專利名稱：壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，是一種能量自給的 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)采用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電，無(wú)需更換電池或?qū)﹄姵爻潆姡?實(shí)現(xiàn)全天候、免維護(hù)工作。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)是由大量節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)的 分布式網(wǎng)絡(luò)，綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域 技術(shù)，通過(guò)各類微型傳感器對(duì)信息目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由嵌入式微處理器對(duì)信息進(jìn)行加工 處理，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程用戶，在國(guó)防安全、工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域各種控制、城 市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域都有重要的科 研價(jià)值和實(shí)用價(jià)值，具有十分廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，有自己的缺點(diǎn)傳統(tǒng)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(dāng)電池電量不足、泄漏或接觸不良時(shí)，無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信靈敏度、通信距離都大大降低，嚴(yán)重時(shí)甚至通信失靈，因此需要經(jīng)常 更換電池，或?qū)﹄姵爻潆姡黾恿耸褂贸杀?；同時(shí)，電池含有重金屬，廢舊電池處理不當(dāng)會(huì)造 嚴(yán)重的環(huán)境污染。電池漸漸的不能完全滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的使用要求。為解決這一制約問(wèn)題，科學(xué)研究人員引入了“能量采集”這一概念。通常意義上所 講的“能量采集”實(shí)際上特指將其他形式的能量采集、轉(zhuǎn)換為電能。即將器件所處環(huán)境中的 能源轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在電池、電容等儲(chǔ)能裝置中以滿足器件的需求。環(huán)境中能量采集的來(lái)源包括太陽(yáng)能，振動(dòng)能，噪聲，溫度梯度等多種能源。其中，振 動(dòng)機(jī)械能是一種較普遍的能源形式，廣泛存在于樓宇、橋梁、車輛、船舶、飛行器、機(jī)電設(shè)備 等各種生產(chǎn)和生活設(shè)備，也存在于人體的肢體運(yùn)動(dòng)、血液流動(dòng)、心臟跳動(dòng)等生命過(guò)程中，且 有著較高的能量密度(250-330 yW/cm3)。因此對(duì)振動(dòng)機(jī)械能進(jìn)行采集有著非常廣泛的應(yīng) 用。對(duì)振動(dòng)能量的采集和轉(zhuǎn)換主要存在三種方式壓電式，靜電式和電磁式。壓電式能 量采集方式的能量密度大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于微型化。壓電發(fā)電的工作原理是基于正壓電效應(yīng)， 將環(huán)境或人體的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為電能。根據(jù)壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)不同，有碰撞式壓電 發(fā)電和彎曲式壓電發(fā)電兩種發(fā)電方式。碰撞式發(fā)電是利用壓電元件受到碰撞時(shí)，應(yīng)力發(fā)生 變化，產(chǎn)生電能。而彎曲式壓電發(fā)電是利用壓電元件彎曲的時(shí)候，應(yīng)力發(fā)生變化，產(chǎn)生電能。彎曲式壓電發(fā)電裝置中，壓電材料一般都是制成壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。比如中國(guó)專利 CN 100414808C提出了一種壓電俘能器，自由端懸掛集中質(zhì)量塊的懸臂梁兩面粘貼壓電材 料，懸臂梁振動(dòng)時(shí)由壓電材料輸出電能并存儲(chǔ)起來(lái)，但產(chǎn)生的電能較小，主要用于微電子器 件的供電。中國(guó)專利CN101017989A也公開了一種為微型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的壓電懸 臂梁發(fā)電系統(tǒng)，其中壓電材料仍然粘貼在懸臂梁的上下兩面。中國(guó)專利CN101262189A公開 了一種利用懸臂梁的壓電發(fā)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(guó)專利W0 2007121092也描述了主要用于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)供電的的懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電 能量回收裝置。上述的實(shí)用新型專利都是利用單個(gè)的壓電懸臂梁的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生電能，由 于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)限制，只能把外界的某一頻率的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電效率低，頻率范圍 窄，只能用于微型電子系統(tǒng)的供電。中國(guó)專利CN 101272109A公開了一種利用兩組叉指型 的多個(gè)壓電懸臂梁，進(jìn)行寬頻發(fā)電裝置；其中的壓電懸臂梁是由壓電元件直接制成，或是由 壓電元件粘接制成的。中國(guó)專利CN 101017989A公開了一種基于壓電振動(dòng)發(fā)電的自供電微 型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，利用壓電懸臂梁，將環(huán)境的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)供電。[0008]在上述的壓電發(fā)電裝置中，壓電懸臂梁由兩種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)壓電懸臂梁。在現(xiàn)有的壓電發(fā)電專利中，無(wú)論那一種形式的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，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(fā)電裝置中，常用的壓電材料是壓電陶瓷。由于壓電陶瓷的彈性模量較大，這樣由整塊 的壓電元件制成的壓電懸臂梁一階彎曲共振頻率較高，而由自然環(huán)境或人體提供的機(jī)械振 動(dòng)，振動(dòng)頻率一般很低。