一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，包括支撑底座、夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路和能量管理单元；集能器包括压电元件、悬臂梁、第一质量块；幅值检测机构包括开关悬臂梁、轻弹簧、第二质量块；系统接口电路分别通过导线与压电元件和能量管理单元相连，系统接口电路分别通过导线与第一质量块和轻弹簧的接触点连接。本发明专利技术采用了同步开关电感回收技术(SSHI)，克服了原有电子开关需要额外的电子元件控制且消耗电能和机械开关不能适应振幅变化在幅值的正负极值处自动闭合的缺点；结构简单、可靠，能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通同步开关切换能量回收装置，具有广泛的运用前景。

A piezoelectric energy recovery device integrated with adaptive mechanical switches

The invention discloses a piezoelectric energy recovery device integrated with an adaptive mechanical switch, which comprises a support base, a clamp, a piezoelectric cantilever beam energy collector, a amplitude detection mechanism, a system interface circuit and an energy management unit; the energy collector comprises a piezoelectric element, a cantilever beam, a first mass block; and the amplitude detection mechanism comprises a switching cantilever. Beam, light spring, second mass block; system interface circuit is connected with piezoelectric element and energy management unit respectively through wire, system interface circuit is connected with the contact point of the first mass block and light spring respectively through wire. The invention adopts synchronous switching inductance recovery technology (SSHI), overcomes the shortcomings that the original electronic switch needs additional electronic components to control and consumes electric energy and the mechanical switch can not adapt to the amplitude change and automatically closes at the positive and negative extremes of the amplitude value; the structure is simple and reliable; the energy recovery efficiency and the average power output of electric energy are both high. Yu Putong synchronous switch to switch energy recovery device has wide application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置
本专利技术属于压电能量回收领域，特别涉及一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置。
技术介绍
无线传感器在大量研究人员的努力下一直飞速发展，已经广泛应用在医疗健康、结构监测与诊断、工业和农业生产、智能交通等领域。目前，大多数的无线传感器均采用电池供电的方式，考虑到电池替换的维护成本以及很多无法更换电池的应用场合，其使用寿命很大程度上受制于电池所能提供的能量，严重影响了无线传感器网络的可靠性和经济性。能量回收，即从环境中回收太阳能、热能、电磁辐射能、振动机械能等转化为电能，供给无线传感器使用，为解决电池对无线传感器的应用所带来的限制提供了一个很好的方案。回收环境中的能量给无线传感器供电由许多种回收方式，根据不同的换能机制，回收装置可分为利用压电效应的压电回收装置、利用电磁感应的电磁回收装置、利用静电感应的静电回收装置等。其中压电能量回收是一种重要的能量回收方式。