[實(shí)用新型]壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201020184345.4
• 申請(qǐng)日: 2010-04-28
• 公開（公告）號(hào): CN201656813U
• 公開（公告）日: 2010-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邊義祥;楊成華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 揚(yáng)州博達(dá)電氣設(shè)備有限公司
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18
• 代理公司: 揚(yáng)州蘇中專利事務(wù)所(普通合伙) 32222
• 代理人: 張榮亮

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，是一種能量自給的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)采用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電，無(wú)需更換電池或?qū)﹄姵爻潆?，?shí)現(xiàn)全天候、免維護(hù)工作。

背景技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless?Sensor?Networks)是由大量節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)的分布式網(wǎng)絡(luò)，綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域技術(shù)，通過各類微型傳感器對(duì)信息目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由嵌入式微處理器對(duì)信息進(jìn)行加工處理，并通過無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程用戶，在國(guó)防安全、工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域各種控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域都有重要的科研價(jià)值和實(shí)用價(jià)值，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，有自己的缺點(diǎn)：傳統(tǒng)的電池因其體積大、使用壽命短而逐漸不能滿足使用要求；當(dāng)電池電量不足、泄漏或接觸不良時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信靈敏度、通信距離都大大降低，嚴(yán)重時(shí)甚至通信失靈，因此需要經(jīng)常更換電池，或?qū)﹄姵爻潆?，增加了使用成本；同時(shí)，電池含有重金屬，廢舊電池處理不當(dāng)會(huì)造嚴(yán)重的環(huán)境污染。電池漸漸的不能完全滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用要求。

為解決這一制約問題，科學(xué)研究人員引入了“能量采集”這一概念。通常意義上所講的“能量采集”實(shí)際上特指將其他形式的能量采集、轉(zhuǎn)換為電能。即將器件所處環(huán)境中的能源轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在電池、電容等儲(chǔ)能裝置中以滿足器件的需求。

環(huán)境中能量采集的來(lái)源包括太陽(yáng)能，振動(dòng)能，噪聲，溫度梯度等多種能源。其中，振動(dòng)機(jī)械能是一種較普遍的能源形式，廣泛存在于樓宇、橋梁、車輛、船舶、飛行器、機(jī)電設(shè)備等各種生產(chǎn)和生活設(shè)備，也存在于人體的肢體運(yùn)動(dòng)、血液流動(dòng)、心臟跳動(dòng)等生命過程中，且有著較高的能量密度(250-330μW/cm³)。因此對(duì)振動(dòng)機(jī)械能進(jìn)行采集有著非常廣泛的應(yīng)用。

對(duì)振動(dòng)能量的采集和轉(zhuǎn)換主要存在三種方式：壓電式，靜電式和電磁式。壓電式能量采集方式的能量密度大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于微型化。壓電發(fā)電的工作原理是基于正壓電效應(yīng)，將環(huán)境或人體的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為電能。根據(jù)壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)不同，有碰撞式壓電發(fā)電和彎曲式壓電發(fā)電兩種發(fā)電方式。碰撞式發(fā)電是利用壓電元件受到碰撞時(shí)，應(yīng)力發(fā)生變化，產(chǎn)生電能。而彎曲式壓電發(fā)電是利用壓電元件彎曲的時(shí)候，應(yīng)力發(fā)生變化，產(chǎn)生電能。

彎曲式壓電發(fā)電裝置中，壓電材料一般都是制成壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。比如中國(guó)專利CN?100414808C提出了一種壓電俘能器，自由端懸掛集中質(zhì)量塊的懸臂梁兩面粘貼壓電材料，懸臂梁振動(dòng)時(shí)由壓電材料輸出電能并存儲(chǔ)起來(lái)，但產(chǎn)生的電能較小，主要用于微電子器件的供電。中國(guó)專利CN101017989A也公開了一種為微型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的壓電懸臂梁發(fā)電系統(tǒng)，其中壓電材料仍然粘貼在懸臂梁的上下兩面。中國(guó)專利CN101262189A公開了一種利用懸臂梁的壓電發(fā)電裝置，其中壓電材料還是粘貼在金屬懸臂梁的上下兩面。美國(guó)專利WO?2007121092也描述了主要用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)供電的的懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電能量回收裝置。上述的實(shí)用新型專利都是利用單個(gè)的壓電懸臂梁的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生電能，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)限制，只能把外界的某一頻率的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電效率低，頻率范圍窄，只能用于微型電子系統(tǒng)的供電。中國(guó)專利CN?101272109A公開了一種利用兩組叉指型的多個(gè)壓電懸臂梁，進(jìn)行寬頻發(fā)電裝置；其中的壓電懸臂梁是由壓電元件直接制成，或是由壓電元件粘接制成的。中國(guó)專利CN?101017989A公開了一種基于壓電振動(dòng)發(fā)電的自供電微型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，利用壓電懸臂梁，將環(huán)境的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)供電。

在上述的壓電發(fā)電裝置中，壓電懸臂梁由兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是直接用元件粘貼在一起，形成壓電雙晶片懸臂梁結(jié)構(gòu)；另一種是把壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成三明治結(jié)構(gòu)壓電懸臂梁。

在現(xiàn)有的壓電發(fā)電專利中，無(wú)論那一種形式的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，都是由整塊的壓電元件相互粘貼，或由整塊的壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成壓電懸臂梁。在壓電發(fā)電裝置中，常用的壓電材料是壓電陶瓷。由于壓電陶瓷的彈性模量較大，這樣由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁一階彎曲共振頻率較高，而由自然環(huán)境或人體提供的機(jī)械振動(dòng)，振動(dòng)頻率一般很低。這樣，在使用過程中，很難使壓電懸臂梁達(dá)到諧振工作狀態(tài)，產(chǎn)生的電能比較少，無(wú)法滿足一般的供電需要。而且，由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁，其中的壓電材料脆性較大，容易斷裂損壞，影響整個(gè)壓電發(fā)電裝置的使用壽命。