CN107246911A - 一种利用压电结构的无源检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用压电结构的无源检测装置，由电源、被电源供电的检测装置和将检测信号向外发射传输的无线传输装置构成，其特征在于，具有至少一个压电结构检测单元；在压电结构检测单元中，压电材料102和外层的包裹层101作为压电组件，作为检测和信号无线传输装置的检测芯片集成103覆贴在压电组件的包裹层101上。本发明可在原机构中起到减振降噪的同时起到供能的作用，其中压电片将振动挤压的机械能转化为电能输出供电。本发明可应用在轨道列车、汽车、飞机等机械装置中，将应用机构所形成的振动加以利用检测出相关特性。
Description
技术领域
本发明涉及利用压电结构的无源检测装置，特别是涉及将振动产生的机械能转化为电能的无源检测装置。
背景技术
机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，持续或阶段性持续振动的振源比较丰富，比如家用电器和工业生产设备工作时产生的振动、人体运动和车辆行驶过程中产生的振动、桥梁的振动等。通常这些能量因为忽略而被白白浪费或被减震系统吸收。因此，通过振动能量采集器将环境中的振动能转化成电能为低功耗电子设备供电，不仅提高了能量的综合利用率，而且为低功耗电子设备提供了新的绿色电源系统，对无线传感器网络、便携式设备等低功耗电子设备的发展和应用具有重要意义。
目前，振动能转化为电能的发电机所利用的原理主要有静电感应，电磁感应、静电脉冲发电机等。然而，已经发明的静电感应发电机，由于需要接入外部电源作为启动电压，并且静电式能量收集装置产生的是高电压、低电流和高输出阻抗，从一定程度上限制了静电式能量收集技术的应用范围。静电脉冲发电机在小型化和轻量化方面有所不足，输出功率密度较小，不能满足对各种振动机械能收集的需要。
发明内容
本发明涉及一种可以将轨道机车、航空飞行器等等形式的振动能转化为电能的压电结构的无源检测装置，检测加速度、振动频率等低功耗检测设备等提供匹配的无源检测。
为实现上述目的，本发明提供的具体装置是：
一种利用压电结构的无源检测装置，由电源、被电源供电的检测装置和将检测信号向外发射传输的无线传输装置构成，具有至少一个压电结构检测单元；在压电结构检测单元中，压电材料102和外层的包裹层101作为压电组件，作为检测和信号无线传输装置的检测芯片集成103覆贴在压电组件的包裹层101上。
进一步地，在具有多个压电组件的结构中，所述压电结构检测单元具有一个以上的压电组件，压电组件在振动源附近叠层安装，各压电组件输出的电能输入到和对各压电组件输出电能进行管理调整的电源管理单元并经其调整后为所述检测和信号无线传输装置提供电能；所述电源管理单元亦可集成在检所述压电结构检测单元具有一个以上的压电组件，压电组件在振动源附近叠层安装，各压电组件输出的电能输入到和对各压电组件输出电能进行管理调整的电源管理单元并经其调整后为所述检测和信号无线传输装置提供电能；所述电源管理单元亦可集成在检测芯片集成103内。
这样，通过压电材料102振动供电给检测芯片集成103。
所述压电材料102，选自偏氟乙烯(PVDF)、氧化锌(ZnO)、PZT压电陶瓷、PbTiO3系压电陶瓷和无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，可根据不同的结构设计及不同的参数条件选用其中一种或几种压电材料或压电复合材料，并通过水热法、溶胶凝胶法、脉冲沉积法、静电纺丝等工艺进行可控制备。
所述压电材料102，可通过制备工艺中相关参数的控制，调控其形貌及性能，以获得适用于具体条件的最优压电材料。
所述电源管理模块装置的集成103，其主要功能是将压电材料随形变所产生的交变电信号经过整流桥整流滤波及直流-直流变换电路(DC-DC)输出可为后端电容或用电设备供电的直流电。其所选整流桥，不仅可以直接使用二极管(1N4146)搭建，也可以使用商业集成的全桥芯片(DB107)，甚至可以直接配套使用带低电压锁功能的商业芯片(LTC3588)等，进行电源管理。
所述压电材料在外界振动的作用下，压电材料在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，有脉冲电信号输出，通过电源管理模块供电给检测装置和致使通过线圈的磁通量发生改变，因而有脉冲电信号输出，脉冲信号通过电源管理模块供电给检测装置和无线发射装置。
与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：
1、本发明提供压电材料结构为电源，相对于外接电源，设计和加工费时繁琐，器件性能不稳定，本发明的实用性更强，大大的降低成本的同时仍然能保持非常有益的检测信号的输出。
2、本发明提供的矩形外形的无源无线检测结构单元，因此，能够有效的降低被检测设备的噪音，同时有效地将振动机械能转变为电能。
3、采用具有一定机械强度和弹性的压电材料作为支撑内核，塑料或特种橡胶作为基体，成本低廉。
4、本发明的结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，可以将自然界、轨道等产生的振动能转变为电能，具有广泛的实际用途。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明无源检测装置的结构示意图；
图2、图3和图4为本发明发电机实施例二的结构模型图；
图5为本发明发电机实施例三的结构模型图；
图6为本发明的多层加实例图；
图7为本发明配套的电源管理电路图。
具体实施方式
