壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點的製作方法

2023-04-27 08:47:11 1

專利名稱：壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，是一種能量自給的 無線傳感器網絡節點，整個節點採用組合式壓電發電機供電，無需更換電池或對電池充電， 實現全天候、免維護工作。
背景技術：
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks)是由大量節點組成的面向任務的 分布式網絡，綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡及無線通信、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測，由嵌入式微處理器對信息進行加工 處理，並通過無線通信網絡將信息傳送至遠程用戶，在國防安全、工農業領域各種控制、城 市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、防恐反恐、危險區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。現有的無線傳感器網絡節點一般採用電池供電，有自己的缺點傳統的電池因其 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、洩漏或接觸不良時，無線 傳感器網絡節點的通信靈敏度、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 嚴重的環境汙染。電池漸漸的不能完全滿足無線傳感器網絡節點的使用要求。為解決這一制約問題，科學研究人員引入了「能量採集」這一概念。通常意義上所 講的「能量採集」實際上特指將其他形式的能量採集、轉換為電能。即將器件所處環境中的 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。環境中能量採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，廣泛存在於樓宇、橋梁、車輛、船舶、飛行器、機電設備 等各種生產和生活設備，也存在於人體的肢體運動、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 yW/cm3)。因此對振動機械能進行採集有著非常廣泛的應 用。對振動能量的採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 量採集方式的能量密度大，結構簡單便於微型化。壓電發電的工作原理是基於正壓電效應， 將環境或人體的振動機械能轉換成為電能。根據壓電發電裝置的結構不同，有碰撞式壓電 發電和彎曲式壓電發電兩種發電方式。碰撞式發電是利用壓電元件受到碰撞時，應力發生 變化，產生電能。而彎曲式壓電發電是利用壓電元件彎曲的時候，應力發生變化，產生電能。彎曲式壓電發電裝置中，壓電材料一般都是製成壓電懸臂梁結構。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並存儲起來，但產生的電能較小，主要用於微電子器 件的供電。中國專利CN101017989A也公開了一種為微型無線傳感網絡節點供電的壓電懸 臂梁發電系統，其中壓電材料仍然粘貼在懸臂梁的上下兩面。中國專利CN101262189A公開 了一種利用懸臂梁的壓電發電裝置，其中壓電材料還是粘貼在金屬懸臂梁的上下兩面。美
3國專利W0 2007121092也描述了主要用於微機電系統(MEMS)供電的的懸臂梁結構的壓電 能量回收裝置。上述的實用新型專利都是利用單個的壓電懸臂梁的機械振動產生電能，由 於系統的結構限制，只能把外界的某一頻率的機械振動轉換成電能，發電效率低，頻率範圍 窄，只能用於微型電子系統的供電。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，進行寬頻發電裝置；其中的壓電懸臂梁是由壓電元件直接製成，或是由 壓電元件粘接製成的。中國專利CN 101017989A公開了一種基於壓電振動發電的自供電微 型無線傳感網絡節點，利用壓電懸臂梁，將環境的振動機械能轉換成電能，為無線傳感網絡供電。[0008]在上述的壓電發電裝置中，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。在現有的壓電發電專利中，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 壓電發電裝置中，常用的壓電材料是壓電陶瓷。由於壓電陶瓷的彈性模量較大，這樣由整塊 的壓電元件製成的壓電懸臂梁一階彎曲共振頻率較高，而由自然環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，產生的 電能比較少，無法滿足一般的供電需要。而且，由整塊的壓電元件製成的壓電懸臂梁，其中 的壓電材料脆性較大，容易斷裂損壞，影響整個壓電發電裝置的使用壽命。
