用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，以解决当前工业环境中用于俘获气体压力能的微能源俘能器存在的俘获效率低等技术问题。本发明专利技术由微孔隙增流组件、圆筒阵列式发电组件和紧定螺钉三部分组成。微孔隙增流组件通过紧定螺钉与圆筒阵列式发电组件螺纹连接。所述微孔隙增流组件可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气定向移动，并对诱导后的气体进行增速和增流，从锥形喷气端排出作用于与微孔隙增流组件相连接的圆筒阵列式发电组件进行能量转化。本发明专利技术设计的压电俘能器可将气体的流速和流量放大，进而可将发电效率提高3倍以上。在低功耗传感器与低功耗器件供能等技术领域具有广泛的应用前景。

Vortex excited piezoelectric energy harvester for low power consumption sensor

The invention discloses a method for eddy current excitation type low power sensor for piezoelectric transducer for micro energy harvester, the trapping efficiency of technological problems of low trapping gas pressure energy to solve the current industrial environment. The invention is composed of three parts of a micro pore increasing current component, a cylindrical array type power generation assembly and a fastening screw. The micro hole flow increasing component is connected with the cylinder array power generation unit through the fastening screw. Increasing flow components can be induced by outside air in the directional movement of small flow and high pressure gas under the action of the micro pore, and the growth rate and the increasing flow of gas after induction, cylindrical array power components from the conical jet components connected to the discharge end effect and micropore flow increasing of energy conversion. The piezoelectric energy harvester designed by the invention can enlarge the flow rate and the flow rate of the gas, and the power generation efficiency can be increased by more than 3 times. It has wide application prospect in the field of low power consumption sensor and low power consumption.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，属于低功耗电子设备供能