并联同步开关电感回收法(SSHI技术)，基本原理是将全波整流方法与旁路开关电感相结合而产生新方法，在压电元件两端并联同步开关电感，同步开关电感的作用是将压电片的电压反向，以增大压电片的开路输出电压，压电片的能量仍然通过整流电桥和滤波电容等进行回收。在一般情形下，运用SSHI技术需要检测集能器的位移幅值，一般需要在装置上附加传感装置，并进行专门的信号处理获得，需要引入额外的电路处理单元。一方面，这带来了额外的成本和复杂度的上升，另一方面，在一些特定的低功耗和电磁环境复杂的场合，应用受到限制。目前，同步开关主要有电子开关和机械开关两种，电子开关通过电路来检测压电元件位移幅值的正负极值点，然后控制电子开关打开，但是由于控制电路自身会消耗一部分能量，会造成采集效率降低。现有的机械开关有很大局限性，而普通机械开关适应范围窄，不能适应振幅变化在幅值的正负极值处自动闭合，且切换时间有较大的延迟或提前，采集效率不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、性能可靠，能够自适应不同激励情况的同步开关电荷翻转，能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通机械开关能量采集器的具有自适应机械开关的压电能量回收装置。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，包括支撑底座、用于固定压电悬臂梁集能器和幅值检测机构的夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路和能量管理单元；所述夹具包括依次设置在支撑底座上的第一夹具、第二夹具、第三夹具和第四夹具；其中，第一夹具和第四夹具形状相同且对称设置，第二夹具和第三夹具形状相同且对称设置；所述压电悬臂梁集能器包括压电悬臂梁、压电元件和第一质量块，压电悬臂梁一端固定在第二夹具与第三夹具之间，压电悬臂梁靠近夹具一端的侧面上紧贴有压电元件；所述幅值检测机构包括两个开关悬臂梁、轻弹簧、第二质量块，两个开关悬臂梁分别固定在第一夹具与第二夹具、第三夹具与第四夹具之间；压电悬臂梁的两个侧面分别设有一个第一质量块；开关悬臂梁朝向压电悬臂梁一侧与第一质量块相对应的位置设有轻弹簧，轻弹簧与第一质量块能够相互接触；开关悬臂梁背向压电悬臂梁的一侧与轻弹簧相对应的位置设有第二质量块；第一质量块和对应的轻弹簧组成系统接口电路的机械开关，第一质量块和对应的轻弹簧分别作为该机械开关的两个电极；所述系统接口电路和能量管理单元安装在支撑底座上，系统接口电路分别通过导线与压电元件、能量管理单元和机械开关连接。进一步地，所述夹具与振动源固定连接，所述压电悬臂梁使用金属材料制成，压电悬臂梁的固有频率远大于开关悬臂梁的固有频率。进一步地，所述压电能量回收装置包括两个机械开关，每个机械开关分别采用第一质量块和对应的轻弹簧作为电极，当轻弹簧与对应的第一质量块接触时，该机械开关闭合；系统接口电路分别与第一质量块和轻弹簧相连。进一步地，所述系统接口电路包括电容C1、电感L和六个二极管；其中，二极管D3、D5串联，二极管D4、D6串联，二极管D5、D6的正极并联，二极管D3、D4的负极并联，两个并联端分别与电容C1和能量管理单元并联；二极管D3的正极连接压电悬臂梁一端，压电元件通过导线与二极管D4的正极和电感L的一端相连，电感L的另一端分别连接二极管D1的负极和D2的正极，二极管D1的正极和D2的负极分别通过导线与两个机械开关相连。进一步地，所述第一质量块为长方体结构，轻弹簧为弧形结构，第一质量块和轻弹簧采用导电材料制成或者第一质量块和轻弹簧的表面覆盖导电材料，轻弹簧与第一质量块的接触面相切。进一步地，所述开关悬臂梁对称设置于压电悬臂梁两侧，其中一个开关悬臂梁能够跟随第一质量块在正方向上的运动，另一个开关悬臂梁能够跟随第一质量块在负方向上的运动。进一步地，所述第一质量块设置在压电悬臂梁远离夹具的一端，第一质量块与压电悬臂梁之间能够良好导电。进一步地，所述轻弹簧在初始状态下与第一质量块零距离接触，两个机械开关均闭合。本专利技术的有益效果是：本专利技术的回收装置结构简单、性能可靠，运用于振动能量回收时，机械开关切换电流方向不需要消耗额外电能，且自适应机械开关能在不同的激励不同的振幅条件下稳定工作，能够自适应不同激励情况的同步开关电荷翻转，因此能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通机械开关能量采集器，所采集到的电能可给微型传感器等元件供电，能够提高集能器的能量采集效率，同时简化幅值检测，省略相关的专门信号处理单元，降低成本。附图说明图1为本专利技术的压电能量回收装置的结构示意图；图2为本专利技术的压电能量回收装置整体电路图；图3为本专利技术的压电能量回收装置轻弹簧和第一质量块局部放大图；图4为本专利技术的机械开关(S1、S2)的工作状态图；图5为本专利技术的压电元件的开路电压与位移的关系图；附图标记说明：1-支撑底座，2-第一夹具，3-第二夹具，4-第三夹具，5-第四夹具，6-压电元件，7-压电悬臂梁，8开关悬臂梁，9-轻弹簧，10-第一质量块，11-第二质量块，12-系统接口电路，13-能量管理单元。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的技术方案。