热释电/压电能量收集器及其集成系统技术方案

本发明专利技术公开了一种热释电/压电能量收集器及其集成系统，热释电/压电能量收集集成系统包括热释电/压电能量收集器、电源管理及储能单元、振动监测及温度检测单元以及基于低功耗微控制器的控制系统；热释电/压电能量收集器用于实现微弱振动能量、温差能量的收集；电源管理及储能单元用于电压变换、充电控制及储能；振动监测及温度检测单元用于监测振动状态、检测温差变化；基于低功耗微控制器的控制系统能在低流耗的电源系统可编程定时器控制下锐降系统待机功耗，并可程控控制升压电路、能量管理单元以及电源输出电路。采用本发明专利技术能有效实现微弱振动能量、温差能量的收集，满足特殊环境下低功耗智能传感器系统、无线传感网络以及微小型电子系统等的供电需求。

Pyroelectric / piezoelectric energy collector and integrated system thereof

The invention discloses a pyroelectric / piezoelectric energy harvester and integrated system, pyroelectric / piezoelectric energy harvesting system consists of a pyroelectric / piezoelectric energy harvester, power management and storage of vibration monitoring and temperature detection unit, and the control system of micro controller based on low power consumption; pyroelectric the piezoelectric energy collector for weak vibration energy, temperature difference energy collection; power management and storage unit for voltage conversion, charge control and energy storage; vibration monitoring and temperature detection unit for detecting changes in temperature, vibration condition monitoring; power system control system of low power microcontroller in programmable low current consumption the timer control system based on the sharp drop of standby power, and programmable control circuit, power management unit and a power output circuit. The invention can effectively realize the collection of the weak vibration energy and the temperature difference energy, and can satisfy the power supply demand of the low power consumption intelligent sensor system, the wireless sensor network and the miniature electronic system in the special environment.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热释电、压电、微能量收集以及嵌入式系统等领域，具体涉及一种适合微弱能量收集的热释电/压电能量收集器及其集成系统。
技术介绍
随着无线传感网络和可携带电子器件等技术的飞速发展，特别是以低功耗智能传感器系统(如植入式器件)和分布式无线传感器网络的快速发展，从周围环境中收集能量及其相关技术越来越受到广大科研人员关注。和定期充电的移动设备不同，无线传感网络节点或智能传感系统往往需要依靠自身的电池持续工作，且工作环境较差。就目前而言，一次性电池或者可充电电池仍然是首选。尽管电池的储能密度和使用寿命不断提高，但受容量和体积的限制，供能寿命有限，制约无线传感网络节点或智能传感系统的使用寿命。因此，解决如何高效地从周围环境中收集并储存能量，如何解决无线传感网络节点或智能传感系统长期供能相关技术具有十分重要的现实意义。近年来，针对于低功耗的分布式无线传感器网络和智能传感器系统供能技术的研究主要集中在对各种能量源的采集，以解决这些对于一次性电池或者可充电电池的依赖。研究中，常见的太阳能为最成熟的能量收集来源，如大连理工大学张家宁等利用太阳能板进行能源收集并把能量储存在锂电池给集能式传感器网络机制的节点供电，并进行电池电量和数据包投递率的数据特性分析；其次包括从电磁辐射、超声波、温度梯度、人体运动等获得的能量等，如北京林业大学陈明阔等利用集热管、空气、浅层土壤使温差发电器两端形成有效温差、设计了热电能量收集装置，获得了较好的发电效果；华北电力大学高成刚等基于LTC3588-1和超级电容搭建了振动能量收集装置，对无线传感节点的供电问题进行了研究；南京理工大学李甲胜等为解决超声波热能表的长期供电问题,设计了能量收集系统，利用半导体温差发电片将管道中的热能转化为电能，并采用电池电源和温差发电系统并行设计的方案,避免了温差发电系统能力不足或温度波动等影响,解决了超声波热能表的长期工作供电问题；华北电力大学邬登金等制作了基于压电陶瓷的人体踩压能量收集及利用装置，此装置包括储能和利用两部分。在储能方面，设计了能量收集模块，把压电陶瓷发出的交流电整流后存入超级电容中。就目前研究而言，研究主要集中在如何进行能量采集、如何储能研究较多，但在如何高效进行能量收集并储能方面的研究相对而言较少。为此，以微电子技术、嵌入式技术为基础，深入开展微弱能量收集及相关技术对于进一步研究低功耗无线传感网络节点或智能传感系统在农业、工业、建筑业、医疗、智能交通和环境监测等领域的应用具有十分重要的意义。