技术介绍
随着气动技术朝着智能化和微型化方向的不断发展，使得低成本、小尺寸与低功耗的电路与传感器的研发取得了一定的进步，这使大型无线传感器网络在气动系统中的构建成为可能。无线传感网络中较为重要的组成部分是大量低功耗器件的能量供给系统。目前主要采用电源直接供能和化学电池供能两种方式作为低功耗器件的能量供给装置。然而，电源直接供能的方式会导致电磁干扰严重、系统布线复杂等问题，而化学电池供能的方式则存在电池本体尺寸大、寿命有限、需定期更换、成本高以及环境污染严重等不足。因此，研究一种面向气动系统低功耗器件与低功耗传感器供能的压电俘能器，以解决传统供能技术所带来的诸多弊端显得尤为迫切和需要。利用压电材料的正压电效应俘获环境中的微能源并转化为电能输出的微能源俘获与转化技术，由于具有能量转换效率高、清洁无污染、不受电磁干扰以及使用寿命长等优势，已成为当前环境微能源俘获与转化技术的研究热点问题之一。气体压力能是工业生产中大量存在的能源形式，其同样具备安全、清洁无污染以及能源可再生等优点。因此，合理利用工业生产环境中的气体能量，并结合压电材料的正压电效应将气体能量收集并转化成电能，可有效解决传统电源供能过程中带来的布线复杂以及化学电池供能过程中带来的需定期更换、污染环境等问题。然而，当前用于工业环境中压电俘能器大多不能将气体压力能直接转化为电能，或能量转化效率较低制约了此类俘能器在物联网节点、低功耗传感器和低功耗器件等低功耗电子设备供能
的应用。
技术实现思路
为解决当前工业环境中用于俘获气体压力能的微能源俘能器存在的能量俘获效率低等技术问题。本专利技术公开一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，可为低功耗传感器供能等低功耗电子设备供能
提供一种供能装置。本专利技术所采用的技术方案是：所述一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器包括微孔隙增流组件、紧定螺钉和圆筒阵列式发电组件，微孔隙增流组件通过紧定螺钉与圆筒阵列式发电组件螺纹连接；所述微孔隙增流组件包括锥形吸气端、吸气端螺钉、辅助套筒、锥形喷气端、喷气端螺钉、喷气端密封圈和吸气端密封圈；所述锥形吸气端与辅助套筒气体密封，锥形吸气端与辅助套筒螺纹连接；锥形喷气端与辅助套筒气体密封，锥形喷气端与辅助套筒螺纹连接；所述圆筒阵列式发电组件包括发电组件安装架、压电发电元件、谐振弹簧和柱体挡流块；发电组件安装架与压电发电元件固定，压电发电元件与谐振弹簧连接，压电发电元件与柱体挡流块固定。所述的锥形吸气端设置有吸气孔、吸气端通孔、吸气端密封圈凹槽和吸气端螺纹孔，吸气端螺纹孔与吸气端螺钉螺纹连接；所述辅助套筒设置有吸气端套筒螺纹孔，吸气端套筒螺纹孔与吸气端螺钉螺纹连接；辅助套筒设置有进气孔和喷气端套筒螺纹孔，喷气端套筒螺纹孔与喷气端螺钉螺纹连接。所述锥形喷气端设置有喷气端连通孔、锥形喷气口和喷气端螺纹孔；喷气端螺纹孔与喷气端螺钉螺纹连接；锥形喷气端设置有连接螺纹孔，连接螺纹孔与紧定螺钉螺纹连接；锥形喷气端设置有喷气端密封圈凹槽。所述的发电组件安装架设置有发电端螺纹固定孔，发电端螺纹固定孔通过紧定螺钉与微孔隙增流组件螺纹连接；发电组件安装架设置有压电元件固定槽、固定连接孔和环形出气口；所述柱体挡流块设置有压电元件固定槽，压电元件固定槽与压电发电元件固定。所述吸气孔半径为R0，吸气端通孔半径为R1，吸气孔与吸气端通孔的半径比为E=R0/R1，E值满足的范围为1~1.5；所述喷气端连通孔的半径为R3，喷气端连通孔与吸气端通孔的半径比为F=R3/R1，F值满足的范围为1.2~1.5。所述的发电组件安装架设置有压电元件固定槽，相邻两个压电元件固定槽间的中心距离为L，L的范围为10~20 mm；所述柱体挡流块半径为R，谐振弹簧原长为B，谐振弹簧与压电元件固定槽满足关系L=B+ζ R，ζ满足的范围为1~3之间；柱体挡流块长度为h，h/R的取值范围为2~6。所述的圆筒阵列式发电组件中压电发电元件可以选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。本专利技术设计的压电俘能器的工作原理是利用压电材料的正压电效应可将气体的冲击能量转化为电能。该压电俘能器可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气进行定向流动，可对诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从锥形喷气端流出并作用于与微孔隙增流组件相连接的圆筒阵列式发电组件进行电能转化。微孔隙增流组件具有一圈环状微型孔隙，由于孔隙的直径极小，因此，在高压气体的作用下喷射出的气体流速较快。由于快速的气体流动导致装置内部压力小于外界空气压力，因此外部空气会均匀的吸入微孔隙增流组件，进而达到增流的效果。圆筒阵列式发电组件采用柱体挡流块增强气体冲击产生发电效果，气流在柱体挡流块的影响下可进行附壁流动形成涡流，涡流会含有较高的气体能量，当涡流脱落时将能量释放从而使柱体挡流块带动压电元件发生较大形变，压电元件直接将气体能量转化为电能，同时谐振弹簧与压电发电元件两两相连，此种连接可产生谐振作用使压电元件发生多次形变以收集更多的气体能量。本专利技术的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所专利技术的微孔隙增流组件可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气定向移动，并对诱导后的气体进行增速和增流，从锥形喷气端排出作用于与微孔隙增流组件相连接的圆筒阵列式发电组件进行能量转化。本专利技术设计的压电俘能器将气体流速和流量放大，进而可将俘能器的能量俘获效率提高3倍以上。在低功耗传感器、低功耗器件供能等
具有广泛的应用前景。附图说明图1所示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的结构示意图；图2所示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的微孔隙增流组件结构示意图；图3所示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的锥形吸气端结构剖视图；图4所示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的辅助套筒结构剖视图；图5所示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的锥形喷气端结构剖视图；图6所示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的锥形吸气端与锥形喷气端局部结构剖视图；图7所示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的圆筒阵列式发电组件结构示意图；图8所示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的圆筒阵列式发电组件结构左视图；图9所示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的发电组件安装架结构剖视图；图10示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的压电发电元件结构剖视图；图11示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的柱体挡流块结构结构剖视图；图12示为本专利技术提出的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的全桥整流电路示意图。具体实施方式结合图1~图12说明本实施方式。本实施方式提供了一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器的具体实施方案。所述用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器由微孔隙增流组件1、紧定螺钉2和圆筒阵列式发电组件3组成。其中，微孔隙增流组件1通过紧定螺钉2与圆筒阵列式发电组件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于该用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器包括微孔隙增流组件（1）、紧定螺钉（2）和圆筒阵列式发电组件（3），微孔隙增流组件（1）通过紧定螺钉（2）与圆筒阵列式发电组件（3）螺纹连接；所述微孔隙增流组件（1）包括锥形吸气端（1‑1）、吸气端螺钉（1‑2）、辅助套筒（1‑3）、锥形喷气端（1‑4）、喷气端螺钉（1‑5）、喷气端密封圈（1‑6）和吸气端密封圈（1‑7）；所述锥形吸气端（1‑1）与辅助套筒（1‑3）气体密封，锥形吸气端（1‑1）与辅助套筒（1‑3）螺纹连接；锥形喷气端（1‑4）与辅助套筒（1‑3）气体密封，锥形喷气端（1‑4）与辅助套筒（1‑3）螺纹连接；所述圆筒阵列式发电组件（3）包括发电组件安装架（3‑1）、压电发电元件（3‑2）、谐振弹簧（3‑3）和柱体挡流块（3‑4）；发电组件安装架（3‑1）与压电发电元件（3‑2）固定，压电发电元件（3‑2）与谐振弹簧（3‑3）连接，压电发电元件（3‑2）与柱体挡流块（3‑4）固定。

