本發(fā)明涉及電子測量與傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于往復(fù)式運動機構(gòu)的自發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃機活塞等往復(fù)式運動機構(gòu)的溫度壓力測量對監(jiān)測運動構(gòu)件的可靠性和壽命至關(guān)重要，但是高速往復(fù)運動的構(gòu)件難以實現(xiàn)有線測量。因此，運動構(gòu)件的傳感測量通常采用無線測量技術(shù)或存儲式測量技術(shù)，傳感器的供電是該技術(shù)領(lǐng)域的一大難點。

目前絕大多數(shù)往復(fù)運動機構(gòu)的傳感測量采用的是電池供電，通過頻繁更換電池實現(xiàn)傳感器的長期工作。電池供電存在壽命問題，頻繁更換電池會大大增加傳感設(shè)備的維護成本并降低其可靠性。尤其是在內(nèi)燃機活塞溫度測量領(lǐng)域，拆解發(fā)動機并更換電池的過程非常復(fù)雜，頻繁更換安裝于活塞上的溫度傳感器的電池會極大地提高測量設(shè)備的后期維護成本。

為了克服普通電池供電傳感器的上述缺陷，專利文獻CN102680125A公開了一種無線溫度傳感器，其設(shè)有壓電陶瓷振動發(fā)電片，通過壓電陶瓷振動發(fā)電片和電流感應(yīng)模塊收集能量為整個傳感器供電，無需電池供電。但專利文獻CN102680125A公開的無線溫度傳感器存在如下不足：

(1)該無線溫度傳感器，通過壓電陶瓷振動發(fā)電片和電流感應(yīng)發(fā)電模塊收集能量為整個傳感器供電，這種供電方式難以在高速往復(fù)運動的內(nèi)燃機活塞上應(yīng)用，適用范圍有一定限制；

(2)該無線溫度傳感器不具備依照被測物體工作頻率進行自適應(yīng)調(diào)整發(fā)電能力的功能，因此其發(fā)電效率比較低，不具備良好的自適應(yīng)性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于往復(fù)式運動機構(gòu)的自發(fā)電裝置，該裝置不僅可以長期有效地為往復(fù)運動機構(gòu)的傳感器提供電能，免去更換電池的維護過程，還可以根據(jù)往復(fù)運動機構(gòu)的工作頻率實時調(diào)整本裝置的響應(yīng)頻率，提高其發(fā)電和供電能力，具有良好適應(yīng)性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于往復(fù)式運動機構(gòu)的自發(fā)電裝置，該自發(fā)電裝置包括：

鎧裝外殼主體，其具有設(shè)置在中心軸線上的導(dǎo)向軸，該鎧裝外殼主體安裝在往復(fù)式運動機構(gòu)上，可隨其一起做往復(fù)運動；

發(fā)電和儲電模塊，布置于所述導(dǎo)向軸與側(cè)壁之間的空間內(nèi)，包括設(shè)置在導(dǎo)向軸外周的永磁鐵以及同軸設(shè)置在所述永磁鐵外周的線圈，所述永磁鐵被鎧裝外殼主體的往復(fù)式運動驅(qū)動，可沿導(dǎo)向軸與線圈產(chǎn)生相對運動，從而產(chǎn)生交變電流；以及

預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊，其設(shè)置在所述導(dǎo)向軸上并可調(diào)節(jié)所述永磁鐵在導(dǎo)向軸上往復(fù)運動的頻率和幅值，從而可使得其頻率與所述往復(fù)運動機構(gòu)的往復(fù)運動頻率匹配，實現(xiàn)兩者共振以最大效率地利用所述往復(fù)運動發(fā)電。

進一步地，所述發(fā)電和儲電模塊還包括復(fù)位彈簧，其套設(shè)在所述導(dǎo)向軸上，包括兩段，第一段一端與所述鎧裝外殼主體固定連接，另一端與所述永磁鐵接觸，第二段一端與所述預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊固定連接，另一端與所述永磁鐵接觸，使得所述永磁鐵與線圈的往復(fù)運動不同步，從而產(chǎn)生相對運動。