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于有效解决热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器基于热释电、压电效应转换后能量的高效收集、并尽可能地减少集成系统自身能耗等关键技术问题，提供一种基于低功耗微控制器架构的热释电/压电能量收集器及其集成系统。本专利技术的目的之一是通过以下技术方案来实现的，热释电/压电能量收集器，包括支架基座、热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器、薄膜型热敏电阻、振动敏感元件、悬臂梁以及质量块，所述支架基座，用于将热释电/压电能量收集器固定在振动/发热装置上，以实现热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器同步振动，以及用于热释电/压电能量收集器与振动/发热装置之间的热传导；所述热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器按一定串、并联结构在悬臂梁振动状态下/环境中存在温度梯度和热流等情况下产生电荷；所述薄膜型热敏电阻，粘贴在悬臂梁与热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器之间，用于检测温度及温度变化；所述振动敏感元件，粘贴在热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器与质量块之间，用于监测振动状态；所述悬臂梁，一端连接支架基座，外界振动从基座传递到悬臂梁上，使得悬臂梁振动，产生弯曲变形，该变形使粘贴在悬臂梁上的热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器感受到并随之产生压电效应，将振动能量转换为电能；随着悬臂梁的振动，使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器表面的温度场发生改变，该变化的温度场使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器产生热释电效应，将温差能量转换为电能；所述质量块，安装在悬臂梁末端，起调节振动频率及提高能量转换能力作用。本专利技术的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种热释电/压电能量收集集成系统，包括热释电/压电能量收集器、电源管理及储能单元、振动监测及温度检测单元以及基于低功耗微控制器的控制系统；所述热释电/压电能量收集器用于实时输出振动状态、温差变化相关参量；用于固定在某振动/发热装置上，以实现热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器同步振动，以及处于变化的温度场中，以实现振动状态、温差变化的输出以及微弱振动能量、温差能量的收集；所述电源管理及储能单元用于程控升压控制收集随振动/温度改变得到的交流电信号，优化低压交流电压管理；用于AC-DC、DC-DC电压变换；用于实现从低电流、断续或者连续电能对中间储能单元充电；用于将热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器产生的电压，输出稳定的直流3.3V电压；所述振动监测及温度检测单元，用于监测振动状态、温差变化，便于微控制器优化控制程控升压；所述基于低功耗微控制器的控制系统，在低流耗的电源系统可编程定时器控制下锐降系统待机功耗，并可程控控制升压电路、能量管理单元以及电源输出电路，以实现微弱能量的高效收集、管理以及电源输出控制。进一步，包括支架基座、热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器、薄膜型热敏电阻、振动敏感元件、悬臂梁以及质量块；所述支架基座，用于将热释电/压电能量收集器固定在振动/发热装置上，以实现热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器同步振动，以及用于热释电/压电能量收集器与振动/发热装置之间的热传导；所述热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器按一定串、并联结构在悬臂梁振动状态下/环境中存在温度梯度和热流等情况下产生电荷；所述薄膜型热敏电阻，粘贴在悬臂梁与热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器之间，用于检测温度及温度变化；所述振动敏感元件，粘贴在热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器与质量块之间，用于监测振动状态；所述悬臂梁，一端连接支架基座，外界振动从基座传递到悬臂梁上，使得悬臂梁振动，产生弯曲变形，该变形使粘贴在悬臂梁上的热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器感受到并随之产生压电效应，将振动能量转换为电能；随着悬臂梁的振动，使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器表面的温度场发生改变，该变化的温度场使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器产生热释电效应，将温差能量转换为电能；所述质量块，安装在悬臂梁末端，起调节振动频率及提高能量转换能力作用。进一步，所述电源管理及储能单元包括程控升压电路、电源管理单元电路、中间储能单元电路；所述程控升压电路，用于实现经热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器转换后的电信号进行放大；所述电源管理单元电路，即对收集的不稳定的电信号转化为恒定的直流电压输出；用于将收集的能量存储到中间储能单元；所述中间储能单元电路，用于实现从低电流、断续或连续电能对锂离子/锂聚合物电池充电；用于监测电池发热量。进一步，所述振动监测及温度检测单元包括振动判别电路、桥式温敏电路及前置放大电路；所述振动判别电路，用于检测振动敏感元件导通/断开状态，对振动状态进行判别；所述桥式温敏电路及前置放大电路，用于检测温度变化，本文档来自技高网...

