利用壓電振動(dòng)發(fā)電供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用壓電振動(dòng)發(fā)電供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，它主要由機(jī)械振動(dòng)源(18)、組合式壓電發(fā)電機(jī)(19)、整流器(20)、穩(wěn)壓器(21)、控制器(22)、儲(chǔ)能裝置(23)、嵌入式操作系統(tǒng)(24)、傳感器(25)、數(shù)據(jù)處理與控制模塊(26)、通信模塊(27)和天線(28)。組合式壓電發(fā)電機(jī)(19)將機(jī)械振動(dòng)源(18)的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成交變的電能，整流器(20)將交變的電能轉(zhuǎn)換成直流的電能，并通過穩(wěn)壓器(21)和控制器(22)，把電能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置(23)中，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。傳感器(25)采集到的信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與控制模塊(26)處理后，通過通信模塊(27)，由天線(28)發(fā)出，整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由嵌入式操作系統(tǒng)(24)進(jìn)行控制。本發(fā)明中的組合式壓電發(fā)電機(jī)發(fā)電量大、發(fā)電效率高，為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)供電，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)長期全天候工作，且能夠做到能量自給，有著廣泛的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景。
【專利說明】利用壓電振動(dòng)發(fā)電供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能量自給的物聯(lián)網(wǎng)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，無需更換電池或?qū)﹄姵爻潆姡瑢?shí)現(xiàn)全天候、免維護(hù)工作。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(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，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程用戶，在國防安全、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。
[0003]現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)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)，物聯(lián)網(wǎng)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物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的使用要求。
[0004]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。
[0005]環(huán)境中能量采集的來源包括太陽能，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(250-330 μ W/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。
[0006]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)電是利用壓電兀件受到碰撞時(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。
[0007]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，但產(chǎn)生的電能較小，主要用于微電子器件的供電。中國專利CN101017989A也公開了一種為微型無線傳感網(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。中國專利CN 101262189A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。上述的發(fā)明專利都是利用單個(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，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)供電。
[0008]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。
[0009]在現(xiàn)有的壓電發(fā)電專利中，無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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是克服目前彎曲式壓電發(fā)電裝置中壓電懸臂梁工作頻率高、容易斷裂損壞的缺點(diǎn)，提出了一種利用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，用多個(gè)兩面貼有多片壓電元件的懸臂梁進(jìn)行寬頻壓電發(fā)電，把自然環(huán)境或人體的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供電，組合式壓電發(fā)電機(jī)發(fā)電量大、發(fā)電效率高、使用壽命長，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)免維護(hù)、全天候工作。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)措施:
[0012]在組合式壓電發(fā)電機(jī)主要由懸臂梁組成，懸臂梁的上下兩面粘貼多片壓電元件，懸臂梁的一端固定，另一端自由。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有:(1) 一階彎曲諧振頻率較低；(2)壓電元件在使用過程不易損壞，增加了裝置的使用壽命。這種結(jié)構(gòu)隨著周圍環(huán)境的振動(dòng)，把振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。而且用多片壓電元件代替整塊壓電元件粘貼在懸臂梁兩面，使壓電懸臂梁的一階彎曲諧振頻率較低，在自然環(huán)境中，或把發(fā)電裝置隨身攜帶時(shí)，很容易使懸臂梁達(dá)到彎曲諧振狀態(tài)，此時(shí)，懸臂梁表面的應(yīng)力變化達(dá)到極大值，壓電元件輸出電壓(電流)也達(dá)到極大值，發(fā)電效率最高。同時(shí)把懸臂梁上的壓電元件串聯(lián)或并聯(lián)聯(lián)接。如果是串聯(lián)連接，和單個(gè)壓電元件相比，兩個(gè)壓電元件的輸出電壓增大一倍，電流不變；如果是并聯(lián)連接，和單個(gè)壓電元件相比，兩個(gè)壓電元件的輸出電流增大一倍，電壓不變。具體的聯(lián)接方式，可以根據(jù)輸出電量的需求決定。
[0013]但是，由于單個(gè)懸臂梁表面粘貼的壓電元件數(shù)量有限，面積較小，所發(fā)的電量也較少；且只有當(dāng)環(huán)境的振動(dòng)頻率接近于懸臂梁的彎曲諧振頻率時(shí)，才有較高的發(fā)電效率。為了提高單位時(shí)間內(nèi)整個(gè)裝置的發(fā)電量，把多個(gè)兩面貼有多片壓電片的懸臂梁平行排列，組成組合式壓電發(fā)電機(jī)，以較高的效率將環(huán)境的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，輸出較大的電量?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0014]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0015]圖1為壓電元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為懸臂梁的側(cè)視圖。
[0017]圖3為懸臂梁的俯視圖。
[0018]圖4為組合式壓電發(fā)電機(jī)的總裝圖。
[0019]圖5為利用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]圖1描述了壓電元件的結(jié)構(gòu)，壓電元件包括壓電材料2、電極I和3。其中的電極
1、3涂鍍?cè)趬弘姴牧系膬擅?，壓電材料位?個(gè)電極的中間，類似三明治結(jié)構(gòu)；壓電材料的極化方向平行于厚度方向。由于正壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電元件受到應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，將在電極上產(chǎn)生電荷和電壓。