進一步地，所述預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊包括螺旋伸縮機構(gòu)，其套設(shè)在所述導(dǎo)向軸上，用于推動所述復(fù)位彈簧伸縮，調(diào)整其初始位置實現(xiàn)復(fù)位彈簧預(yù)緊力的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)所述永磁鐵在導(dǎo)向軸上往復(fù)運動的頻率和幅值。

進一步地，所述螺旋伸縮機構(gòu)外緣有螺紋結(jié)構(gòu)，與所述鎧裝外殼主體的周向螺紋相匹配，能夠在所述導(dǎo)向軸上通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)上下運動，從而推動所述復(fù)位彈簧伸縮。

進一步地，所述預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊還包括步進電機和電機聯(lián)軸器，步進電機固定在所述導(dǎo)向軸的頂端，電機聯(lián)軸器連接所述步進電機和螺旋伸縮機構(gòu)，步進電機通過電機聯(lián)軸器控制所述螺旋伸縮機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)所述螺旋伸縮機構(gòu)上下運動。

進一步地，該裝置還包括整流和控制模塊，其布置于所述鎧裝外殼主體的頂部，與鎧裝外殼主體固定連接，用于檢測所述交變電流的頻率。

進一步地，所述整流和控制模塊包括控制和存儲芯片，用于存儲所述交變電流頻率對應(yīng)的最佳復(fù)位彈簧預(yù)緊力，根據(jù)檢測的交變電流頻率可以控制預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊對預(yù)緊力進行調(diào)節(jié)，使得所述永磁鐵的往復(fù)運動頻率與所述往復(fù)運動機構(gòu)的往復(fù)運動頻率匹配，從而實現(xiàn)兩者共振。

進一步地，所述發(fā)電和儲電模塊還包括蓄電池，用于為所述往復(fù)式運動機構(gòu)上的溫度傳感器或壓力傳感器供電。

進一步地，所述整流和控制模塊用于將所述交變電流整流為直流電流，并為所述蓄電池充電。

進一步地，所述往復(fù)式運動機構(gòu)為發(fā)動機活塞、空氣壓縮機活塞或偏心輪機構(gòu)。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明的技術(shù)方案中，鎧裝外殼主體中心的導(dǎo)向軸上布置有永磁鐵和復(fù)位彈簧，磁鐵周向布置線圈，永磁鐵隨著該裝置的往復(fù)運動而運動從而使線圈切割磁感線進而通過整流和控制模塊實現(xiàn)整流并對蓄電池充電，最終實現(xiàn)自發(fā)電并可以為傳感器供電。

(2)本發(fā)明的技術(shù)方案，通過測量線圈感應(yīng)電流的頻率和幅值，實時控制復(fù)位彈簧的預(yù)緊力，從而改變永磁鐵往復(fù)運動的固有頻率和響應(yīng)特性，使得永磁鐵往復(fù)運動的固有頻率與此時活塞等往復(fù)運動機構(gòu)的固有頻率接近，即產(chǎn)生共振，振幅最大，從而最大效率地利用往復(fù)運動過程發(fā)電，適用范圍廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的一種基于往復(fù)式運動機構(gòu)的自發(fā)電裝置的剖視圖；

圖2為本發(fā)明實施例的一種基于往復(fù)式運動機構(gòu)的自發(fā)電裝置的整流和控制模塊示意圖。

所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-鎧裝外殼主體、2-復(fù)位彈簧、3-永磁鐵、4-線圈、5-蓄電池、6-整流和控制電路模塊、7-接線柱、8-鎧裝外殼端蓋、9-緊定螺釘、10-步進電機、11-鎧裝外殼周向螺紋、12-螺旋伸縮機構(gòu)、13-聯(lián)軸器、14-導(dǎo)向軸、15-步進電機驅(qū)動電路、16-控制和存儲芯片、17-整流電路、18-電容、19-穩(wěn)壓電路。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明實施例的一種基于往復(fù)式運動機構(gòu)的自發(fā)電裝置的剖視圖。如圖1所示，該自發(fā)電傳感器電源包括：鎧裝外殼主體1、發(fā)電和儲電模塊、預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊和整流和控制模塊6。

