常数，ε2为电介质的介电常数，s为电极片表面的面积。
其次考虑施加压力后的情况，如图2所示，此时弹簧发生形变，上电极片与电介质贴合，可以求得此时的电容为：
上式中d2为电介质的厚度，ε2为电介质的介电常数，s为电极片表面的面积。
此时电极片与电介质形成的电容储存的总能量为：
上式中d2为电介质的厚度，ε2为电介质的介电常数，s为电极片表面的面积。
从上面的分析可以了解施加压力后改变了平板电容之间的距离，可实现可变电容。
定义换能器的一个重要参数增益系数h：
与传统的平板可变电容换能器相比较，由于传统的平板电容方案中电介质固定，因此其对应的项只能为1，没有增益效果，而本装置中可以改变电介质，选择高介电常数的。同时项也可以来增大d1，减小d2从而提高增益系数。
该发明装置的工作过程为：该装置的一个工作周期为：充电状态(电容充电)，等待状态(改变电容的容值也就是机电能量转换过程)，放电状态(电容放电)三个过程，下面进行细致描述每个实现过程。
充电状态即在未施加压力前对电容进行充电，如图4所示，首先将电路调节至充电状态43位置，由电池向电极片进行充电，之后施加压力在塑料片上，改变电极片之前的距离，弹簧被压缩，当上电极片与电介质贴合时，电容值增大。
等待状态即改变电容值的过程，如图4所示，电路调节至等待状态44位置，在弹性势能的作用下，将上电极推离电介质，回到原来的位置，此过程做的功转为电容中的电场能，电场能增加。
放电状态即电容放电的过程，如图4所示，电路调节至放电状态45位置，电容器放电，电容中储存的电场能完全释放，对负载做功。
本发明装置能够提高效率的关键技术在于：实现增益效益的项可以选择不同的介电常数或者改变弹簧的大小，电介质的尺寸，这样多重的增益来提高转换效率，实现高功率的输出。
Claims (8)
1.一种压力弹簧可变电容的换能器装置，其特征为：由电介质(11)，弹簧(12)，电解质液(13)，上电极片(14)，下电极片(15)，塑料片(16)，塑料支架(17)构成；塑料片(16)和上电极片(14)以及下电极片(15)固定在一起形成金属电极；塑料片(16)和弹簧(12)固定在一起；电介质(11)和下电极片(15)固定连接在一起；塑料支架(17)与可变的电容固定在一起。
2.根据权利要求1所述的一种压力弹簧可变电容的换能器装置，其特征在于：上电极片(14)，下电极片(15)与电介质(11)处于电解质液(13)中。
3.根据权利要求1所述的一种压力弹簧可变电容的换能器装置，其特征在于：塑料片(16)作为施加力的载体，上电极片(14)和下电极片(15)以整体注塑的方式结合或以溅射的方式在塑料片(16)上，下电极片(15)与电介质(11)以整体注塑的方式结合或以溅射的方式固定在一起。
4.根据权利要求1所述的一种压力弹簧可变电容的换能器装置，其特征在于：四个弹簧(12)与塑料片(16)固定在一起，并分别固定在塑料片(16)的四个角。
5.根据权利要求1所述的一种压力弹簧可变电容的换能器装置，其特征在于：电介质(11)为聚乙炔或者介电常数大于聚乙炔的物质。
6.根据权利要求1所述的一种压力弹簧可变电容的换能器装置，其特征在于：电介质(11)的尺寸与下电极片(15)的尺寸相同。
7.根据权利要求1所述的一种压力弹簧可变电容的换能器装置，其特征在于：电介质(11)与上电极片(14)之间应该有一定的距离，同时在施加压力的情况下，上电极片(14)应与电介质(11)贴合。
8.根据权利要求1所述的一种压力弹簧可变电容的换能器装置，其特征在于：两塑料片(16)之间的距离应该为弹簧(12)未发生形变的长度。
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|---|---|---|---|---|
| CN107045940A (zh) * | 2017-02-24 | 2017-08-15 | 中国计量大学 | 一种压力弹簧可变电容的换能器装置 |
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