CN212463088U - 基于双向支撑能量采集器的自供能传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，能量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，所述能量采集器包括发电机构、支架和固定板，所述发电机构设有分别安装在支架和固定板上的万向节，两个所述万向节通过柔性铰链连接质量块的两端，所述柔性铰链的表面贴附有用于发电的压电陶瓷。本实用新型通过能量采集器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。
Description
技术领域
本实用新型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，例如加速度传感器几乎在所有的动力机械、桥梁构架、飞行器、高层建筑中都需要安装加速度传感器，从而达到实时监测设备所承受的加速度的目的。
随着加速度传感器日渐小型化的趋势，并且伴随着具有低成本、低能耗、使用便捷等特点的加速度传感器的出现，越来越多的加速度传感器出现在日常生活消费产品，例如目前最新笔记本电脑就内置了加速度传感器，它能够动态的监测出笔记本在使用中的振动，系统会根据得到的振动数据智能地选择关闭硬盘还是让其继续正常运行，有了这样的功能就可以最大限度地避免由于振动或摔了笔记本电脑等对硬盘造成损坏。
加速度计因体积小、灵敏度高、易制造和低功耗等特点而被广泛应用。特别是加速度传感器和无线通信技术创造性的结合后，又有了无线通信与自组织的特性。它能够通过无线传输的方法将在现场采集到的加速度数据发送至远程接收节点，进而实现对现场加速度的无线远程测量。
这类微器件的功耗越来越低，能够低至微瓦量级。但要求相应的供电部件体积小、集成度高、寿命长甚至无人看管、无需更换等。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，已经无法满足这些微器件的供能要求。借助于能量采集技术将自然界广泛存在的各种振动能量转换为电能，从而为微电子器件持久供电是一种有效的解决方案。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是实现一种能自主提供电能的传感器，并能够解决无线传感器携带电池能量有限的问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，能量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，所述能量采集器包括发电机构、支架和固定板，所述发电机构设有分别安装在支架和固定板上的万向节，两个所述万向节通过柔性铰链连接质量块的两端，所述柔性铰链的表面贴附有用于发电的压电陶瓷。
每个所述发电机构设有四个柔性铰链，所述质量块的两端分别通过两个柔性铰链连接至万向节，所述质量块同侧的两个柔性铰链的可转动方向相互垂直，四个所述柔性铰链上均贴附有压电陶瓷。
每个所述柔性铰链的两个可弯折的面均贴附有压电陶瓷，所述发电机构中与质量块连接的两个柔性铰链的可转动方向相同，连接两个万向节的可转动方向的可转动方向相同。
多个所述发电机构上的质量块的质量不相同。
所述固定板设有多个且围绕支架设置，每个所述固定板均通过一个发电机构与支架连接。
所述固定板为围绕支架设置的圆形板材，所述发电机等夹角的设置在支架四周。
所述支架为柱状结构，所述固定板和支架的底部固定在底座上，所述固定板和支架的顶部固定有上密封板，所述底座上设有安装孔，所述底座通过穿过安装孔的螺栓将其固定在需要安装的位置。
所述压电陶瓷均为压电PZT-5H材料，同一个发电机构上的压电陶瓷并联接入电能储存电路，每个所述电能储存电路包括阻抗匹配电路、整流电路和电容器，所述阻抗匹配电路输入端连接压电陶瓷，所述阻抗匹配电路输出端连整流电路的输入端，所述整流电路的输出端为电容器充电，所述电容器连接电能瞬间放电电路输入端。
每个所述电能储存电路设有两个电容器分别为电容器Cst和电容器C0，所述整流电路具有两路输出分别连接电容器Cst和电容器C0，所述电容器Cst连接电能瞬间放电电路并为其供电，所述电容器C0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。
本实用新型通过能量采集器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
下面对本实用新型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为基于双向支撑能量采集器的自供能传感器结构示意图；
图2为基于双向支撑能量采集器的自供能传感器原理框图；
图3为基于双向支撑能量采集器的自供能传感器中电源管理电路原理图；
上述图中的标记均为：1、固定板；2、万向节；3、压电陶瓷；4、质量块；5、支架；6、柔性铰链；7、底座。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型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实用新型的实用新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
基于双向支撑能量采集器的自供能传感器采用能量采集器发电，能量采集器将自然界广泛存在的单自由度振动能量转换为电能，能量采集效率高，通过压电陶瓷3的串联、并联和阻抗匹配技术，改进能量采集器的输出电压、输出电流、输出功率等外特性。从而为传感器持久供电，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。
能量采集器包括发电机构、支架5和固定板1，发电机构整体为杆子，一般设置多个，发电机构设有分别安装在支架5和固定板1上的万向节2，万向节2能够保证发电机构能够获得更高的活动自由度，提升能量采集器的采集效果，每个发电机构上优选设置四个柔性铰链6，柔性铰链6为具有感谢的金属弹片，能够在一个方向上振动，四个柔性铰链6分别设置在质量块4的两侧，质量块4同侧的两个柔性铰链6相互连接，两个柔性铰链6的外端分别连接质量块4和万向节2，质量块4同侧的两个柔性铰链6的可转动方向相互垂直，发电机构中与质量块4连接的两个柔性铰链6的可转动方向相同，连接两个万向节2的可转动方向的可转动方向相同。