發明內容本實用新型的目的是提供一種壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，解決上述 為無線傳感網絡節點供電的壓電懸臂梁發電都是利用單個的壓電懸臂梁的機械振動產生 電能，存在由於系統的結構限制，只能把外界的某一頻率的機械振動轉換成電能，發電效率 低，頻率範圍窄，只能用於微型電子系統供電的不足，通過本實用新型實現發電量大、發電 效率高、使用壽命長，可以實現無線傳感器網絡節點免維護、全天候工作。本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的，一種壓電發電機供電的無線傳感 器網絡節點，包括由壓電發電機、整流器、穩壓器、控制器、儲能裝置組成的供電裝置，包括 嵌入式作業系統、傳感模塊、數據處理與控制模塊、無線收發模塊和天線組成的無線傳感器 網絡節點，其特徵是，所述壓電發電機中的懸臂梁為組合式懸臂梁結構，各懸臂梁的兩面貼 有若干片壓電元件，若干個懸臂梁上的若干片壓電元件經串並聯獲得需要的電壓和電流。所述組合式懸臂梁由依次排列的若干個懸臂梁構成，各懸臂梁平行相間，其一端 固定於支架上，另一端自由，自由端兩面固定有質量塊。所述壓電元件由壓電材料和塗鍍在壓電材料上下兩面的電極構成。所述壓電元件中壓電材料為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電複合材料之一 或其組合。所述儲能裝置為電容或電池或可充電電池。所述無線收發模塊採用802. lib或802. 15. 4或Bluetooth或UWB或RF或IrDA 或WiFi或GPRS技術。本實用新型通過將壓電發電機中的懸臂梁由若干個構成組合式懸臂梁，同時在各懸臂梁的兩面貼有若干片壓電元件，若干片壓電元件經串並聯獲得需要的電壓和電流，本 實用新型優點主要有(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境的振動，把振動機械能轉化成電能。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 自然環境中，或把發電裝置隨身攜帶時，很容易使懸臂梁達到彎曲諧振狀態，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，發電效率最高。同 時把懸臂梁上的壓電元件串聯或並聯聯接。如果是串聯連接，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；如果是並聯連接，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。具體的聯接方式，可以根據輸出電量的需求決定。本 實用新型克服目前彎曲式壓電發電裝置中壓電懸臂梁工作頻率高、容易斷裂損壞的缺點， 本實用新型發電量大、發電效率高、使用壽命長，可以實現無線傳感器網絡節點免維護、全 天候工作。

圖1為本實用新型中壓電元件的結構示意圖。圖2為本實用新型中懸臂梁的側視圖。圖3為本實用新型中懸臂梁的俯視圖。圖4為本實用新型中壓電發電機的結構示意圖。圖5為本實用新型結構示意圖。
具體實施方式
結合附圖和具體實施例進一步說明本實用新型，圖1描述了本實用新型中壓電元 件的結構，壓電元件包括壓電材料2、電極1和3。電極1、3塗鍍在壓電材料2的兩面，壓電 材料2位於兩個電極的中間，類似三明治結構；壓電材料2的極化方向平行於厚度方向。由 於正壓電效應，當壓電元件2受到應力應變時，將在電極上產生電荷和電壓。圖2和圖3描述了兩面粘貼了若干片壓電元件的懸臂梁結構的側視圖和俯視圖， 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4的自 由端兩面對稱地固定有質量塊11、12。懸臂梁4的彎曲諧振頻率由懸臂梁4、壓電元件和質 量塊11、12的材料、結構尺寸共同決定。當懸臂梁4發生振動時，粘貼在懸臂梁4上的壓電 元件將受到交變的應力，在壓電元件的電極1、3上產生電荷和電壓，將振動機械能轉換成 電能。如果懸臂梁4發生諧振，則壓電元件受到的應力將達到極大值，壓電元件產生的電量 也會達到極大值。圖4描述了壓電發電機的結構，若干個具有不同結構尺寸，上下兩面粘貼若干片 壓電元件的懸臂梁4、15、16、17……，各懸臂梁的一端固定在支架13上，另一端自由；整個 壓電發電機安裝在外殼14裡。當外界環境的振動引起裝置外殼和支架振動時，也將使懸臂 梁發生振動，產生電能。當外界環境的振動頻率接近懸臂梁的諧振頻率時，將會使懸臂梁發 生諧振，產生的電量達到極大值。