這樣，在使用過(guò)程中，很難使壓電懸臂梁達(dá)到諧振工作狀態(tài)，產(chǎn)生的 電能比較少，無(wú)法滿足一般的供電需要。而且，由整塊的壓電元件制成的壓電懸臂梁，其中 的壓電材料脆性較大，容易斷裂損壞，影響整個(gè)壓電發(fā)電裝置的使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，解決上述 為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的壓電懸臂梁發(fā)電都是利用單個(gè)的壓電懸臂梁的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生 電能，存在由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)限制，只能把外界的某一頻率的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，發(fā)電效率 低，頻率范圍窄，只能用于微型電子系統(tǒng)供電的不足，通過(guò)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)發(fā)電量大、發(fā)電 效率高、使用壽命長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)免維護(hù)、全天候工作。本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括由壓電發(fā)電機(jī)、整流器、穩(wěn)壓器、控制器、儲(chǔ)能裝置組成的供電裝置，包括 嵌入式操作系統(tǒng)、傳感模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和天線組成的無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征是，所述壓電發(fā)電機(jī)中的懸臂梁為組合式懸臂梁結(jié)構(gòu)，各懸臂梁的兩面貼 有若干片壓電元件，若干個(gè)懸臂梁上的若干片壓電元件經(jīng)串并聯(lián)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(gè)懸臂梁構(gòu)成，各懸臂梁平行相間，其一端 固定于支架上，另一端自由，自由端兩面固定有質(zhì)量塊。所述壓電元件由壓電材料和涂鍍?cè)趬弘姴牧仙舷聝擅娴碾姌O構(gòu)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、壓電復(fù)合材料之一 或其組合。所述儲(chǔ)能裝置為電容或電池或可充電電池。所述無(wú)線收發(fā)模塊采用802. lib或802. 15. 4或Bluetooth或UWB或RF或IrDA 或WiFi或GPRS技術(shù)。本實(shí)用新型通過(guò)將壓電發(fā)電機(jī)中的懸臂梁由若干個(gè)構(gòu)成組合式懸臂梁，同時(shí)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(jīng)串并聯(lián)獲得需要的電壓和電流，本 實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)主要有(1) 一階彎曲諧振頻率較低；(2)壓電元件在使用過(guò)程不易損壞，增 加了裝置的使用壽命。這種結(jié)構(gòu)隨著周圍環(huán)境的振動(dòng)，把振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)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(huán)境中，或把發(fā)電裝置隨身攜帶時(shí)，很容易使懸臂梁達(dá)到彎曲諧振狀態(tài)，此時(shí)，懸臂梁 表面的應(yīng)力變化達(dá)到極大值，壓電元件輸出電壓(電流)也達(dá)到極大值，發(fā)電效率最高。同 時(shí)把懸臂梁上的壓電元件串聯(lián)或并聯(lián)聯(lián)接。如果是串聯(lián)連接，和單個(gè)壓電元件相比，兩個(gè)壓 電元件的輸出電壓增大一倍，電流不變；如果是并聯(lián)連接，和單個(gè)壓電元件相比，兩個(gè)壓電 元件的輸出電流增大一倍，電壓不變。具體的聯(lián)接方式，可以根據(jù)輸出電量的需求決定。本 實(shí)用新型克服目前彎曲式壓電發(fā)電裝置中壓電懸臂梁工作頻率高、容易斷裂損壞的缺點(diǎn)， 本實(shí)用新型發(fā)電量大、發(fā)電效率高、使用壽命長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)免維護(hù)、全 天候工作。

圖1為本實(shí)用新型中壓電元件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型中懸臂梁的側(cè)視圖。圖3為本實(shí)用新型中懸臂梁的俯視圖。圖4為本實(shí)用新型中壓電發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型，圖1描述了本實(shí)用新型中壓電元 件的結(jié)構(gòu)，壓電元件包括壓電材料2、電極1和3。電極1、3涂鍍?cè)趬弘姴牧?的兩面，壓電 材料2位于兩個(gè)電極的中間，類似三明治結(jié)構(gòu)；壓電材料2的極化方向平行于厚度方向。由 于正壓電效應(yīng)，當(dāng)壓電元件2受到應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，將在電極上產(chǎn)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(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和俯視圖， 壓電元件5、6、7、8、9、10……通過(guò)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(duì)稱地固定有質(zhì)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(zhì) 量塊11、12的材料、結(jié)構(gòu)尺寸共同決定。當(dāng)懸臂梁4發(fā)生振動(dòng)時(shí)，粘貼在懸臂梁4上的壓電 元件將受到交變的應(yīng)力，在壓電元件的電極1、3上產(chǎn)生電荷和電壓，將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成 電能。如果懸臂梁4發(fā)生諧振，則壓電元件受到的應(yīng)力將達(dá)到極大值，壓電元件產(chǎn)生的電量 也會(huì)達(dá)到極大值。圖4描述了壓電發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，若干個(gè)具有不同結(jié)構(gòu)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(gè) 壓電發(fā)電機(jī)安裝在外殼14里。當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)引起裝置外殼和支架振動(dòng)時(shí)，也將使懸臂 梁發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生電能。