本发明专利技术公开了一种应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路，用于解决现有压电能量采集器采集效率低的技术问题。技术方案是采集器采用冲击式悬梁臂结构，车辆行驶在减速带上时，采集器内的压电材料将车辆的机械能转换为电能，在车辆驶离减速带后，悬梁臂处于带阻尼的自由振动状态，压电材料继续将自身的机械振动转换为电能，实现电能的持续输出。与其配套的采集电路通过控制和改变DC‑DC开关变换器的开关周期和占空比，使其输入阻抗能够分别匹配压电材料在受到冲击期间和自由振动期间的阻抗，使压电材料输出的能量最大化。另外，当没有电能产生时，压电能量采集电路进入极低功耗的休眠模式以节约能量，显著提高了采集系统的采集效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种压电能量采集器，特别是涉及一种应用于道路减速带的压电能量采集器。还涉及这种应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路。
技术介绍
随着科学技术的快速发展，人类的生活质量得到不断提升。与此同时，能源危机和地球生态环境恶化日益加剧，节能减排和可再生能源成为当今全球性的热门课题。压电材料可将机械能转换成为电能，为产生绿色环保的可再生能源提供了有效途径。目前，在全球范围内汽车保有量持续增加，汽车不仅消耗了大量的石化能源，而且导致了严重的空气污染。收集车辆行驶过程中产生的动能和重力势能，并利用压电材料将其转化为电能加以利用，是提高能源使用效率的新思路。文献1“授权公告号是CN203071838U的中国技术专利”公开了一种基于压电效应的减速带发电系统。该系统包括发电装置以及与发电装置依次连接的电压转换及稳定装置、储能装置。该发电装置包括基体支撑机构、压电装置、导向机构和密封机构、压电装置底座。该发电装置的工作原理是:当减速带受到汽车的压力时，基体支撑机构压迫压电装置变形并产生电能。但是该发电装置的缺点是，只有在车辆通过减速带的瞬间，对发电装置施加压力时才产生电能，而当车辆驶离减速带后就无能量输出，因此该装置产生电能的时间非常短暂，导致能量采集效率低。文献2“Resistive impedance matching circuit for piezoelectric energy harvesting，Journal of Intelligent Material Systems and Structures,September 2010,Vol.21,pp.1293-1302”中提出了一种针对振动的压电能量采集电路实现方案。该电路根据阻抗匹配时可实现最大能量传输的原理，将DC-DC开关变换器的输入阻抗与压电材料的输出阻抗相匹配，提高了压电能量采集系统的采集效率。该电路结构简单，能量消耗低。但该电路方案的缺点是，由于DC-DC开关变换器的开关控制器只产生固定开关周期的方波信号，因此只适用于具有固定振动频率的压电采集系统。另外，该电路方案没有提出无能量输入时的处理方法。
技术实现思路
为了克服现有压电能量采集器采集效率低的不足，本专利技术提供一种应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路。该采集器采用冲击式悬梁臂结构，增加了电能输出时间。车辆行驶在减速带上时，采集器内的压电材料将车辆的机械能转换为电能，在车辆驶离减速带后，悬梁臂处于带阻尼的自由振动状态，压电材料继续将自身的机械振动转换为电能，实现电能的持续输出。与其配套的采集电路通过控制和改变DC-DC开关变换器的开关周期和占空比，使其输入阻抗能够分别匹配压电材料在受到冲击期间和自由振动期间的阻抗，使压电材料输出的能量最大化。另外，当没有电能产生时，压电能量采集电路进入极低功耗的休眠模式以节约能量，显著提高了采集系统的采集效率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于道路减速带的压电能量采集器，其特点是包括悬梁臂底座1、悬梁臂2、冲击杆架3、冲击杆4、第一弹簧5、弹簧基座6、第二弹簧7、压电材料8和金属薄片9。