其中，所述鎧裝外殼主體1包括設(shè)置在其中心軸線上的導(dǎo)向軸14，安裝在活塞等往復(fù)式運動機構(gòu)上，并隨活塞等往復(fù)式運動機構(gòu)一起做往復(fù)式運動；

如圖1所示，所述發(fā)電和儲電模塊包括復(fù)位彈簧2，永磁鐵3，線圈4和鋰電池5，其設(shè)置于鎧裝外殼主體1的中心，與整流和控制模塊6通過導(dǎo)線實現(xiàn)電氣連接；所述永磁鐵3能夠在鎧裝外殼1中心的導(dǎo)向軸14上往復(fù)運動，所述復(fù)位彈簧2安裝在永磁鐵3的上下底面，限制其往復(fù)運動的幅度，所述線圈4布置在永磁鐵3的周向方向上并與鎧裝外殼1固定連接，所述鋰電池5安裝在鎧裝外殼1的內(nèi)壁，與鎧裝外殼1固定連接；

如圖1所示，所述預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊包括步進電機10、電機聯(lián)軸器13和螺旋伸縮機構(gòu)12，其安裝于鎧裝外殼主體1的軸中心線上，位于發(fā)電和儲電模塊上方，與鎧裝外殼主體1通過導(dǎo)向軸14活動連接，與整流和控制模塊6通過導(dǎo)線實現(xiàn)電氣連接；所述螺旋伸縮機構(gòu)12外緣有螺紋結(jié)構(gòu)，與鎧裝外殼的周向螺紋11相匹配，能夠在鎧裝外殼1中心的導(dǎo)向軸14上通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)上下運動，所述步進電機10通過電機聯(lián)軸器13與螺旋伸縮機構(gòu)12連接；

如圖1所示，所述整流和控制模塊6是一套由整流電路17、步進電機驅(qū)動電路15構(gòu)成的模塊，所述整流電路17與發(fā)電和儲電模塊的線圈4及鋰電池5通過導(dǎo)線實現(xiàn)電氣連接，所述步進電機驅(qū)動電路15與預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊的步進電機10通過導(dǎo)線實現(xiàn)電氣連接。

本發(fā)明的技術(shù)方案中，鎧裝外殼主體中心的導(dǎo)向軸上布置有永磁鐵和復(fù)位彈簧，磁鐵周向布置線圈，永磁鐵隨著該裝置的往復(fù)運動而運動從而使線圈切割磁感線進而通過整流和控制模塊實現(xiàn)整流并對蓄電池充電，最終實現(xiàn)自發(fā)電并可以為溫度傳感器或壓力傳感器供電。

此外，通過測量線圈感應(yīng)電流的頻率和幅值，實時控制復(fù)位彈簧的預(yù)緊力，從而改變永磁鐵往復(fù)運動的固有頻率和響應(yīng)特性，使得永磁鐵往復(fù)運動的固有頻率與此時活塞等往復(fù)運動機構(gòu)的固有頻率接近，即產(chǎn)生共振，振幅最大，從而最大效率地利用往復(fù)運動過程發(fā)電，適用范圍廣，可為溫度傳感器或壓力傳感器等傳感器供電。

使用時，將本發(fā)明活塞等往復(fù)式運動機構(gòu)的自發(fā)電傳感器電源固定在活塞等往復(fù)式運動機構(gòu)上，隨著機構(gòu)的運動而往復(fù)運動，在往復(fù)運動過程中驅(qū)使套在鎧裝外殼主體1中心導(dǎo)向軸14上的永磁鐵3相對于線圈4往復(fù)運動，線圈4切割磁感線產(chǎn)生一定頻率的交變電流；

