[发明专利]一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置

说明书

本发明公开了一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，包括支撑底座、夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路和能量管理单元；集能器包括压电元件、悬臂梁、第一质量块；幅值检测机构包括开关悬臂梁、轻弹簧、第二质量块；系统接口电路分别通过导线与压电元件和能量管理单元相连，系统接口电路分别通过导线与第一质量块和轻弹簧的接触点连接。本发明采用了同步开关电感回收技术(SSHI)，克服了原有电子开关需要额外的电子元件控制且消耗电能和机械开关不能适应振幅变化在幅值的正负极值处自动闭合的缺点；结构简单、可靠，能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通同步开关切换能量回收装置，具有广泛的运用前景。

技术领域

本发明属于压电能量回收领域，特别涉及一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置。

背景技术

无线传感器在大量研究人员的努力下一直飞速发展，已经广泛应用在医疗健康、结构监测与诊断、工业和农业生产、智能交通等领域。目前，大多数的无线传感器均采用电池供电的方式，考虑到电池替换的维护成本以及很多无法更换电池的应用场合，其使用寿命很大程度上受制于电池所能提供的能量，严重影响了无线传感器网络的可靠性和经济性。

能量回收，即从环境中回收太阳能、热能、电磁辐射能、振动机械能等转化为电能，供给无线传感器使用，为解决电池对无线传感器的应用所带来的限制提供了一个很好的方案。回收环境中的能量给无线传感器供电由许多种回收方式，根据不同的换能机制，回收装置可分为利用压电效应的压电回收装置、利用电磁感应的电磁回收装置、利用静电感应的静电回收装置等。其中压电能量回收是一种重要的能量回收方式。

并联同步开关电感回收法(SSHI技术)，基本原理是将全波整流方法与旁路开关电感相结合而产生新方法，在压电元件两端并联同步开关电感，同步开关电感的作用是将压电片的电压反向，以增大压电片的开路输出电压，压电片的能量仍然通过整流电桥和滤波电容等进行回收。在一般情形下，运用SSHI技术需要检测集能器的位移幅值，一般需要在装置上附加传感装置，并进行专门的信号处理获得，需要引入额外的电路处理单元。一方面，这带来了额外的成本和复杂度的上升，另一方面，在一些特定的低功耗和电磁环境复杂的场合，应用受到限制。

目前，同步开关主要有电子开关和机械开关两种，电子开关通过电路来检测压电元件位移幅值的正负极值点，然后控制电子开关打开，但是由于控制电路自身会消耗一部分能量，会造成采集效率降低。现有的机械开关有很大局限性，而普通机械开关适应范围窄，不能适应振幅变化在幅值的正负极值处自动闭合，且切换时间有较大的延迟或提前，采集效率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、性能可靠，能够自适应不同激励情况的同步开关电荷翻转，能量回收效率和输出电能平均功率均高于普通机械开关能量采集器的具有自适应机械开关的压电能量回收装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种集成自适应机械开关的压电能量回收装置，包括支撑底座、用于固定压电悬臂梁集能器和幅值检测机构的夹具、压电悬臂梁集能器、幅值检测机构、系统接口电路和能量管理单元；

所述夹具包括依次设置在支撑底座上的第一夹具、第二夹具、第三夹具和第四夹具；其中，第一夹具和第四夹具形状相同且对称设置，第二夹具和第三夹具形状相同且对称设置；

所述压电悬臂梁集能器包括压电悬臂梁、压电元件和第一质量块，压电悬臂梁一端固定在第二夹具与第三夹具之间，压电悬臂梁靠近夹具一端的侧面上紧贴有压电元件；所述幅值检测机构包括两个开关悬臂梁、轻弹簧、第二质量块，两个开关悬臂梁分别固定在第一夹具与第二夹具、第三夹具与第四夹具之间；

压电悬臂梁的两个侧面分别设有一个第一质量块；开关悬臂梁朝向压电悬臂梁一侧与第一质量块相对应的位置设有轻弹簧，轻弹簧与第一质量块能够相互接触；开关悬臂梁背向压电悬臂梁的一侧与轻弹簧相对应的位置设有第二质量块；