利用壓電振動發(fā)電供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用壓電振動發(fā)電供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，它主要由機械振動源(18)、組合式壓電發(fā)電機(19)、整流器(20)、穩(wěn)壓器(21)、控制器(22)、儲能裝置(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(19)將機械振動源(18)的振動機械能轉換成交變的電能，整流器(20)將交變的電能轉換成直流的電能，并通過穩(wěn)壓器(21)和控制器(22)，把電能存儲在儲能裝置(23)中，為無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點供電。傳感器(25)采集到的信號經(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，整個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由嵌入式操作系統(tǒng)(24)進行控制。本發(fā)明中的組合式壓電發(fā)電機發(fā)電量大、發(fā)電效率高，為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)點供電，可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點長期全天候工作，且能夠做到能量自給，有著廣泛的應用范圍和應用前景。
【專利說明】利用壓電振動發(fā)電供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及能量自給的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，整個節(jié)點采用組合式壓電發(fā)電機供電，無需更換電池或對電池充電，實現(xiàn)全天候、免維護工作。
【背景技術】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(Wireless Sensor Networks)是由大量節(jié)點組成的面向任務的分布式網(wǎng)絡，綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信、分布式信息處理等多領域技術，通過各類微型傳感器對信息目標進行實時監(jiān)測，由嵌入式微處理器對信息進行加工處理，并通過無線通信網(wǎng)絡將信息傳送至遠程用戶，在國防安全、工農(nóng)業(yè)領域各種控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等領域都有重要的科研價值和實用價值，具有十分廣闊的應用前景。
[0003]現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點一般采用電池供電，有自己的缺點: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；當電池電量不足、泄漏或接觸不良時，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的通信靈敏度、通信距離都大大降低，嚴重時甚至通信失靈，因此需要經(jīng)常更換電池，或對電池充電，增加了使用成本；同時，電池含有重金屬，廢舊電池處理不當會造嚴重的環(huán)境污染。電池漸漸的不能完全滿足物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的使用要求。
[0004]為解決這一制約問題，科學研究人員引入了“能量采集”這一概念。通常意義上所講的“能量采集”實際上特指將其他形式的能量采集、轉換為電能。即將器件所處環(huán)境中的能源轉換為電能存儲在電池、電容等儲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，振動能，噪聲，溫度梯度等多種能源。其中，振動機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、機電設備等各種生產(chǎn)和生活設備，也存在于人體的肢體運動、血液流動、心臟跳動等生命過程中，且有著較高的能量密度(250-330 μ W/cm3)。因此對振動機械能進行采集有著非常廣泛的應用。
[0006]對振動能量的采集和轉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，結構簡單便于微型化。壓電發(fā)電的工作原理是基于正壓電效應，將環(huán)境或人體的振動機械能轉換成為電能。根據(jù)壓電發(fā)電裝置的結構不同，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，應力發(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候，應力發(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構。比如中國專利CN 100414808C提出了一種壓電俘能器，自由端懸掛集中質量塊的懸臂梁兩面粘貼壓電材料，懸臂梁振動時由壓電材料輸出電能并存儲起來，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)絡節(jié)點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電系統(tǒng)(MEMS)供電的的懸臂梁結構的壓電能量回收裝置。上述的發(fā)明專利都是利用單個的壓電懸臂梁的機械振動產(chǎn)生電能，由于系統(tǒng)的結構限制，只能把外界的某一頻率的機械振動轉換成電能，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壓電懸臂梁，進行寬頻發(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發(fā)電的自供電微型無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，利用壓電懸臂梁，將環(huán)境的振動機械能轉換成電能，為無線傳感網(wǎng)絡供電。
[0008]在上述的壓電發(fā)電裝置中，壓電懸臂梁由兩種結構形式，一種是直接用元件粘貼在一起，形成壓電雙晶片懸臂梁結構；另一種是把壓電元件粘貼在其它材料懸臂梁的兩面，形成三明治結構壓電懸臂梁。
[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構，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)境或人體提供的機械振動，振動頻率一般很低。這樣，在使用過程中，很難使壓電懸臂梁達到諧振工作狀態(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，提出了一種利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，用多個兩面貼有多片壓電元件的懸臂梁進行寬頻壓電發(fā)電，把自然環(huán)境或人體的振動機械能轉換成電能，為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電，組合式壓電發(fā)電機發(fā)電量大、發(fā)電效率高、使用壽命長，可以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點免維護、全天候工作。
[0011]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術措施:
[0012]在組合式壓電發(fā)電機主要由懸臂梁組成，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。該結構的優(yōu)點主要有:(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。這種結構隨著周圍環(huán)境的振動，把振動機械能轉化成電能。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，很容易使懸臂梁達到彎曲諧振狀態(tài)，此時，懸臂梁表面的應力變化達到極大值，壓電元件輸出電壓(電流)也達到極大值，發(fā)電效率最高。同時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，和單個壓電元件相比，兩個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，和單個壓電元件相比，兩個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；且只有當環(huán)境的振動頻率接近于懸臂梁的彎曲諧振頻率時，才有較高的發(fā)電效率。為了提高單位時間內(nèi)整個裝置的發(fā)電量，把多個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，以較高的效率將環(huán)境的振動機械能轉化成電能，輸出較大的電量?！緦＠綀D】
