CN207304408U - 一种基于宽频振动能量收集器的无线传感模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，包括传感器、A/D转换模块、处理器、存储器和无线发射器，所述传感器连接于所述A/D转换模块，所述A/D转换模块、存储器、无线发射器均连接于所述处理器；还包括超级电容和宽频振动能量收集器，所述宽频振动能量收集器的能量输出端连接于所述超级电容的能量输入端，所述超级电容为所述传感器、A/D转换模块、处理器、存储器和无线发射器提供电源。本实用新型通过采用宽频振动能量收集器收集能量并为各部分提供电能，使得无线传感模块简化成一个微小的功能模块，实现了功能的集成化，降低了应用成本，并可以作为独立的产品进行生产和工作。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线传感技术领域，具体涉及一种基于宽频振动能量收集器的无线传感模块。
背景技术
无线传感模块的发展方向是小型化以降低应用成本，因此也要求供电部分具有体积小、重量轻、寿命长等特点。然而，现有的无线传感模块的供电部分的体积都较大，且不能持续不断地供电，需要定期进行保养，应用成本较高。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型旨在提供一种宽频振动能量收集器的无线传感模块，通过采用宽频振动能量收集器收集能量并为各部分提供电能，使得无线传感模块简化成一个微小的功能模块，实现了功能的集成化，降低了应用成本，并可以作为独立的产品进行生产和工作。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案;
一种基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，包括传感器、A/D转换模块、处理器、存储器和无线发射器，所述传感器连接于所述A/D转换模块，所述A/D转换模块、存储器、无线发射器均连接于所述处理器；还包括超级电容和宽频振动能量收集器；所述宽频振动能量收集器包括悬臂梁结构，所述悬臂梁结构主要由悬臂梁、质量块和压电层组成，所述压电层从上往下依次包括上电极、压电材料和下电极；所述压电层设于所述悬臂梁的表面，所述质量块连接于所述悬臂梁；所述宽频振动能量收集器至少包括两个悬臂梁结构，每个悬臂梁结构之间相耦合；所述宽频振动能量收集器的压电层通过整流电路电性连接于所述超级电容，所述超级电容则为传感器、A/D转换模块、处理器、存储器和无线发射器提供电能。
进一步地，每个悬臂梁结构上的悬臂梁通过横梁相耦合，所述横梁连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块。
作为一种实施方式，每个悬臂梁结构上的悬臂梁通过横梁相耦合，所述横梁还连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块；每个悬臂梁结构的悬臂梁连接于同一质量块，该质量块还连接于所述横梁。
作为另一种实施方式，其中一个悬臂梁结构的悬臂梁为外缘呈三角形结构的框架状结构，另一悬臂梁结构的呈三角形结构的悬臂梁位于其框架状结构内；所述外缘呈三角形结构的框架状结构的悬臂梁的自由端连接于一质量块，而另一三角形结构的悬臂梁的固定端连接于该质量块，自由端则连接有另一质量块。
作为另一种实施方式，悬臂梁呈三角形结构，其中一个悬臂梁的自由端连接于方框形状的质量块，所述方框形状的质量块内连接于另一三角形结构的悬臂梁的固定端，该悬臂梁的自由端连接有质量块。
作为另一种实施方式，每个悬臂梁结构之间并联，每个悬臂梁结构的质量块连接于所述悬臂梁的自由端并且每个悬臂梁的自由端通过弹簧连接，所述弹簧的弹性系数比每个悬臂梁的弹性系数小，且谐振频率不同。
作为另一种实施方式，每个悬臂梁结构之间通过弹簧并联，且每个悬臂梁结构的质量块均设于悬臂梁的中部，所述弹簧的两端分别连接于所耦合的两个悬臂梁结构的悬臂梁的中部；所述压电层布满所述悬臂梁的表面；所述弹簧的弹性系数小于所述悬臂梁的弹性系数。
