[發明專利]自調諧式變頻微發電裝置及方法

有效

• 申請號: 201210564859.6
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN103066884B
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 陳光柱;孟慶春;付海嶺
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及環境中振動能量采集的小型化設備及方法應用，尤其適用于工作頻率變化較大的環境能量收集，適合于與傳感器應用的集成。

背景技術

傳感器網絡技術作為一種新興的監測技術，在生產生活中具有廣泛的應用。對于傳感器網絡，尤其是無線傳感網絡，能量供應對其影響很大，一般采用電池供電。然而工程中無線傳感器網絡節點常常由于監測位置原因，電池的更換有時非常困難，而電池的使用壽命有限。因此，為了實現整個傳感器網絡的長期有效的工作，延長無線傳感器網絡應用壽命和降低成本，為無線傳感器網絡提供足夠的、長期的能量是首先需要面對的。有效的方法是收集傳感器網絡周圍環境中的能量，并加以儲存為無線傳感器網絡提供能量。

無線傳感器網絡的使用場合中存在許多形式的機械振動能，利用壓電材料作為“能量采集”的功能元件，可以將環境中的機械振動能轉換為電能，實現振動能量采收，來替代傳統供能方式，為無線傳感器網絡的工作提供能源。

壓電能量收集一般采用壓電振子結構，當外在激振頻率等于壓電振子的固有頻率時，即處于諧振狀態時，壓電材料產生最大變形，發電效果最佳，輸出電壓或電荷量最大。然而在實際應用環境中，環境振動，如機械設備振動往往是變化的，即外在工作頻率是隨著時間是變動的，存在壓電振子固有頻率與外在激振頻率處于非諧振問題。壓電材料對于頻率的變化非常敏感，即使外界頻率與壓電振子固有頻率相差較小，其變形將迅速減小，發電能力迅速降低。普通的壓電能量收集裝置由于結構的原因，其頻率變化范圍較小，難以適應外界環境變化。

因此，需要設計一種諧振頻率可調的微小型壓電能量收集裝置，該裝置具有較大的頻率調節范圍，能夠適應不同的工作環境，在不同的工作條件下均能諧振，實現能量收集的最大化。該裝置可與后續的傳感器集成，經過處理的電能為傳感器節點提供能源，實現傳感器節點的自發電。

發明內容

本發明的目的是提供一種自調諧式變頻微發電裝置，將環境中的機械振動能轉換為電能，實現振動能量采收，來替代傳統供能方式，為無線傳感器網絡的工作提供能源。

本發明的自調諧式變頻微發電裝置由變頻裝置、發電裝置、固定裝置三部分組成。

其中，變頻裝置包括導軌、固定滑塊、活動滑塊。導軌的作用是承載滑塊的滑動，可以設計為直槽或燕尾槽。導軌上裝有固定滑塊和活動滑塊，滑塊與兩壓電振子一端鉸接，兩壓電振子另一端相互鉸接，目的是使壓電振子能夠隨著滑塊移動。質量塊安裝在兩個壓電振子鉸接的位置。

發電裝置為兩個壓電振子，所述壓電振子由壓電層與中性層組成。中性層采用可導電的金屬薄板，如青銅薄板；壓電層為壓電單晶、壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛或復合壓電材料PVDF薄膜，分布在金屬薄板上下端面，可以為一層或多層。壓電層與壓電層之間、壓電層與金屬薄板之間通過導電膠粘接。

固定裝置形式多樣，其目的是將裝置固定在振動機構上，與外部機構一起振動，從而獲得激振力。下文提出了本發明的一種優選結構的固定方式。

所述導軌、滑塊、質量塊、固定裝置的材料可以采用硬質塑料、鋁或者不銹鋼，根據工作環境頻率高低來選定。

有益效果：工作環境的振動帶動微發電裝置的振動，壓電片在應力作用下產生電荷，實現機械能與電能的轉換，經后續電路處理，即可為傳感器節點供電。滑塊在導軌上的運動，能夠改變兩壓電振子端點跨距，進而改變裝置剛度，固有頻率。跨距的精確調節保證了固有頻率能夠在較大范圍內變化，實現變頻率工作條件下發電能力的最優化。

發明內容

本發明的目的是提供一種自調諧式變頻微發電裝置，將環境中的機械振動能轉換為電能，實現振動能量采收，來替代傳統供能方式，為無線傳感器網絡的工作提供能源。

本發明的自調諧變頻微發電裝置由導軌、滑塊、壓電振子、質量塊、固定裝置構成。本裝置通過固定裝置與外部機構固定在一起，實現共同振動。導軌的作用是承載滑塊的滑動，可以設計為直槽或燕尾槽。導軌上裝有固定滑塊和活動滑塊，滑塊與兩壓電振子一端鉸接，兩壓電振子另一端相互鉸接，目的是使壓電振子能夠隨著滑塊移動。質量塊安裝在和兩個壓電振子鉸接的折頁對稱兩端。

所述壓電振子由壓電層與中性層組成。中性層采用可導電的金屬薄板，如青銅薄板；壓電層為壓電單晶、壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛或復合壓電材料PVDF薄膜，分布在金屬薄板上下端面，可以為一層或多層。壓電層與壓電層之間、壓電層與金屬薄板之間通過導電膠粘接。

所述導軌、滑塊、質量塊、固定裝置的材料可以采用硬質塑料、鋁或者不銹鋼，根據工作環境頻率高低來選定。