[发明专利]一种机械位移极值开关及其在振动能量收集中的应用

说明书

本发明提供了一种机械位移极值开关。本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的机械位移极值开关的应用。本发明相对传统只能检测振动的出现并会产生简单通知信号的振动开关，本发明可以有效检测位移的极值并产生开关动作；相对传统电子开关，本发明减少了电子元件，消减了器件损耗，降低了开关翻转门限电压阈值，并在较大振动范围内可以实现压电俘能器(PEH)中的位移极值检测及开关通断功能，大大地提高了振动能量收集的效能。在一组实验案例中，采用此机械同步开关界面电路(MSP‑SSHI)的PEH，在恒应变激励下，其收集功率相对于采用传统整流桥的PEH提高131％，相对采用电子同步开关界面电路(ESP‑SSHI)的PEH提高100％。

技术领域

本发明涉及一种机械位移极值开关及其在振动能量收集中的应用。

背景技术

随着低能耗电子技术的发展，一些无线传感器和便携式设备的能耗水平大幅降低，这使得收集环境中的振动能为这些无线器件供电成为可能。压电俘能器(piezoelectric energy harvester，简称为PEH)以其易集成、输出电压高、适用于低频振动等优点，成为最有前景的环境能量收集技术之一。

由于压电器件的电容特性，采用电感同步开关(synchronized switchharvesting on inductor，简称为SSHI)接口电路可以提高数倍的能量收集效率。这种SSHI电路需要检测电压的极值时刻并在此时刻控制开关动作使压电材料两端的电压在很短的时间内发生符号翻转。又因压电材料两端电压的极值处对应压电结构速度过零点，即位移极值点，所以位移极值检测开关成为实现SSHI的关键技术。

PCT专利WO 2007/063194A1采用无源电子元件实现这些检测和控制功能，逐渐发展成了自供型电子同步开关(electronic self-powered SSHI，简称为ESP-SSHI)。但是由于ESP-SSHI采用了很多二极管和三极管，从而带来了开关相位滞后，翻转参考电压增加，器件损耗增加等问题，从而限制了SSHI性能的完全发挥。

在现有的开关元器件中，机械振动开关(vibration sensor switch，VSS)可以在外界振动达到一定水平时发出简易信号，告知振动存在，但是它无法实现对小振幅下位移极值的检测，而且此种开关的电极会在外界振动下反复振荡，产生多次开关动作，所以不适合用作SSHI电路中的极值检测开关。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以检测振动位移极值的机械开关。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种机械位移极值开关，其特征在于，包括框架、设于框架上的摆杆、设于框架两侧端面上固定电极及下固定电极、电刷，摆杆在外部振动的作用下在上固定电极与下固定电极之间来回摆动，从而来回地与上固定电极及下固定电极相接触，当摆杆与上固定电极接触后，上固定电极与电刷接通，当摆杆与下固定电极接触后，下固定电极与电刷接通。

优选地，所述框架包括一对相互扣合的上盖板及下盖板，所述上固定电极及所述下固定电极分别固定在上盖板及下盖板上。

优选地，还包括轴及与轴过盈配合的轴承，所述上盖板与所述下盖板扣合后，将轴承固定在所述上盖板与所述下盖板之间。

优选地，所述摆杆的一端通过止动螺丝与轴连接固定，所述摆杆的另一端用于与所述上固定电极及所述下固定电极相接触。

优选地，所述轴为能够与所述电刷有良好接触的具有导电性的轴。

优选地，所述摆杆采用质量较轻的软质材料制成，例如塑料、铜泊、橡胶片等，还可以在摆杆上开镂空。

优选地，在所述摆杆内设有导电丝，或摆杆自身为导电材料，如铝质材料。

优选地，所述摆杆在垂直于振动方向的截面较宽。