[0021]圖2和圖3描述了兩面粘貼了多片壓電元件的懸臂梁結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖，多個(gè)壓電元件5、6、7、8、9、10……通過膠層均勻地粘貼在懸臂梁4的上下兩面上；懸臂梁的自由端兩面對(duì)稱地安裝有質(zhì)量塊11、12。懸臂梁的彎曲諧振頻率由懸臂梁、壓電元件和質(zhì)量塊的材料、結(jié)構(gòu)尺寸共同決定。當(dāng)懸臂梁發(fā)生振動(dòng)時(shí)，粘貼在懸臂梁上的壓電元件將受到交變的應(yīng)力，在壓電元件的電極上產(chǎn)生電荷和電壓，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。如果懸臂梁發(fā)生諧振，則壓電元件的受到的應(yīng)力將達(dá)到極大值，壓電元件產(chǎn)生的電量也會(huì)達(dá)到極大值。
[0022]圖4描述了組合式壓電發(fā)電機(jī)的總裝圖，多個(gè)具有不同結(jié)構(gòu)尺寸，上下兩面粘貼
多片壓電兀件的懸臂梁15、16、17......，一端固定在支架13上,另一端自由；整個(gè)壓電發(fā)電
機(jī)安裝在外殼14里。當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)引起裝置外殼和支架振動(dòng)時(shí)，也將使懸臂梁發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生電能。當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)頻率接近懸臂梁的諧振頻率時(shí)，將會(huì)使懸臂梁發(fā)生諧振，產(chǎn)生的電量達(dá)到極大值。由于組合式壓電發(fā)電機(jī)諧振頻率較低，外界環(huán)境的振動(dòng)容易引起壓電發(fā)電機(jī)的諧振，可以最大程度地吸收環(huán)境中的振動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。
[0023]圖5描述了利用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。組合式壓電發(fā)電機(jī)(19)將機(jī)械振動(dòng)源(18)的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成交變的電能，整流器(20)將交變的電能轉(zhuǎn)換成直流的電能。穩(wěn)壓器(21)將直流電能調(diào)整為儲(chǔ)能裝置所需要的電壓和電流?？刂破?22)防止儲(chǔ)能裝置對(duì)壓電元件反向充電，也對(duì)存儲(chǔ)裝置進(jìn)行充電保護(hù)，防止過充電。儲(chǔ)能裝置(23)把組合式壓電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)起來，為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供電。存儲(chǔ)裝置可以是電解電容、可充電電池、超級(jí)電容等。傳感器(25)采集到的信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與控制模塊(26)處理后，通過通信模塊(27)，由天線(28)發(fā)出。通信模塊采用的無線通信技術(shù)包括802.1lb,802.15.4(ZibBee)、Bluetooth、UWB、RF、IrDA、WiF1、GPRS 等。整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由嵌入式操作系統(tǒng)(30)進(jìn)行控制。
[0024]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的組合式壓電發(fā)電裝置，其中，懸臂梁的材料、形狀、尺寸，每個(gè)懸臂梁上壓電元件的數(shù)量可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。壓電材料可由壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料之一或其組合制成。
[0025]雖然以上文字已參照特定的實(shí)施例和本發(fā)明的例子描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于以上描述的實(shí)施例。按照本發(fā)明的技術(shù)原理，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員參照上述技術(shù)原理實(shí)施例進(jìn)行修改和變形均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種利用壓電振動(dòng)發(fā)電供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于包括: 機(jī)械振動(dòng)源(18)、組合式壓電發(fā)電機(jī)(19)、整流器(20)、穩(wěn)壓器(21)、控制器(22)、儲(chǔ)能裝置(23)、嵌入式操作系統(tǒng)(24)、傳感器(25)、數(shù)據(jù)處理與控制模塊(26)、通信模塊(27)和天線(28)； 所述組合式壓電發(fā)電機(jī)(19)將機(jī)械振動(dòng)源(18)的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成交變的電能； 所述整流器(20)與所述組合式壓電發(fā)電機(jī)(19)連接，將交變的電能轉(zhuǎn)換成直流的電倉泛; 所述穩(wěn)壓器(21)與所述整流器(20)連接，將直流電能的電壓和電流調(diào)整到所需的范圍內(nèi)； 所述控制器(22)與所述穩(wěn)壓器(21)連接，控制直流電能送入儲(chǔ)能裝置中存儲(chǔ)起來，并防止存儲(chǔ)裝置對(duì)壓電元件充電、對(duì)存儲(chǔ)裝置過充電； 所述儲(chǔ)能裝置(23)與所述控制器(22)連接，將產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)起來，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電； 所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊(26)與所述傳感器(25)連接，將傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制； 所述通信模塊(27)與所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊(26)連接，將所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，或?qū)⑺枰拿罱邮者M(jìn)來； 所述天線(28)與所述通信模塊(27)連接，用于信號(hào)的接收和發(fā)送； 所述嵌入式操作系統(tǒng)(24)與所述傳感器(25)、所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊(26)、所述通信模塊(27)連接，用于控制整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:多個(gè)兩面貼有多片壓電元件的懸臂板(15)、(16)、(17)……一端安裝于支架(7)上，另一端自由；多個(gè)懸臂板(15)、(16)、(17)……之間保持平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述的懸臂板(4)，兩面粘貼有多片壓電元件(5)、(6)、(7)、⑶、(9)、(10)；自由端兩面安裝有質(zhì)量塊(11)、(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:壓電元件由壓電材料(2)置于上下兩電極(1、3)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:壓電元件中壓電材料(2)為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料之一或其組合制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述儲(chǔ)能裝置包括電解電容、可充電電池、超級(jí)電容。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其特征在于:所述無線通信模塊，采用的無線通信技術(shù)包括802.1lb,802.15.4(ZibBee)、Bluetooth、UWB、RF、IrDA、WiF1、GPRS 等。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK103532427SQ201210229223
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月4日
【發(fā)明者】邊義祥 申請(qǐng)人:揚(yáng)州博達(dá)電氣設(shè)備有限公司