作为另一种实施方式，所有的悬臂梁结构组成一个阵列，每个悬臂梁结构之间通过梁连接。
本实用新型的有益效果在于：
1、通过采用宽频振动能量收集器收集能量并为各部分提供电能，使得无线传感模块简化成一个微小的功能模块，实现了功能的集成化，降低了应用成本，并可以作为独立的产品进行生产和工作。
2、宽频振动能量收集器采用悬臂梁多级耦合的连接方式，并使得不同级之间的弹性系数不同，从而拓宽能量收集器的频带范围。
附图说明
图1为本实用新型的总体结构示意图；
图2为本实用新型结构的总设计构思示意图；
图3为图2中AA’剖面图；
图4为图2中所示结构的能量收集输出的电能示意图。
图5-图14均为实施例1-10的结构示意图；
图15-16为实施例1的仿真结果示意图；
图17-18为实施例3的仿真结果示意图；
图19-20为实施例4的仿真结果示意图；
图21-22为实施例5的仿真结果示意图；
图23-24为实施例8的仿真结果示意图；
图25-26为实施例9的仿真结果示意图；
图27-28为实施例10的仿真结果示意图；
图29为本实用新型实施例的电路示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的范围并不限于本实施例。
如图1所示，一种基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，包括传感器101、A/D转换模块106、处理器、存储器（在本实施例中所述处理器和存储器为一体式模块102）和无线发射器104，所述传感器101连接于所述A/D转换模块106，所述A/D转换模块106、存储器、无线发射器104均连接于所述处理器。还包括超级电容105和宽频振动能量收集器103。
如图2-3所示，所述宽频振动能量收集器，包括悬臂梁结构1，所述悬臂梁结构1主要由悬臂梁11、质量块12和压电层组成，所述压电层从上往下依次包括上电极13、压电材料14和下电极15，16所示为悬臂梁11的固定端，用于将悬臂梁结构固定在载体上；所述压电层设于所述悬臂梁11的表面，所述质量块12连接于所述悬臂梁11；所述宽频振动能量收集器至少包括两个悬臂梁结构1，每个悬臂梁结构1之间相耦合。
超级电容和宽频振动能量收集器连接电路图如图29所示，U为能量收集器，D1-D4为二极管，C为超级电容。D1-D4组成整流电路，将能量收集器中所有压电层输出的交变电压整流为直流电压为超级电容C充电。超级电容C为无线传感模块中所有的用电部件供电。
所述无线传感模块工作时，传感器将传感到的数据经过A/D转换模块的转换后传输至处理器中，处理器传输至存储器进行存储，并通过无线发射器发送至外部终端。
需要说明的是，悬臂梁、次级悬臂梁和质量块的材料可为硅Si，上电极和下电极可采用铝Al、镍Ni、钼Mo等，压电材料可采用锆钛酸铅薄膜PZT，氮化铝薄膜AlN、氧化锌薄膜ZnO、氮化铝钪薄膜ScxAl1-xN、PVDF薄膜、PVDF-TrFE薄膜和PDMS薄膜等。
当振动能量收集器感应到外界能量而使得质量块振动起来时，质量块带动悬臂梁振动，悬臂梁进而带动压电材料发生弯曲变形，压电材料会出现压电现象，上下电极将压电材料所生成的电荷转移出去，从而实现能量采集功能。
宽频原理：当如图2所示两悬臂梁采用横梁2连接起来，且两梁的谐振频率不同但相近时，两悬臂梁便会产生耦合现象，一方振动会带动另一方振动，这种耦合在能量收集输出的电能上会出现如图4所示的现象。在图4中，每条曲线都出现了两个波峰，及在更宽的频率范围内都能够收集到能量，实现了宽频效果。此外，随着外界环境的振动越剧烈，出现的波峰幅值越大，收集到的能量也越大。
实施例1
如图5所示，每个悬臂梁结构1上的悬臂梁11通过横梁2相耦合，自由端上连接有质量块12。所述横梁2连接于次级悬臂梁3的一端；悬臂梁11上设有压电层，组成如图3所示。所述次级悬臂梁3上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块31。如图5所示。所述次级悬臂梁的压电层的组成和图3所示的悬臂梁结构的压电层设置方式相同。在本实施例中还包括有外框架101，每个悬臂梁结构的悬臂梁的固定端均固定于所述外框架101。