【附圖說明】
[0014]以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0015]圖1為壓電元件的結構示意圖。
[0016]圖2為懸臂梁的側視圖。
[0017]圖3為懸臂梁的俯視圖。
[0018]圖4為組合式壓電發(fā)電機的總裝圖。
[0019]圖5為利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的系統(tǒng)結構圖。
【具體實施方式】
[0020]圖1描述了壓電元件的結構，壓電元件包括壓電材料2、電極I和3。其中的電極
1、3涂鍍在壓電材料的兩面，壓電材料位于2個電極的中間，類似三明治結構；壓電材料的極化方向平行于厚度方向。由于正壓電效應，當壓電元件受到應力應變時，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構的側視圖和俯視圖，多個壓電元件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稱地安裝有質量塊11、12。懸臂梁的彎曲諧振頻率由懸臂梁、壓電元件和質量塊的材料、結構尺寸共同決定。當懸臂梁發(fā)生振動時，粘貼在懸臂梁上的壓電元件將受到交變的應力，在壓電元件的電極上產(chǎn)生電荷和電壓，將振動機械能轉換成電能。如果懸臂梁發(fā)生諧振，則壓電元件的受到的應力將達到極大值，壓電元件產(chǎn)生的電量也會達到極大值。
[0022]圖4描述了組合式壓電發(fā)電機的總裝圖，多個具有不同結構尺寸，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；整個壓電發(fā)電
機安裝在外殼14里。當外界環(huán)境的振動引起裝置外殼和支架振動時，也將使懸臂梁發(fā)生振動，產(chǎn)生電能。當外界環(huán)境的振動頻率接近懸臂梁的諧振頻率時，將會使懸臂梁發(fā)生諧振，產(chǎn)生的電量達到極大值。由于組合式壓電發(fā)電機諧振頻率較低，外界環(huán)境的振動容易引起壓電發(fā)電機的諧振，可以最大程度地吸收環(huán)境中的振動能量，實現(xiàn)高效發(fā)電。
[0023]圖5描述了利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的系統(tǒng)結構圖。組合式壓電發(fā)電機(19)將機械振動源(18)的振動機械能轉換成交變的電能，整流器(20)將交變的電能轉換成直流的電能。穩(wěn)壓器(21)將直流電能調整為儲能裝置所需要的電壓和電流?？刂破?22)防止儲能裝置對壓電元件反向充電，也對存儲裝置進行充電保護，防止過充電。儲能裝置(23)把組合式壓電發(fā)電機產(chǎn)生的電能存儲起來，為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點供電。存儲裝置可以是電解電容、可充電電池、超級電容等。傳感器(25)采集到的信號經(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包括802.1lb,802.15.4(ZibBee)、Bluetooth、UWB、RF、IrDA、WiF1、GPRS 等。整個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點由嵌入式操作系統(tǒng)(30)進行控制。
[0024]本領域技術人員可以理解，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，每個懸臂梁上壓電元件的數(shù)量可以根據(jù)具體情況進行調整。壓電材料可由壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電復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施例。按照本發(fā)明的技術原理，本領域普通技術人員參照上述技術原理實施例進行修改和變形均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種利用壓電振動發(fā)電供能的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，其特征在于包括: 機械振動源(18)、組合式壓電發(fā)電機(19)、整流器(20)、穩(wěn)壓器(21)、控制器(22)、儲能裝置(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(19)將機械振動源(18)的振動機械能轉換成交變的電能； 所述整流器(20)與所述組合式壓電發(fā)電機(19)連接，將交變的電能轉換成直流的電倉泛; 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能裝置中存儲起來，并防止存儲裝置對壓電元件充電、對存儲裝置過充電； 所述儲能裝置(23)與所述控制器(22)連接，將產(chǎn)生的電能存儲起來，為無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點供電； 所述數(shù)據(jù)處理與控制模塊(26)與所述傳感器(25)連接，將傳感器的信號進行處理，并對整個傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行控制； 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，或將所需要的命令接收進來； 所述天線(28)與所述通信模塊(27)連接，用于信號的接收和發(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，用于控制整個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的運行。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，其特征在于:多個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；多個懸臂板(15)、(16)、(17)……之間保持平行。
3.根據(jù)權利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，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量塊(11)、(12)。
4.根據(jù)權利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，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)權利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，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、壓電復合材料之一或其組合制成。
6.根據(jù)權利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，其特征在于:所述儲能裝置包括電解電容、可充電電池、超級電容。
7.根據(jù)權利要求1所述的利用組合式壓電發(fā)電機供電的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，其特征在于:所述無線通信模塊，采用的無線通信技術包括802.1lb,802.15.4(ZibBee)、Bluetooth、UWB、RF、IrDA、WiF1、GPRS 等。
【文檔編號】H02N2/18GK103532427SQ201210229223
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月4日 優(yōu)先權日:2012年7月4日
【發(fā)明者】邊義祥 申請人:揚州博達電氣設備有限公司