悬梁臂底座1表面的一端固定有悬梁臂2，另一端与第一弹簧5相连；悬梁臂2由压电材料8和金属薄片9组成，悬梁臂2的一端固定在悬梁臂底座1的表面，另一端悬空；冲击杆架3的一面固定在减速带顶部的正下面，另一面分别连接第一弹簧5、冲击杆4和第二弹簧7；冲击杆4一端固定在冲击杆架3上，另一端悬浮于悬梁臂2的自由端的垂直上方；第一弹簧5安置于悬梁臂底座1和冲击杆架3之间；第二弹簧7安置于弹簧基座6和冲击杆架3之间。当车辆到达减速带的顶部时，车轮压迫减速带导致冲击杆架3和冲击杆4下降；当冲击杆4接触到悬梁臂2后，悬梁臂2随冲击杆4运动，此时压电材料8开始输出电压；随着车辆的继续行驶，冲击杆4持续下降，当车轮压力达到最大时冲击杆4到达最低点，此时压电材料8输出峰值电压；当车轮驶离减速带时，由于压力减小，弹簧的弹力迫使冲击杆4恢复到初始位置，此时冲击杆4与悬梁臂2不接触，悬梁臂2将从最大位移处开始做带阻尼的自由振动。一种上述应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路，其特点是包括全桥整流器、DC-DC开关变换器和开关信号控制器。全桥整流器的输入端与压电材料的输出电极相连，压电材料的输出电压经过全桥整流器整流后输出给DC-DC开关变换器。开关信号控制器的输出连接DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极，用于控制DC-DC开关变换器实现对储能器件的充电。开关信号控制器产生周期性的方波信号控制DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的通断。所述的开关信号控制器由唤醒模块、开关信号产生模块、冲击周期检测模块以及开关信号变换模块组成。唤醒模块的输入端连接在全桥整流器的输出端，其输出信号分别连接到冲击周期检测模块、开关信号产生模块以及开关信号变换模块，以启动和控制这三个电路模块工作。冲击周期检测模块的输入端连接在压电材料的输出电极两端，输出端连接到开关信号变换模块。开关信号变换模块的输出端连接开关信号产生模块，开关信号产生模块的输出端连接到DC-DC开关变换器的功率级开关管NM1的栅极。唤醒模块的功能是检测汽车能量并启动其它电路开始工作；开关信号产生模块用于产生控制功率级开关管NM1通断的周期性方波信号；冲击周期检测模块的功能是检测冲击周期是否结束；开关信号变换模块接收到冲击周期结束的信号后，向开关信号产生模块发出变换开关信号周期的指示信号。所述的开关信号控制器能够及时准确地检测有无车辆通过减速带，并控制整个能量采集电路的工作。当没有车辆通过时，控制能量采集电路使其工作在低功耗的休眠状态；而当车辆到来时，控制DC-DC开关变换器为储能器件充电。另外，在压电能量转换过程中，开关信号控制器还要控制DC-DC开关变换器的开关周期和占空比，使其与压电材料实现阻抗匹配。本专利技术的有益效果是：该采集器采用冲击式悬梁臂结构，增加了电能输出时间。车辆行驶在减速带上时，采集器内的压电材料将车辆的机械能转换为电能，在车辆驶离减速带后，悬梁臂处于带阻尼的自由振动状态，压电材料继续将自身的机械振动转换为电能，实现电能的持续输出。与其配套的采集电路通过控制和改变DC-DC开关变换器的开关周期和占空比，使其输入阻抗能够分别匹配压电材料在受到冲击期间和自由振动期间的阻抗，使压电材料输出的能量最大化。另外，当没有电能产生时，压电能量采集电路进入极低功耗的休眠模式以节约能量，显著提高了采集系统的采集效率。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。附图说明图1是本专利技术应用于道路减速带的压电能量采集器的结构图。图2是本专利技术应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路的框图。