【技术特征摘要】
1.一种用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于该用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器包括微孔隙增流组件（1）、紧定螺钉（2）和圆筒阵列式发电组件（3），微孔隙增流组件（1）通过紧定螺钉（2）与圆筒阵列式发电组件（3）螺纹连接；所述微孔隙增流组件（1）包括锥形吸气端（1-1）、吸气端螺钉（1-2）、辅助套筒（1-3）、锥形喷气端（1-4）、喷气端螺钉（1-5）、喷气端密封圈（1-6）和吸气端密封圈（1-7）；所述锥形吸气端（1-1）与辅助套筒（1-3）气体密封，锥形吸气端（1-1）与辅助套筒（1-3）螺纹连接；锥形喷气端（1-4）与辅助套筒（1-3）气体密封，锥形喷气端（1-4）与辅助套筒（1-3）螺纹连接；所述圆筒阵列式发电组件（3）包括发电组件安装架（3-1）、压电发电元件（3-2）、谐振弹簧（3-3）和柱体挡流块（3-4）；发电组件安装架（3-1）与压电发电元件（3-2）固定，压电发电元件（3-2）与谐振弹簧（3-3）连接，压电发电元件（3-2）与柱体挡流块（3-4）固定。2.根据权利要求1所述的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于所述的锥形吸气端（1-1）设置有吸气孔（1-1-1）、吸气端通孔（1-1-2）、吸气端密封圈凹槽（1-1-3）和吸气端螺纹孔（1-1-4），吸气端螺纹孔（1-1-4）与吸气端螺钉（1-2）螺纹连接；所述辅助套筒（1-3）设置有吸气端套筒螺纹孔（1-3-1），吸气端套筒螺纹孔（1-3-1）与吸气端螺钉（1-2）螺纹连接；辅助套筒（1-3）设置有进气孔（1-3-2）和喷气端套筒螺纹孔（1-3-3），喷气端套筒螺纹孔（1-3-3）与喷气端螺钉（1-5）螺纹连接。3.根据权利要求1所述的用于低功耗传感器供能的涡流激振式压电俘能器，其特征在于所述锥形喷气端（1-4）设置有喷气端连通孔（1-4-1）、锥形喷气口（1-4-2）和喷气端螺纹孔（1-4-3）；喷气端螺纹...

【专利技术属性】
技术研发人员：程廷海，李恒禹，柳虹亮，林洁琼，孙浩，宋兆阳，秦峰，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22