如图1和图2所示，一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，包括支撑底座1、用于固定压电悬臂梁集能器和幅值检测机构的夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路(图2中的12)和能量管理单元(图2中的13)；所述夹具包括依次设置在支撑底座1上的第一夹具2、第二夹具3、第三夹具4和第四夹具5；其中，第一夹具2和第四夹具5形状相同且对称设置，第二夹具3和第三夹具4形状相同且对称设置；所述压电悬臂梁集能器包括压电悬臂梁7、压电元件6和第一质量块10，压电悬臂梁7一端固定在第二夹具3与第三夹具4之间，压电悬臂梁7靠近夹具一端的侧面上紧贴有压电元件6；所述幅值检测机构包括两个开关悬臂梁8、轻弹簧9、第二质量块11，两个开关悬臂梁8分别固定在第一夹具2与第二夹具3、第三夹具4与第四夹具5之间；压电悬臂梁7的两个侧面分别设有一个第一质量块10；开关悬臂梁8朝向压电悬臂梁7一侧与第一质量块10相对应的位置设有轻弹簧9，轻弹簧9与第一质量块10能够相互接触；开关悬臂梁8背向压电悬臂梁7的一侧与轻弹簧9相对应的位置设有第二质量块11；第一质量块10和对应的轻弹簧9组成系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：包括支撑底座(1)、用于固定压电悬臂梁集能器和幅值检测机构的夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路和能量管理单元；所述夹具包括依次设置在支撑底座(1)上的第一夹具(2)、第二夹具(3)、第三夹具(4)和第四夹具(5)；其中，第一夹具(2)和第四夹具(5)形状相同且对称设置，第二夹具(3)和第三夹具(4)形状相同且对称设置；所述压电悬臂梁集能器包括压电悬臂梁(7)、压电元件(6)和第一质量块(10)，压电悬臂梁(7)一端固定在第二夹具(3)与第三夹具(4)之间，压电悬臂梁(7)靠近夹具一端的侧面上紧贴有压电元件(6)；所述幅值检测机构包括两个开关悬臂梁(8)、轻弹簧(9)、第二质量块(11)，两个开关悬臂梁(8)分别固定在第一夹具(2)与第二夹具(3)、第三夹具(4)与第四夹具(5)之间；压电悬臂梁(7)的两个侧面分别设有一个第一质量块(10)；开关悬臂梁(8)朝向压电悬臂梁(7)一侧与第一质量块(10)相对应的位置设有轻弹簧(9)，轻弹簧(9)与第一质量块(10)能够相互接触；开关悬臂梁(8)背向压电悬臂梁(7)的一侧与轻弹簧(9)相对应的位置设有第二质量块(11)；第一质量块(10)和对应的轻弹簧(9)组成系统接口电路的机械开关，第一质量块(10)和对应的轻弹簧(9)分别作为该机械开关的两个电极；所述系统接口电路和能量管理单元安装在支撑底座(1)上，系统接口电路分别通过导线与压电元件(6)、能量管理单元和机械开关连接。...

【技术特征摘要】
1.一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：包括支撑底座(1)、用于固定压电悬臂梁集能器和幅值检测机构的夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路和能量管理单元；所述夹具包括依次设置在支撑底座(1)上的第一夹具(2)、第二夹具(3)、第三夹具(4)和第四夹具(5)；其中，第一夹具(2)和第四夹具(5)形状相同且对称设置，第二夹具(3)和第三夹具(4)形状相同且对称设置；所述压电悬臂梁集能器包括压电悬臂梁(7)、压电元件(6)和第一质量块(10)，压电悬臂梁(7)一端固定在第二夹具(3)与第三夹具(4)之间，压电悬臂梁(7)靠近夹具一端的侧面上紧贴有压电元件(6)；所述幅值检测机构包括两个开关悬臂梁(8)、轻弹簧(9)、第二质量块(11)，两个开关悬臂梁(8)分别固定在第一夹具(2)与第二夹具(3)、第三夹具(4)与第四夹具(5)之间；压电悬臂梁(7)的两个侧面分别设有一个第一质量块(10)；开关悬臂梁(8)朝向压电悬臂梁(7)一侧与第一质量块(10)相对应的位置设有轻弹簧(9)，轻弹簧(9)与第一质量块(10)能够相互接触；开关悬臂梁(8)背向压电悬臂梁(7)的一侧与轻弹簧(9)相对应的位置设有第二质量块(11)；第一质量块(10)和对应的轻弹簧(9)组成系统接口电路的机械开关，第一质量块(10)和对应的轻弹簧(9)分别作为该机械开关的两个电极；所述系统接口电路和能量管理单元安装在支撑底座(1)上，系统接口电路分别通过导线与压电元件(6)、能量管理单元和机械开关连接。2.根据权利要求1所述的一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：所述夹具与振动源固定连接，所述压电悬臂梁(7)使用金属材料制成，压电悬臂梁(7)的固有频率远大于开关悬臂梁(8)的固有频率。3.根据权利要求1所述的一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，其特征在于：所述压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟群，秦刚，张爽，袁忠鑫，祝乔，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51