本發(fā)明涉及一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能的階梯式微孔增流菱形壓電俘能器，屬于低功耗電子設(shè)備供能技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著制造裝備技術(shù)的智能化水平不斷提高及其與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度融合，大量的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點在機械制造裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行穩(wěn)定、可靠的持續(xù)供電，是保證節(jié)點正常工作的前提。當(dāng)前機械制造領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能方式主要有電源直接供電和化學(xué)電池供電兩種方式。其中，電源直接供電方式導(dǎo)致電磁干擾嚴(yán)重、系統(tǒng)布線復(fù)雜等問題，而化學(xué)電池供電方式則存在電池使用壽命有限、需定期更換以及環(huán)境污染等不足。因此，需研究一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能的新型能源供給技術(shù)以解決傳統(tǒng)供能技術(shù)所帶來的諸多弊端。

利用壓電材料的正壓電效應(yīng)俘獲環(huán)境微能源轉(zhuǎn)化為電能的環(huán)境能源收集技術(shù)，由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、清潔無污染、不受電磁干擾以及使用壽命長等優(yōu)勢，成為微能源轉(zhuǎn)化與供給技術(shù)的研究熱點。氣體動能是工業(yè)生產(chǎn)中大量存在的能量形式，其同樣具備安全清潔可再生等優(yōu)勢。因此，合理利用工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的氣體能量，結(jié)合壓電材料的正壓電效應(yīng)將氣體能量轉(zhuǎn)化為電能為無線物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能，可有效解決傳統(tǒng)電源供電帶來的布線復(fù)雜及電池供電帶來的需定期更換、污染環(huán)境等問題，對提高工業(yè)制造裝備技術(shù)的智能化水平具有促進(jìn)作用。傳統(tǒng)的壓電發(fā)電的俘能器普遍利用工業(yè)環(huán)境中的高壓氣體直接沖擊壓電俘能器來俘獲電能，使得傳統(tǒng)氣體沖擊式壓電俘能器存在俘能功率小、效率低的問題，限制了壓電俘能器在低功耗電子設(shè)備供能技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決已有高壓氣體直接沖擊壓電元件俘獲電能的壓電俘能器存在俘能功率小、效率低等技術(shù)問題，本發(fā)明公開一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能的階梯式微孔增流菱形壓電俘能器，為低功耗器件提供一種功率大、效率高的供能裝置。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

所述一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能的階梯式微孔增流菱形壓電俘能器由階梯式微孔隙增流裝置、柔性菱形壓電俘能器和緊定螺釘三部分組成，其中階梯式微孔隙增流裝置帶有增流端螺紋連接孔，與柔性菱形壓電俘能器上的發(fā)電端螺紋連接孔通過緊定螺釘進(jìn)行螺紋連接；所述階梯式微孔隙增流裝置設(shè)置有圓錐式吸氣端、錐形出氣端、增流端螺紋連接孔、供氣孔、一級微型射流孔、二級微型射流孔和擋環(huán)；所述的柔性菱形壓電俘能器包括受壓圓形擋板、發(fā)電端連接基座和菱形壓電發(fā)電組件，菱形壓電發(fā)電組件一端與受壓圓形擋板連接，另一端與發(fā)電端連接基座連接。

所述階梯式微孔隙增流裝置中圓錐式吸氣端位于階梯式微孔隙增流裝置的吸氣端，錐形出氣端位于階梯式微孔隙增流裝置的出氣端，所述增流端螺紋連接孔靠近錐形出氣端，所述增流端螺紋連接孔與緊定螺釘螺紋連接，所述一級微型射流孔和二級微型射流孔位于階梯式微孔隙增流裝置的中部，一級微型射流孔和二級微型射流孔之間設(shè)置有擋環(huán)，所述供氣孔靠近二級微型射流孔。