实施例1的仿真结果如图15-16所示，图15所示为实施例1的模型经过仿真所得到的形变图，依据图15中显示，共有两处存在谐振，分别在悬臂梁末端及横梁末端（如图所示）。图16为图15所示模型的仿真结果图，图中的横坐标为频率，纵坐标为振幅。从图中可以看出存在两处谐振点，且在两次谐振点之间的频率区间内，能量收集器的输出电能都比较大，达到宽频目的。
实施例2
如图6所示，每个悬臂梁结构1上的悬臂梁11通过横梁2相耦合，所述横梁2的还连接于次级悬臂梁3的一端；所述次级悬臂梁3上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块31；每个悬臂梁结构1的悬臂梁11连接于同一质量块12，该质量块12还连接于所述横梁2。悬臂梁11上设有压电层，组成如图3所示。所述次级悬臂梁的压电层的设置方式和图3所示的悬臂梁结构的压电层设置方式相同。在本实施例中，所述横梁2连接悬臂梁的自由端，并且质量块12叠合在横梁上。在本实施例中还包括有外框架101，每个悬臂梁结构的悬臂梁的固定端均固定于所述外框架101。
实施例3
本实施例原理与实施例2类似，如图7所示，实质上为在实施例2的基础上，进一步增加了悬臂梁11和次级悬臂梁3的数量（悬臂梁数量为四个，次级悬臂梁数量为两个），悬臂梁11的固定端连接于框架101，自由端共同连接于横梁2，并且共用同一质量块12。在本实施例中，所述质量块12叠合在悬臂梁11的自由端和横梁2上。悬臂梁11上设有压电层，组成如图3所示。
实施例3的仿真结果图17-18所示，图17所示为实施例1的模型经过仿真所得到的形变图，图18为图17所示模型的仿真结果图。
实施例4
在本实施例中，所述悬臂梁11均呈三角形结构。如图8所示，其中一个悬臂梁结构的悬臂梁11为外缘呈三角形结构的框架状结构，另一悬臂梁结构的呈三角形结构的悬臂梁11位于其框架状结构内；所述外缘呈三角形结构的框架状结构的悬臂梁11的自由端连接于一质量块12，而另一三角形结构的悬臂梁11的固定端连接于该质量块12，自由端则连接有另一质量块12。悬臂梁11的固定端连接于外框架101。悬臂梁11上设有压电层，组成如图3所示。
实施例4的仿真结果图如19-20所示，图19所示为实施例1的模型经过仿真所得到的形变图，图20为图19所示模型的仿真结果图。
实施例5
在本实施例中，如图9所示，悬臂梁11呈三角形结构。悬臂梁11的自由端连接于方框形状的质量块12，所述质量块12内连接于三角形结构的悬臂梁11的固定端，该悬臂梁11的自由端连接有质量块12。所述质量块12相当于横梁耦合了两个悬臂梁11。位于方框形状的质量块12外的悬臂梁11的固定端连接于外框架101。悬臂梁11上设有压电层，组成如图3所示。
实施例5的仿真结果如图21-22所示，图21所示为实施例1的模型经过仿真所得到的形变图，图22为图21所示模型的仿真结果图。
实施例4和实施5的结构属于悬臂梁串联式连接方式，两悬臂梁不直接连接，第二级悬臂梁固定在第一级质量块上（类似电路中电阻串联形式），且每一悬臂梁上都有压电功能薄膜材料将振动能转为电能。
实施例6
如图10所示，每个悬臂梁结构11之间并联，每个悬臂梁结构11的质量块12连接于所述悬臂梁11的自由端并且每个悬臂梁11的自由端通过弹簧5连接，考虑到两悬臂梁必须弹性连接才能实现拓频效果，所述弹簧的弹性系数必须比每个悬臂梁的弹性系数小。通过控制悬臂梁上质量块的尺寸大小不同，使得两悬臂梁的固有谐振频率不同。压电层4设于悬臂梁11的表面，组成如图3所示。悬臂梁11的固定端连接于外框架101。进一步地，所述弹簧5形状为S形弯曲状。
实施例7
本实施例的结构和实施例6的结构基本相同，但是所述弹簧5形状为矩形框架状，如图11所示。
实施例8
如图12所示，每个悬臂梁结构之间通过弹簧5并联，且每个悬臂梁结构的质量块12均设于悬臂梁11的中部，所述弹簧5的两端分别连接于所耦合的两个悬臂梁结构的悬臂梁11的中部；所述压电层4布满所述悬臂梁的表面（组成如图3所示）；所述弹簧5的弹性系数小于所述悬臂梁11的弹性系数。悬臂梁11的固定端连接于外框架101。进一步地，所述弹簧为S形弯曲状或矩形框架状（本实施例中为S形弯曲状）。