机械振动能是环境中普遍存在的一种能量形式，持续或阶段性持续振动的振源比较丰富，比如家用电器和工业生产设备工作时产生的振动等。通常这些能量因为忽略而被白白浪费或被减震系统吸收。因此，通过振动能量采集器将环境中的振动能转化成电能为低功耗电子设备供电，不仅提高了能量的综合利用率，而且为低功耗电子设备提供了新的绿色电源系统，对无线传感器、无源检测的发展和应用具有重要意义。
下面结合附图和实施例详细介绍本发明无源检测装置的具体实施方式。实施例一：
参见图1，在任一无源检测装置结构中，包括：压电材料102，包裹材料101，检测装置、无线发射和电源管理模块装置的集成103；通过压电材料102振动供电给检测装置和无线发射装置的集成103，将检测数据传输给无线接收装置。
其中包裹材料101选用具有一定机械强度，检测装置受到外力作用(振动作用)时，使得压电材料102发生上下振动，因而有脉冲电信号输出。
本发明的无源检测装置中，压电材料102材料选择为选自偏氟乙烯(PVDF)、氧化锌、PZT压电陶瓷、PbTiO3系压电陶瓷和无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料。本发明的无源检测装置中102压电材料为发电部分，103为电源管理、检测装置和无线发射装置的集成部分。
本发明的发电机结构简单，制备方法简单，对材料无特殊要求，在实际使用中，只需进行简单的固定和封装，即可应用在生活环境中、收集自然界、轨道、机械设备等产生的振动机械能，具有广泛的实际用途。
实施例二：
下面结合图2、图3和图4，具体介绍本实施例中压电结构无源检测装置的结构。
参见图2，压电材料发电装置中压电材料为左右对称的两部分结构。参见图3，在压电材料的中间设置一个横臂梁201，增大压电材料的振动幅度，将显著地增加输出电能。参考图4，在压电结构上侧为电源管理、检测装置和无线发射装置，这种结构有效的减小了整体的尺寸结构，最大限度使无源检测装置集成为一体，使得本发明适用性更强，具有广泛的应用前景。
实施例三：
实施应用在轨道机车的轮对上，如图5所示，多个所述压电组件在振动源附近邻接安装。多个压电组件敷贴在振动源，其电能汇聚到一个集成有电源管理单元的检测芯片集成103内(该检测芯片集成103亦覆贴在某压电组件的包裹层101上)。
实施例四：
下面结合图6，本实施例中，多层压电结构叠加，其中叠加层数n﹥1,图6中的叠加层数为n＝10。这种多层次的压电结构无源检测装置，既可以提供较大电量的输出，又可以通过多层次的叠加起到降噪的功能。图6中，将本实施应用在轨道机车的轮对上，使得本发明利用压电结构的无源检测装置，既可以检测火车轮对的振动，又可以降低机车运行中的噪音。
下面结合图7，具体介绍电源管理电路。本发明设计了高效双同步开关采集的电源管理电路(图7)，在该电路中将这种利用压电材料的换能器分别等效于电流源(I1)与电容器(C1)的并联再与电感(L1)串联的模式以及电压源(V1)、电阻器(R1)以及电感(L2)串联的模式，分别通过开关(J1、J2)与后续全桥整流电路(D1、D2)相连，通过二极管(D3、D4)分别给初级储能电容(Cint)充电，达到一定阈值后，通过控制开关(J3)给后续储能电路包括电感(L3)、二极管(D5)、电容器(Cstorage)、并通过Rload模拟负载用电器。然后采用软硬结合的柔性FPC电路封装，将电源管理电路集成于发明所设计的发电机中，得到最佳电源管理效率的管理电路。
本实施例中，在第二实施例的基础上，将无源检测装置运用于轨道机车，参考图5，无源检测装置应用于轨道机车的轮对振动检测。既可以利用轮对振动进行无源检测，又能够起到降低噪音的作用。
本发明各实施例的无源检测装置，可以在机械装置中的振动机械结构中，如飞行器中振动结构中应用无源检测装置可以检测出相关的数据，提高其安全性。对于安全性上和适用性上，本发明具有广泛的应用前景。
发明人的研究过程中发现，在本发明各实施例的压电材料的选取在实际工作当中，不同压电材料对实际输出功率有很大的影响。随着压电材料的压电性能的增大，负载两端的电信号增大，而选取压电材料的压电性能较低，输出的电信号较弱。因此，本发明在压电材料的选取上，依据检测设备的工作功率大小。需要说明的是，本文中使用的“输出功率”，是指脉冲电流的极大值和在负载两端形成的脉冲电压的极大值的乘积，即瞬时极大功率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种利用压电结构的无源检测装置，由电源、被电源供电的检测装置和将检测信号向外发射传输的无线传输装置构成，其特征在于，具有至少一个压电结构检测单元；在压电结构检测单元中，压电材料(102)和外层的包裹层(101)作为压电组件，作为检测和信号无线传输装置的检测芯片集成(103)覆贴在压电组件的包裹层(101)上。
2.根据权利要求1所述的利用压电结构的无源检测装置，其特征在于，所述压电结构检测单元具有一个以上的压电组件，压电组件在振动源附近安装，各压电组件输出的电能输入到和对各压电组件输出电能进行管理调整的电源管理单元并经其调整后为所述检测和信号无线传输装置提供电能；所述电源管理单元亦可集成在检测芯片集成(103)内。
3.根据权利要求1所述的利用压电结构的无源检测装置，其特征在于，所述压电组件在振动源附近邻接安装。
4.根据权利要求1所述的利用压电结构的无源检测装置，其特征在于，所述压电组件在振动源附近叠层安装。
5.根据权利要求1所述的利用压电结构的无源检测装置，其特征在于，所述压电材料选自偏氟乙烯PVDF、氧化锌、PZT压电陶瓷、PbTiO3系压电陶瓷、无机压电陶瓷、有机高分子树脂构成的压电复合材料之一。
6.根据权利要求1所述的利用压电结构的无源检测装置，其特征在于，所述电源管理单元、检测装置和无线发送装置集成为一体。
7.根据权利要求1所述的利用压电结构的无源检测装置，其特征在于，所述压电材料的中间设置一个横臂梁(201)。
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