所述受壓圓形擋板設(shè)置有加壓端連接孔與限位圓柱，菱形壓電發(fā)電組件一端通過加壓端連接孔進(jìn)行固定；所述發(fā)電端連接基座設(shè)置有發(fā)電端螺紋連接孔、發(fā)電機排氣孔、受壓端連接孔和限位圓環(huán)，發(fā)電端螺紋連接孔與階梯式微孔隙增流裝置通過緊定螺釘進(jìn)行連接，菱形壓電發(fā)電組件通過受壓端連接孔進(jìn)行另一端固定，限位圓環(huán)與限位圓柱間隙配合。

所述菱形壓電發(fā)電組件包括發(fā)電基板、壓電發(fā)電元件，所述的加壓端連接孔與發(fā)電基板通過膠粘方式連接，受壓端連接孔與發(fā)電基板通過膠粘方式連接。

本發(fā)明的有益效果是：在不影響工業(yè)生產(chǎn)的工作情況下，利用所發(fā)明的階梯式微孔增流菱形壓電俘能器對小流量高壓氣體進(jìn)行流量放大，所放大的流量通過錐形出氣端噴出，激勵柔性菱形壓電俘能器，使內(nèi)部壓電發(fā)電組件產(chǎn)生彎曲形變以達(dá)到利用放大氣流進(jìn)行能量收集與電能的轉(zhuǎn)化效果。本發(fā)明具有利用高壓小流量氣體進(jìn)行氣體流量放大的效果，可顯著提高壓電發(fā)電裝置的功率，提升俘能效率3倍以上。在低功耗電子設(shè)備供能技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明提出的一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能的階梯式微孔增流菱形壓電俘能器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2 所示為本發(fā)明提出的階梯式微孔隙增流裝置的剖視圖；

圖3所示為本發(fā)明提出的階梯式微孔隙增流裝置的圓錐式吸氣端剖視圖；

圖4所示為本發(fā)明提出的階梯式微孔隙增流裝置的錐形出氣端剖視圖；

圖5所示為本發(fā)明提出的柔性菱形壓電俘能器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6所示為本發(fā)明提出的受壓圓形擋板剖視圖；

圖7所示為本發(fā)明提出的發(fā)電端連接基座剖視圖；

圖8所示為本發(fā)明提出的菱形壓電發(fā)電組件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9所示為本發(fā)明提出的全橋整流電路示意圖。

具體實施方式

結(jié)合圖1~圖9說明本實施方式。本實施方式提供了一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能的階梯式微孔增流菱形壓電俘能器的具體實施方案。所述一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能的階梯式微孔增流菱形壓電俘能器由階梯式微孔隙增流裝置1、柔性菱形壓電俘能器2和緊定螺釘3部分組成，其中階梯式微孔隙增流裝置1設(shè)置有增流端螺紋連接孔1-3，所述增流端螺紋連接孔1-3與柔性菱形壓電俘能器2上的發(fā)電端螺紋連接孔2-2-1通過緊定螺釘3進(jìn)行螺紋連接。

所述階梯式微孔隙增流裝置1包括有圓錐式吸氣端1-1、錐形出氣端1-2、增流端螺紋連接孔1-3、供氣孔1-4、一級微型射流孔1-5、二級微型射流孔1-6和擋環(huán)1-7；

所述圓錐式吸氣端1-1位于階梯式微孔隙增流裝置1的吸氣端，錐形出氣端1-2位于階梯式微孔隙增流裝置1的出氣端，所述增流端螺紋連接孔1-3靠近錐形出氣端1-2，所述增流端螺紋連接孔1-3與緊定螺釘3螺紋連接，所述一級微型射流孔1-5和二級微型射流孔1-6位于階梯式微孔隙增流裝置1的中部，一級微型射流孔1-5和二級微型射流孔1-6之間設(shè)置有擋環(huán)1-7，擋環(huán)1-7可阻隔一級微型射流孔1-5和二級微型射流孔1-6，所述供氣孔1-4靠近二級微型射流孔1-6，高壓氣體經(jīng)由所述供氣孔1-4同時進(jìn)入一級微型射流孔1-5和二級微型射流孔1-6，誘導(dǎo)氣體和高壓氣體組成的混合氣體經(jīng)由一級微型射流孔1-5進(jìn)行一次空氣能放大，經(jīng)由二級微型射流孔1-6進(jìn)行二次加速，二次加速后的混合氣體通過錐形出氣端1-2噴出階梯式微孔隙增流裝置1。