图3是本专利技术应用于道路减速带的压电能量采集器中冲击杆和悬梁臂的位移以及压电材料的输出电压波形图。图4是图2的实施例图。图5是图2中开关信号控制器的信号波形。图中，1-悬梁臂底座，2-悬梁臂，3-冲击杆架，4-冲击杆，5-第一弹簧，6-弹簧基座，7-第二弹簧，8-压电材料，9-金属薄片。具体实施方式以下实施例参照图1～5。本专利技术应用于道路减速带的压电能量采集器包括悬梁臂底座1、悬梁臂2、冲击杆架3、冲击杆4、第一弹簧5本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种应用于道路减速带的压电能量采集器，其特征在于：包括悬梁臂底座(1)、悬梁臂(2)、冲击杆架(3)、冲击杆(4)、第一弹簧(5)、弹簧基座(6)、第二弹簧(7)、压电材料(8)和金属薄片(9)；悬梁臂底座(1)表面的一端固定有悬梁臂(2)，另一端与第一弹簧(5)相连；悬梁臂(2)由压电材料(8)和金属薄片(9)组成，悬梁臂(2)的一端固定在悬梁臂底座(1)的表面，另一端悬空；冲击杆架(3)的一面固定在减速带顶部的正下面，另一面分别连接第一弹簧(5)、冲击杆(4)和第二弹簧(7)；冲击杆(4)一端固定在冲击杆架(3)上，另一端悬浮于悬梁臂(2)的自由端的垂直上方；第一弹簧(5)安置于悬梁臂底座(1)和冲击杆架(3)之间；第二弹簧(7)安置于弹簧基座(6)和冲击杆架(3)之间；当车辆到达减速带的顶部时，车轮压迫减速带导致冲击杆架(3)和冲击杆(4)下降；当冲击杆(4)接触到悬梁臂(2)后，悬梁臂(2)随冲击杆(4)运动，此时压电材料(8)开始输出电压；随着车辆的继续行驶，冲击杆(4)持续下降，当车轮压力达到最大时冲击杆(4)到达最低点，此时压电材料(8)输出峰值电压；当车轮驶离减速带时，由于压力减小，弹簧的弹力迫使冲击杆(4)恢复到初始位置，此时冲击杆(4)与悬梁臂(2)不接触，悬梁臂(2)将从最大位移处开始做带阻尼的自由振动。...
【技术特征摘要】
1.一种应用于道路减速带的压电能量采集器，其特征在于：包括悬梁臂底座(1)、悬梁臂(2)、冲击杆架(3)、冲击杆(4)、第一弹簧(5)、弹簧基座(6)、第二弹簧(7)、压电材料(8)和金属薄片(9)；悬梁臂底座(1)表面的一端固定有悬梁臂(2)，另一端与第一弹簧(5)相连；悬梁臂(2)由压电材料(8)和金属薄片(9)组成，悬梁臂(2)的一端固定在悬梁臂底座(1)的表面，另一端悬空；冲击杆架(3)的一面固定在减速带顶部的正下面，另一面分别连接第一弹簧(5)、冲击杆(4)和第二弹簧(7)；冲击杆(4)一端固定在冲击杆架(3)上，另一端悬浮于悬梁臂(2)的自由端的垂直上方；第一弹簧(5)安置于悬梁臂底座(1)和冲击杆架(3)之间；第二弹簧(7)安置于弹簧基座(6)和冲击杆架(3)之间；当车辆到达减速带的顶部时，车轮压迫减速带导致冲击杆架(3)和冲击杆(4)下降；当冲击杆(4)接触到悬梁臂(2)后，悬梁臂(2)随冲击杆(4)运动，此时压电材料(8)开始输出电压；随着车辆的继续行驶，冲击杆(4)持续下降，当车轮压力达到最大时冲击杆(4)到达最低点，此时压电材料(8)输出峰值电压；当车轮驶离减速带时，由于压力减小，弹簧的弹力迫使冲击杆(4)恢复到初始位置，此时冲击杆(4)与悬梁臂(2)不接触，悬梁臂(2)将从最大位移处开始做带阻尼的自由振动。2.一种权利要求1所述的应用于道路减速带的压电能量采集器用采集电路，其特征在于：包括全桥整流器、DC-DC开关变换器和开关信号控制器；全桥整流器的输入端与压电材料的输出...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈楠，魏廷存，郑铉俊，成台铉，河东三，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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