當(dāng)外界環(huán)境的振動(dòng)頻率接近懸臂梁的諧振頻率時(shí)，將會(huì)使懸臂梁發(fā) 生諧振，產(chǎn)生的電量達(dá)到極大值。由于本實(shí)用新型中壓電發(fā)電機(jī)諧振頻率較低，外界環(huán)境的 振動(dòng)容易引起壓電發(fā)電機(jī)的諧振，可以最大程度地吸收環(huán)境中的振動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電。圖5描述了本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。壓電發(fā)電機(jī)19將機(jī)械振動(dòng)源18的振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成交變的電能，整流器20將交變的電能轉(zhuǎn)換成直流的電能。穩(wěn)壓器21將直流電能調(diào) 整為儲(chǔ)能裝置所需要的電壓和電流?？刂破?2防止儲(chǔ)能裝置對(duì)壓電元件反向充電，也對(duì)存 儲(chǔ)裝置進(jìn)行充電保護(hù)，防止過(guò)充電。儲(chǔ)能裝置23把壓電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)起來(lái)，為無(wú) 線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電。存儲(chǔ)裝置可以是電解電容、可充電電池、超級(jí)電容等。傳感器25采 集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與控制模塊26處理后，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊27，由天線28發(fā)出。無(wú) 線收發(fā)模塊27采用802. lib (IEEE無(wú)線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn))或802. 15. 4 (紫蜂，IEEE802. 15. 4 協(xié)議)或Bluetooth (藍(lán)牙)或UWB (超寬帶)或RF (射頻)或IrDA (紅外數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸) 或WiFi (無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù))或GPRS (通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù))，它們之間是或者的關(guān)系。整 個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由嵌入式操作系統(tǒng)30進(jìn)行控制。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛 的系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)。本 實(shí)用新型中的嵌入式操作系統(tǒng)和普通的嵌入式操作系統(tǒng)相同。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本實(shí)用新型中懸臂梁的材料、形狀、尺寸，每個(gè)懸臂梁 上壓電元件的數(shù)量可以根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。壓電材料可由壓電單晶、壓電陶瓷、壓電聚 合物、壓電復(fù)合材料之一或其組合制成。雖然以上文字已參照特定的實(shí)施例和本實(shí)用新型的例子描述了本實(shí)用新型，但本 實(shí)用新型不限于以上描述的實(shí)施例。按照本實(shí)用新型的技術(shù)原理，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員參 照上述技術(shù)原理實(shí)施例進(jìn)行修改和變形均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求一種壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括由壓電發(fā)電機(jī)、整流器、穩(wěn)壓器、控制器、儲(chǔ)能裝置組成的供電裝置，包括嵌入式操作系統(tǒng)、傳感模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和天線組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征是，所述壓電發(fā)電機(jī)中的懸臂梁為組合式懸臂梁結(jié)構(gòu)，各懸臂梁的兩面貼有若干片壓電元件，若干個(gè)懸臂梁上的若干片壓電元件經(jīng)串并聯(lián)獲得需要的電壓和電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征是，所述組 合式懸臂梁由依次排列的若干個(gè)懸臂梁構(gòu)成，各懸臂梁平行相間，其一端固定于支架上，另 一端自由，自由端兩面固定有質(zhì)量塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征是，所述壓 電元件由壓電材料和涂鍍?cè)趬弘姴牧仙舷聝擅娴碾姌O構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征是，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、壓電復(fù)合材料之一或其組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征是，所述儲(chǔ) 能裝置為電容或電池或可充電電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其特征是，所述無(wú) 線收發(fā)模塊采用802. Ilb或802. 15. 4或Bluetooth或UWB或RF或IrDA或WiFi或GPRS 技術(shù)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種壓電發(fā)電機(jī)供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，是一種能量自給的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)采用組合式壓電發(fā)電機(jī)供電，無(wú)需更換電池或?qū)﹄姵爻潆?，主要特點(diǎn)是壓電發(fā)電機(jī)中的懸臂梁為組合式懸臂梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(jīng)串并聯(lián)獲得需要的電壓和電流，本實(shí)用新型克服目前彎曲式壓電發(fā)電裝置中壓電懸臂梁工作頻率高、容易斷裂損壞的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型發(fā)電量大、發(fā)電效率高、使用壽命長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)免維護(hù)、全天候工作。
文檔編號(hào)H02N2/18GK201656813SQ20102018434
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者楊成華, 邊義祥 申請(qǐng)人:揚(yáng)州博達(dá)電氣設(shè)備有限公司