所述柔性菱形壓電俘能器2包括受壓圓形擋板2-1、發(fā)電端連接基座2-2和菱形壓電發(fā)電組件2-3；所述的受壓圓形擋板2-1設(shè)置有加壓端連接孔2-1-1與限位圓柱2-1-2，菱形壓電發(fā)電組件2-3一端通過加壓端連接孔2-1-1進(jìn)行固定；所述的發(fā)電端連接基座2-2設(shè)置有發(fā)電端螺紋連接孔2-2-1、發(fā)電機排氣孔2-2-2、受壓端連接孔2-2-3和限位圓環(huán)2-2-4，發(fā)電端螺紋連接孔2-2-1與階梯式微孔隙增流裝置1通過緊定螺釘3進(jìn)行連接，菱形壓電發(fā)電組件2-3通過受壓端連接孔2-2-3進(jìn)行另一端固定，限位圓環(huán)2-2-4與限位圓柱2-1-2間隙配合；所述的菱形壓電發(fā)電組件2-3包括發(fā)電基板2-3-1、壓電發(fā)電元件2-3-2；加壓端連接孔2-1-1與發(fā)電基板2-3-1通過膠粘方式連接，受壓端連接孔2-2-3與發(fā)電基板2-3-1通過膠粘方式連接，所述膠可選用瑞士ergo公司的環(huán)氧樹脂產(chǎn)品，所述的壓電發(fā)電元件2-3-2利用正壓電效應(yīng)，實現(xiàn)氣體壓力能到電能的轉(zhuǎn)換，通過全橋整流電路可以持續(xù)有效的為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能。

所述圓錐式吸氣端1-1的最大直徑為D₁，D₁的取值滿足的范圍為60~80 mm，通過調(diào)節(jié)D₁的值可以調(diào)節(jié)誘導(dǎo)氣體的進(jìn)氣速度，本具體實施方式中D₁的取值為60 mm，所述圓錐式吸氣端1-1的錐角為θ，θ的取值滿足的范圍為0~60°，通過調(diào)節(jié)θ的值可以調(diào)節(jié)誘導(dǎo)氣體的進(jìn)氣速度，本具體實施方式中θ的取值為20°；所述錐形出氣端1-2的最小直徑為D₂，D₂與D₁的比值為G=D₂/D₁，G的取值滿足的范圍為0.4~0.8，本具體實施方式中G的取值為0.8；所述錐形出氣端1-2的錐角為α，α的取值滿足的范圍為0~20°，通過調(diào)節(jié)α的值可以調(diào)節(jié)混合氣體的流速，本具體實施方式中α的取值為15°；所述的供氣孔1-4直徑為D₃，D₃與D₁的比值為F=D₃/D₁，F(xiàn)的取值滿足的范圍為0.02~0.1，本具體實施方式中F的取值為0.1；所述供氣孔1-4中心與圓錐式吸氣端1-1的直線距離為L₁，L₁的取值滿足的范圍為10~25 mm，本具體實施方式中L₁的取值為15 mm；所述供氣孔1-4中心與錐形出氣端1-2直線距離為L₂，L₁與L₂的比值為J=L₁/L₂，J的取值滿足的范圍為0.2~0.5，本具體實施方式中J的取值為0.3；所述一級微型射流孔1-5的孔徑為D₄，D₄的取值滿足的范圍是40~60 mm。所述一級微型射流孔和二級微型射流孔之間的距離為L₃，D₄與L₃的比值為Z=D₄/L₃，Z的取值滿足的范圍為2~5；所述二級微型射流孔孔徑為D₅，D₅與L₃的比值為X=D₅/L₃，X的取值滿足的范圍為2~5。