两种不同方向的柔性铰链6组成，可以多自由度振动并产生变形，提高能量采集的效率，柔性铰链6的表面是一层薄薄的压电陶瓷3材料，当梁上下振动时，压电陶瓷3受到一定的外力，产生变形在材料压电效应的作用下，在它的表面产生带电的电荷。当压电陶瓷3受到的外力相反的时，产生的电荷则会相反，外力一旦消失，电荷也会消失，产生的这些电量可以为连接压电陶瓷3的传感器提供电能，从而达到自主供能的效果，同时能量采集效率高，通过压电换能器并联和阻抗匹配技术，改进能量采集器的输出电压、输出电流、输出功率等外特性。从而为加速度传感器持久供电。
设置质量块4也能更好的提示振动持久力，可以采用不同质量的质量块4，这样在不同振动频率下，至少有一个发电机构能够可靠发掉，保证传感器的正常工作，
支架5为柱状结构，固定板1可以采用两种形式，一种是设有多个且围绕支架5设置，每个固定板1均通过一个发电机构与支架5连接。另一种是固定板1为围绕支架5设置的圆形板材，发电机等夹角的设置在支架5四周。采用第二种形式时，固定板1和支架5的底部固定在底座7上，固定板1和支架5的顶部固定有上密封板，这样可以构成一个密封的结构，保护内部器件，电子元器件可以根据需要固定在支架5上，也可以按照在底座7上，底座7是固定整体结构的稳定性，螺栓是用来固定底座7和固定板1，
电子元器件包括电能存储电路、控制电路、传感器、处理器和发射模块等，如图2所示，当发电机构振动产生相应的机械能,粘贴在柔性铰链6上的压电陶瓷3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速度传感器、处理器及发射模块工作，产生的电荷与加速度值成正比关系，电荷经导线传输到后端积分放大电路板处理后则转化为与振动加速度量相关的电压量输出，从而驱动传感器工作，例如采用加速度传感器测量振动加速度。
各柔性铰链6表面的压电层采用压电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，多个发电机构的压电层并联，以提高能量采集电流。其中压电层弹性常数为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4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3所示。其中超级电容Cst为储能电容，为传感器的工作提供能量。电解电容C0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Cst和C0进行充电。当Cst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Cst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。
整流电路设计中选定的是由美国Linear公司生产的电源管理芯片LTC3588，该芯片的突出优势是内部集成了一个低损耗的全波桥式整流电路，可对芯片的输出电压进行调整。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，其特征在于：能量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，所述电能储存电路通过电能瞬间放电电路连接传感器本体的电源端，所述能量采集器包括发电机构、支架和固定板，所述发电机构设有分别安装在支架和固定板上的万向节，两个所述万向节通过柔性铰链连接质量块的两端，所述柔性铰链的表面贴附有用于发电的压电陶瓷。
2.根据权利要求1所述的基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，其特征在于：每个所述发电机构设有四个柔性铰链，所述质量块的两端分别通过两个柔性铰链连接至万向节，所述质量块同侧的两个柔性铰链的可转动方向相互垂直，四个所述柔性铰链上均贴附有压电陶瓷。
3.根据权利要求2所述的基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，其特征在于：每个所述柔性铰链的两个可弯折的面均贴附有压电陶瓷，所述发电机构中与质量块连接的两个柔性铰链的可转动方向相同，连接两个万向节的可转动方向的可转动方向相同。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，其特征在于：多个所述发电机构上的质量块的质量不相同。
5.根据权利要求4所述的基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述固定板设有多个且围绕支架设置，每个所述固定板均通过一个发电机构与支架连接。
6.根据权利要求4所述的基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述固定板为围绕支架设置的圆形板材，所述发电机等夹角的设置在支架四周。
7.根据权利要求1、5或6所述的基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述支架为柱状结构，所述固定板和支架的底部固定在底座上，所述固定板和支架的顶部固定有上密封板，所述底座上设有安装孔，所述底座通过穿过安装孔的螺栓将其固定在需要安装的位置。
8.根据权利要求7所述的基于双向支撑能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述压电陶瓷均为压电PZT-5H材料，同一个发电机构上的压电陶瓷并联接入电能储存电路，每个所述电能储存电路包括阻抗匹配电路、整流电路和电容器，所述阻抗匹配电路输入端连接压电陶瓷，所述阻抗匹配电路输出端连整流电路的输入端，所述整流电路的输出端为电容器充电，所述电容器连接电能瞬间放电电路输入端。
9.根据权利要求8所述的基于双向支撑能量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Cst和电容器C0，所述整流电路具有两路输出分别连接电容器Cst和电容器C0，所述电容器Cst连接电能瞬间放电电路并为其供电，所述电容器C0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。
10.根据权利要求9所述的基于双向支撑能量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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| CN114110125B (zh) * | 2021-11-12 | 2024-01-23 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种带有自供能传感器系统的谐波减速器 |
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