[发明专利]一种磁电换能器及其能量管理电路

说明书

技术领域：

本发明涉及一种双弹性基底磁电换能器，尤其涉及一种磁电换能器及其能量管理电路。

背景技术：

随着无线传感器网络技术的发展，微型无线传感器网络已经被广泛应用于军事、环境监测预报、健康护理、智能家居、大型车间管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域的特殊场合。无线传感器节点是无线传感器网络最基本的组成部分，其体积微小，自身携带的电池能量有限，不能满足长期工作的需要，并且在环境恶劣或其他人类无法到达的场合，电池的更换非常困难甚至不可能，因而收集环境能量并转换为电能为无线传感器供电成为国际上的一个研究热点。已经被国内外学者报道的能量采集方式有多种，如电磁、静电、热电、压电等。其中的磁电能量采集方式所收集的交变磁场能量存在于大自然各个角落，是为无线传感器节点提供能量的一个很好来源。而利用超磁致伸缩材料和压电材料制作的磁电换能器也被国内外学者报道。

磁电换能器是由超磁致伸缩材料和压电材料层合粘贴而成，在磁场的作用下，磁致伸缩层产生应力或应变，此机械运动通过粘接层传递到压电层，压电层由于逆压电效应而产生电场，从而实现磁电转换。磁电换能器具有高谐振磁电转换系数的现象首先由Dong SX等人报道，他们随后还对多种结构的磁电换能器的谐振磁电响应进行了理论和实验研究。但这些结构只有在很窄的谐振频带内才有较高的磁电转换系数，并且这些结构的磁电转换系数越高，谐振带宽就越窄。针对这种现象，将几个不同谐振频率的磁电换能器串/并联起来，以达到拓宽磁电响应频带目的，但是其串/并联的输出电压比单个磁电换能器输出电压小。另外，自然环境中的交变磁场微弱，故磁电换能器输出功率较小，不能直接驱动无线传感器工作。

发明内容：

本发明就是针对上述问题，提供一种能够对较宽频带内交变磁场能量进行采集的磁电换能器及其能量管理电路。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括宽频带磁电换能器、能量接收管理电路、无线传感器收发节点、PC机数据处理；其结构要点在于无线传感器节点中采用低功耗数字式传感器SHTll测量温度、湿度参数；所测信号经无线传感器内部的A/D和微处理器的处理后，通过微功耗收发通信芯片CCll00发射出来。接受端将接受的数字信号经串口传输到PC机并处理，从而达到监测环境参数的目的。

发明的有益效果：

利用两不同长度的弹性基板来控制双弹性基底磁电换能器结构的磁电频率响应。实验证明，这种双弹性基底结构的谐振响应频带的3dB带宽与单弹性基底结构的3dB带宽相比提高330Hz，并且其磁电转换电压也提高了1.5倍。针对无线传感器的负载特性，设计了一种能量瞬间释放电路，并分析了该电路在不同开关占空比及不同频率下驱动负载的能力。根据这些分析，确定了电路的参数。在储能电容两端电压为0.5V时，成功驱动最大功耗75mW的无线传感器节点正常工作。

附图说明；

图1是自供能无线传感器节点结构图。

具体实施方式：

本发明包括宽频带磁电换能器、能量接收管理电路、无线传感器收发节点、PC机数据处理；无线传感器节点中采用低功耗数字式传感器SHTll测量温度、湿度参数；所测信号经无线传感器内部的A/D和微处理器的处理后，通过微功耗收发通信芯片CCll00发射出来；接受端将接受的数字信号经串口传输到PC机并处理，从而达到监测环境参数的目的。

电源管理电路由阻抗匹配电路、AC/DC转换电路、储能超级电容、控制电路、DC/DC变换电路和临时储能电容Cl组成，其中，Cs为储能超级电容；控制电路通过监测超级电容Cs两端的电压，来控制升压电路的启动；调节阻抗匹配电路的前端电感，使得磁电换能器和阻抗匹配电路处于谐振状态；然后再通过调节阻抗匹配电路的前后端电感的匝数比，使得阻抗匹配电路的输出开路电压K为储能电容电压VI的2倍；这样就使得磁电换能器产生的能量以最大功率的存储到储能电容Cs中。当控制电路监测电容电压达到0.5V时，能量瞬间释放电路启动，驱动无线传感器工作。无线传感器完成一次信号发射，电容两端电压下降到0.475V左右，然后磁电换能器继续对超级电容充电；这样就能使得超级电容两端电压保持在0.475～0.5V之间，磁电换能器以较高的功率对超级电容充电。

当开关S处于闭合状态时，变压器原边线圈内电流增大，副边线圈感应出电流从同名端流出；此时二极管D，导通，而D2截止；电流经扼流线圈L，并将能量存储于L中，当开关断开时，D2导通，存储在电感L中的能量经D2回路为负载供电。