所述柔性菱形壓電俘能器2中的受壓圓形擋板2-1中的限位圓柱2-1-2深入限位圓環(huán)2-2-4內(nèi)部，通過限位圓環(huán)2-2-4的長度L進(jìn)行極限位置限定，其中限位圓環(huán)2-2-4的長度L與限位圓柱2-1-2的長度M之間的比值L/M介于0.3~0.8之間；

所述菱形壓電發(fā)電組件2-3可沿周向方向布置M個，M為正整數(shù)，本具體實施方式中M的取值為2，所述壓電發(fā)電元件2-3-2布置在發(fā)電基板2-3-1上下表面各N個，N為正整數(shù)，本具體實施方式中N的取值為2；菱形壓電發(fā)電組件2-3的發(fā)電基板2-3-1具有四條邊，其中每條邊的長度都為c；壓電發(fā)電元件2-3-2粘接于發(fā)電基板2-3-1的表面，菱形壓電發(fā)電組件2-3的長軸長度為a，短軸長度為b，其中b/a介于0.3~1.7之間。

所述柔性菱形壓電俘能器2，其特征在于菱形壓電發(fā)電組件2-3中的壓電發(fā)電元件2-3-2選用壓電陶瓷片PZT或柔性強韌性壓電材料PVDF。

所述的全橋整流電路由二極管D₆、二極管D₇、二極管D₈、二極管D₉和電容C₁組成。當(dāng)增流氣體從錐形出氣端1-2流出后，激勵柔性菱形壓電俘能器2，在正壓電效應(yīng)的作用下會產(chǎn)生正負(fù)交替周期性變化的電信號，將產(chǎn)生的電信號通過導(dǎo)線連接到全橋整流電路的輸入端。當(dāng)產(chǎn)生正向電信號時，二極管D₆和二極管D₉導(dǎo)通構(gòu)成閉合回路，電能可存儲于電容C₁中；當(dāng)產(chǎn)生負(fù)向電信號時，二極管D₇和二極管D₈導(dǎo)通構(gòu)成閉合回路，且整流后的電信號流向與二極管D₆、二極管D₉閉合回路電信號流向相同，因此電能仍存儲于電容C₁中。經(jīng)過整流存儲后的電能可經(jīng)由C₁流出到輸出端物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行供電。所述二極管（D₆~D₉）可以是NI5408整流二極管，所述電容C₁的電容量范圍為100~1000μF。

工作原理：壓電材料的正壓電效應(yīng)可以將氣體的沖擊能量轉(zhuǎn)化為電能，本發(fā)明所設(shè)計的一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能的階梯式微孔增流菱形壓電俘能器可在小流量高壓氣體的作用下誘導(dǎo)外界空氣進(jìn)行定向流動，基于管徑與氣體間粘性作用力的影響，可將誘導(dǎo)后的外界空氣進(jìn)行增速，在氣體增速后從錐形出氣端流出并激勵與階梯式微孔隙增流裝置相連接的柔性菱形壓電俘能器進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)化。階梯式微孔隙增流裝置能夠二次加速將高壓氣體以極快的速度噴出，進(jìn)而有效提升了增流的效果。柔性菱形壓電俘能器的技術(shù)優(yōu)勢在于菱形四邊形具有不穩(wěn)定性，在外界擾動力作用下易發(fā)生形變，其四個邊兩兩相連具有力的傳導(dǎo)與力的分解作用，可有效保護(hù)壓電元件不會因形變過大而造成損壞。因此，柔性菱形壓電俘能器可充分利用階梯式微孔隙增流裝置所增加的氣體流量進(jìn)行氣體能量向電能的轉(zhuǎn)化。

綜合以上所述內(nèi)容，本發(fā)明設(shè)計的一種用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能的階梯式微孔增流菱形壓電俘能器，可將氣體流量放大，并對放大流量的氣體進(jìn)行壓電能量收集，可顯著提高壓俘能器的功率，提升俘能效率3倍以上。通過全橋整流電路可以持續(xù)有效的為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供能，對提高工業(yè)制造裝備技術(shù)的智能化水平具有促進(jìn)作用。