由於本實用新型中壓電發電機諧振頻率較低，外界環境的 振動容易引起壓電發電機的諧振，可以最大程度地吸收環境中的振動能量，實現高效發電。圖5描述了本實用新型結構示意圖。壓電發電機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。穩壓器21將直流電能調 整為儲能裝置所需要的電壓和電流。控制器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把壓電發電機產生的電能存儲起來，為無 線傳感網絡節點供電。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採 集到的信號經過數據處理與控制模塊26處理後，通過無線收發模塊27，由天線28發出。無 線收發模塊27採用802. lib (IEEE無線區域網的標準)或802. 15. 4 (紫蜂，IEEE802. 15. 4 協議)或Bluetooth (藍牙)或UWB (超寬帶)或RF (射頻)或IrDA (紅外數據數據傳輸) 或WiFi (無線聯網的技術)或GPRS (通用分組無線服務技術)，它們之間是或者的關係。整 個無線傳感器網絡節點由嵌入式作業系統30進行控制。嵌入式作業系統是一種用途廣泛 的系統軟體，負責嵌入系統的全部軟、硬體資源的分配、任務調度，控制、協調並發活動。本 實用新型中的嵌入式作業系統和普通的嵌入式作業系統相同。本領域技術人員可以理解，本實用新型中懸臂梁的材料、形狀、尺寸，每個懸臂梁 上壓電元件的數量可以根據具體情況進行調整。壓電材料可由壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚 合物、壓電複合材料之一或其組合製成。雖然以上文字已參照特定的實施例和本實用新型的例子描述了本實用新型，但本 實用新型不限於以上描述的實施例。按照本實用新型的技術原理，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於本實用新型的保護範圍。
權利要求一種壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，包括由壓電發電機、整流器、穩壓器、控制器、儲能裝置組成的供電裝置，包括嵌入式作業系統、傳感模塊、數據處理與控制模塊、無線收發模塊和天線組成的無線傳感器網絡節點，其特徵是，所述壓電發電機中的懸臂梁為組合式懸臂梁結構，各懸臂梁的兩面貼有若干片壓電元件，若干個懸臂梁上的若干片壓電元件經串並聯獲得需要的電壓和電流。
2.根據權利要求1所述的壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，其特徵是，所述組 合式懸臂梁由依次排列的若干個懸臂梁構成，各懸臂梁平行相間，其一端固定於支架上，另 一端自由，自由端兩面固定有質量塊。
3.根據權利要求1所述的壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，其特徵是，所述壓 電元件由壓電材料和塗鍍在壓電材料上下兩面的電極構成。
4.根據權利要求1或3所述的壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，其特徵是，所述 壓電元件中壓電材料為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電複合材料之一或其組合。
5.根據權利要求1所述的壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，其特徵是，所述儲 能裝置為電容或電池或可充電電池。
6.根據權利要求1所述的壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，其特徵是，所述無 線收發模塊採用802. Ilb或802. 15. 4或Bluetooth或UWB或RF或IrDA或WiFi或GPRS 技術。
專利摘要本實用新型涉及一種壓電發電機供電的無線傳感器網絡節點，是一種能量自給的無線傳感器網絡節點，整個節點採用組合式壓電發電機供電，無需更換電池或對電池充電，主要特點是壓電發電機中的懸臂梁為組合式懸臂梁結構，同時在各懸臂梁的兩面貼有若干片壓電元件，若干片壓電元件經串並聯獲得需要的電壓和電流，本實用新型克服目前彎曲式壓電發電裝置中壓電懸臂梁工作頻率高、容易斷裂損壞的缺點，本實用新型發電量大、發電效率高、使用壽命長，可以實現無線傳感器網絡節點免維護、全天候工作。
文檔編號H02N2/18GK201656813SQ20102018434
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月28日 優先權日2010年4月28日
發明者楊成華, 邊義祥 申請人:揚州博達電氣設備有限公司