【技术保护点】
热释电/压电能量收集器，其特征在于：包括支架基座(6)、热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器(3)、薄膜型热敏电阻(4)、振动敏感元件(2)、悬臂梁(5)以及质量块(1)；所述支架基座，用于将热释电/压电能量收集器固定在振动/发热装置上，以实现热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器同步振动，以及用于热释电/压电能量收集器与振动/发热装置之间的热传导；所述热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器按一定串、并联结构在悬臂梁振动状态下/环境中存在温度梯度和热流等情况下产生电荷；所述薄膜型热敏电阻，粘贴在悬臂梁与热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器之间，用于检测温度及温度变化；所述振动敏感元件，粘贴在热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器与质量块之间，用于监测振动状态；所述悬臂梁，一端连接支架基座，外界振动从基座传递到悬臂梁上，使得悬臂梁振动，产生弯曲变形，该变形使粘贴在悬臂梁上的热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器感受到并随之产生压电效应，将振动能量转换为电能；随着悬臂梁的振动，使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器表面的温度场发生改变，该变化的温度场使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器产生热释电效应，将温差能量转换为电能；所述质量块，安装在悬臂梁末端，起调节振动频率及提高能量转换能力作用。...

【技术特征摘要】
1.热释电/压电能量收集器，其特征在于：包括支架基座(6)、热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器(3)、薄膜型热敏电阻(4)、振动敏感元件(2)、悬臂梁(5)以及质量块(1)；所述支架基座，用于将热释电/压电能量收集器固定在振动/发热装置上，以实现热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器同步振动，以及用于热释电/压电能量收集器与振动/发热装置之间的热传导；所述热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器按一定串、并联结构在悬臂梁振动状态下/环境中存在温度梯度和热流等情况下产生电荷；所述薄膜型热敏电阻，粘贴在悬臂梁与热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器之间，用于检测温度及温度变化；所述振动敏感元件，粘贴在热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器与质量块之间，用于监测振动状态；所述悬臂梁，一端连接支架基座，外界振动从基座传递到悬臂梁上，使得悬臂梁振动，产生弯曲变形，该变形使粘贴在悬臂梁上的热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器感受到并随之产生压电效应，将振动能量转换为电能；随着悬臂梁的振动，使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器表面的温度场发生改变，该变化的温度场使热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器产生热释电效应，将温差能量转换为电能；所述质量块，安装在悬臂梁末端，起调节振动频率及提高能量转换能力作用。2.一种热释电/压电能量收集集成系统，其特征在于：包括热释电/压电能量收集器(A)、电源管理及储能单元(B)、振动监测及温度检测单元(C)以及基于低功耗微控制器的控制系统(D)；所述热释电/压电能量收集器用于实时输出振动状态、温差变化相关参量；用于固定在某振动/发热装置上，以实现热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器同步振动，以及处于变化的温度场中，以实现振动状态、温差变化的输出以及微弱振动能量、温差能量的收集；所述电源管理及储能单元用于程控升压控制收集随振动/温度改变得到的交流电信号，优化低压交流电压管理；用于AC-DC、DC-DC电压变换；用于实现从低电流、断续或者连续电能对中间储能单元充电；用于将热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器产生的电压，输出稳定的直流3.3V电压；所述振动监测及温度检测单元，用于监测振动状态、温差变化，便于微控制器优化控制程控升压；所述基于低功耗微控制器的控制系统，在低流耗的电源系统可编程定时器控制下锐降系统待机功耗，并可程控控制升压电路、能量管理单元以及电源输出电路，以实现微弱能量的高效收集、管理以及电源输出控制。3.根据权利要求2所述的热释电/压电能量收集集成系统，其特征在于：所述热释电/压电能量收集器，包括支架基座(6)、热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器(3)、薄膜型热敏电阻(4)、振动敏感元件(2)、悬臂梁(5)以及质量块(1)；所述支架基座，用于将热释电/压电能量收集器固定在振动/发热装置上，以实现热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器同步振动，以及用于热释电/压电能量收集器与振动/发热装置之间的热传导；所述热释电/压电陶瓷片阵列能量收集器按一定串、并联结构在悬臂梁振动状态下/环境中存在温度梯度和热流等情况下产生电荷；所述薄膜型热敏电阻，粘贴在悬臂梁与热释电\...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖红华，付豪，周彬彬，吕义，廖宇，于婷，喻伟闯，袁海林，
申请(专利权)人：湖北民族学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42