实施例8的仿真结果图23-24所示，图23所示为实施例1的模型经过仿真所得到的形变图，图24为图23所示模型的仿真结果图。
实施例9
本实施例与实施例8的结构基本相同，区别主要在于并联的悬臂梁结构有三个，如图13所示。
实施例9的仿真结果图25-26所示，图25所示为实施例1的模型经过仿真所得到的形变图，图25为图26所示模型的仿真结果图。
实施例10
所有的悬臂梁结构1组成一个阵列，每个悬臂梁结构1之间通过梁6连接。如图14所示。
实施例10的仿真结果图27-28所示，图27所示为实施例1的模型经过仿真所得到的形变图，图27为图28所示模型的仿真结果图。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，包括传感器、A/D转换模块、处理器、存储器和无线发射器，所述传感器连接于所述A/D转换模块，所述A/D转换模块、存储器、无线发射器均连接于所述处理器；其特征在于，还包括超级电容和宽频振动能量收集器；所述宽频振动能量收集器包括悬臂梁结构，所述悬臂梁结构主要由悬臂梁、质量块和压电层组成，所述压电层从上往下依次包括上电极、压电材料和下电极；所述压电层设于所述悬臂梁的表面，所述质量块连接于所述悬臂梁；所述宽频振动能量收集器至少包括两个悬臂梁结构，每个悬臂梁结构之间相耦合；所述宽频振动能量收集器的压电层通过整流电路电性连接于所述超级电容，所述超级电容则为传感器、A/D转换模块、处理器、存储器和无线发射器提供电能。
2.根据权利要求1所述的基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，其特征在于，每个悬臂梁结构上的悬臂梁通过横梁相耦合，所述横梁连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块。
3.根据权利要求1所述的基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，其特征在于，每个悬臂梁结构上的悬臂梁通过横梁相耦合，所述横梁还连接于次级悬臂梁的一端；所述次级悬臂梁上设有压电层，并且另一端连接有另一质量块；每个悬臂梁结构的悬臂梁连接于同一质量块，该质量块还连接于所述横梁。
4.根据权利要求1所述的基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，其特征在于，其中一个悬臂梁结构的悬臂梁为外缘呈三角形结构的框架状结构，另一悬臂梁结构的呈三角形结构的悬臂梁位于其框架状结构内；所述外缘呈三角形结构的框架状结构的悬臂梁的自由端连接于一质量块，而另一三角形结构的悬臂梁的固定端连接于该质量块，自由端则连接有另一质量块。
5.根据权利要求1所述的基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，其特征在于，悬臂梁呈三角形结构，其中一个悬臂梁的自由端连接于方框形状的质量块，所述方框形状的质量块内连接于另一三角形结构的悬臂梁的固定端，该悬臂梁的自由端连接有质量块。
6.根据权利要求1所述的基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，其特征在于，每个悬臂梁结构之间并联，每个悬臂梁结构的质量块连接于所述悬臂梁的自由端并且每个悬臂梁的自由端通过弹簧连接，所述弹簧的弹性系数比每个悬臂梁的弹性系数小，且谐振频率不同。
7.根据权利要求1所述的基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，其特征在于，每个悬臂梁结构之间通过弹簧并联，且每个悬臂梁结构的质量块均设于悬臂梁的中部，所述弹簧的两端分别连接于所耦合的两个悬臂梁结构的悬臂梁的中部；所述压电层布满所述悬臂梁的表面；所述弹簧的弹性系数小于所述悬臂梁的弹性系数。
8.根据权利要求1所述的基于宽频振动能量收集器的无线传感模块，其特征在于，所有的悬臂梁结构组成一个阵列，每个悬臂梁结构之间通过梁连接。
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