同時，整流和控制模塊6將線圈4產(chǎn)生的交變電流進行整流變壓并對發(fā)電與儲電模塊中的鋰電池5進行充電，從而實現(xiàn)該裝置的自發(fā)電，最終將電能通過鎧裝外殼上的接線柱7供給布置在待測機構(gòu)上的傳感器。

當(dāng)待測機構(gòu)的往復(fù)運動頻率改變時，整流和控制模塊6檢測線圈4輸入的頻率和幅值并讀取控制和存儲芯片16中預(yù)先計算出的該工作頻率下的最佳的彈簧預(yù)緊力，同時控制預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊實現(xiàn)復(fù)位彈簧2預(yù)緊力的調(diào)節(jié)，此時，永磁鐵3的運動頻率也會隨之改變，線圈4切割磁感線產(chǎn)生的交變電流的頻率和幅值相應(yīng)變化；

具體地，根據(jù)所述最佳復(fù)位彈簧預(yù)緊力，整流和控制模塊6的步進電機驅(qū)動電路15驅(qū)動步進電機10旋轉(zhuǎn)一定的角度，步進電機10通過電機聯(lián)軸器13控制螺旋伸縮機構(gòu)12旋轉(zhuǎn)，螺旋伸縮機構(gòu)12在旋轉(zhuǎn)過程中推動復(fù)位彈簧2伸縮，調(diào)整其初始位置從而實現(xiàn)復(fù)位彈簧12預(yù)緊力的調(diào)節(jié)，最終改變永磁鐵3往復(fù)運動的固有頻率和頻率響應(yīng)特性，使得永磁鐵往復(fù)運動的固有頻率與此時活塞等往復(fù)運動機構(gòu)的固有頻率接近，即產(chǎn)生共振，振幅最大，實現(xiàn)最大效率發(fā)電。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述發(fā)電和儲電模塊中的永磁鐵3和線圈4的位置可以互換，永磁鐵3固定在鎧裝外殼主體1的周向上，線圈4周向布置在所述導(dǎo)向軸14上，并能夠在鎧裝外殼中心的導(dǎo)向軸14上往復(fù)運動。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述整流和控制模塊還包括穩(wěn)壓電路19，用于調(diào)節(jié)控制電壓。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，整流和控制模塊6還可以包含升壓和降壓模塊，因此，該活塞等往復(fù)式運動機構(gòu)的自發(fā)電傳感器電源還可以根據(jù)傳感器需求提供不同供電電壓。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實施中給出了效果較優(yōu)的永磁鐵，但本發(fā)明不限于上述實施例中給出的永磁鐵，還可以是電磁鐵，具體根據(jù)實際情況確定。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實施中給出了效果較優(yōu)的復(fù)位彈簧，但本發(fā)明不限于上述實施例中給出的復(fù)位彈簧，還可以是彈簧片或彈性橡膠，具體根據(jù)實際情況確定。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實施中給出了效果較優(yōu)的鋰電池，但本發(fā)明不限于上述實施例中給出的鋰電池，還可以是鋰聚合物電池、鎳氫電池或鉛酸電池，具體蓄電池種類根據(jù)實際情況確定。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實施中給出了效果較優(yōu)的螺旋伸縮機構(gòu)，但本發(fā)明不限于上述實施例中給出的螺旋伸縮機構(gòu)，還可以是蝸輪蝸桿機構(gòu)或伸縮式液壓缸，具體伸縮機構(gòu)種類根據(jù)實際情況確定。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實施中給出了效果較優(yōu)的步進電機，但本發(fā)明不限于上述實施例中給出的步進電機，還可以是伺服電機或直流電機，具體電機種類根據(jù)實際情況確定。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，實施中給出了往復(fù)式運動機構(gòu)為發(fā)動機活塞，但本發(fā)明不限于上述實施例中給出的往復(fù)式運動機構(gòu)，還可以是空氣壓縮機活塞、偏心輪機構(gòu)，具體往復(fù)式運動機構(gòu)根據(jù)實際情況確定。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。