專利名稱：壓電發(fā)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種壓電發(fā)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，是一種能量自給的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，整個節(jié)點采用組合式壓電發(fā)電機供電，無需更換電池或?qū)﹄姵爻潆姡?實現(xiàn)全天候、免維護工作。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks)是由大量節(jié)點組成的面向任務(wù)的 分布式網(wǎng)絡(luò)，綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等多領(lǐng)域 技術(shù)，通過各類微型傳感器對信息目標(biāo)進行實時監(jiān)測，由嵌入式微處理器對信息進行加工 處理，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠程用戶，在國防安全、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、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等領(lǐng)域都有重要的科 研價值和實用價值，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般采用電池供電，有自己的缺點傳統(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，無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信靈敏度、通信距離都大大降低，嚴(yán)重時甚至通信失靈，因此需要經(jīng)常 更換電池，或?qū)﹄姵爻潆?，增加了使用成本；同時，電池含有重金屬，廢舊電池處理不當(dāng)會造 嚴(yán)重的環(huán)境污染。電池漸漸的不能完全滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的使用要求。為解決這一制約問題，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)換為電能存儲在電池、電容等儲能裝置中以滿足器件的需求。環(huán)境中能量采集的來源包括太陽能，振動能，噪聲，溫度梯度等多種能源。其中，振 動機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動、血液流動、心臟跳動等生命過程中，且 有著較高的能量密度(250-330 yW/cm3)。因此對振動機械能進行采集有著非常廣泛的應(yīng) 用。對振動能量的采集和轉(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)境或人體的振動機械能轉(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，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，懸臂梁振動時由壓電材料輸出電能并存儲起來，但產(chǎn)生的電能較小，主要用于微電子器 件的供電。中國專利CN101017989A也公開了一種為微型無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的壓電懸 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國專利W0 2007121092也描述了主要用于微機電系統(tǒng)(MEMS)供電的的懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電 能量回收裝置。上述的實用新型專利都是利用單個的壓電懸臂梁的機械振動產(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械振動轉(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。中國專利CN 101272109A公開了一種利用兩組叉指型 的多個壓電懸臂梁，進行寬頻發(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。中國專利CN 101017989A公開了一種基于壓電振動發(fā)電的自供電微 型無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，利用壓電懸臂梁，將環(huán)境的振動機械能轉(zhuǎn)換成電能，為無線傳感網(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)境或人體提供的機械振 動，振動頻率一般很低。這樣，在使用過程中，很難使壓電懸臂梁達到諧振工作狀態(tài)，產(chǎn)生的 電能比較少，無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，影響整個壓電發(fā)電裝置的使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種壓電發(fā)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，解決上述 為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的壓電懸臂梁發(fā)電都是利用單個的壓電懸臂梁的機械振動產(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械振動轉(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，通過本實用新型實現(xiàn)發(fā)電量大、發(fā)電 效率高、使用壽命長，可以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點免維護、全天候工作。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種壓電發(fā)電機供電的無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括由壓電發(fā)電機、整流器、穩(wěn)壓器、控制器、儲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、無線收發(fā)模塊和天線組成的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征是，所述壓電發(fā)電機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在壓電材料上下兩面的電極構(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。所述儲能裝置為電容或電池或可充電電池。所述無線收發(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)。本實用新型通過將壓電發(fā)電機中的懸臂梁由若干個構(gòu)成組合式懸臂梁，同時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 實用新型優(yōu)點主要有(1) 一階彎曲諧振頻率較低；(2)壓電元件在使用過程不易損壞，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，把振動機械能轉(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，很容易使懸臂梁達到彎曲諧振狀態(tài)，此時，懸臂梁 表面的應(yīng)力變化達到極大值，壓電元件輸出電壓(電流)也達到極大值，發(fā)電效率最高。同 時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，和單個壓電元件相比，兩個壓 電元件的輸出電壓增大一倍，電流不變；如果是并聯(lián)連接，和單個壓電元件相比，兩個壓電 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， 本實用新型發(fā)電量大、發(fā)電效率高、使用壽命長，可以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點免維護、全 天候工作。

圖1為本實用新型中壓電元件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型中懸臂梁的側(cè)視圖。圖3為本實用新型中懸臂梁的俯視圖。圖4為本實用新型中壓電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本實用新型，圖1描述了本實用新型中壓電元 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涂鍍在壓電材料2的兩面，壓電 材料2位于兩個電極的中間，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，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)生振動時，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，將振動機械能轉(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)力將達到極大值，壓電元件產(chǎn)生的電量 也會達到極大值。圖4描述了壓電發(fā)電機的結(jié)構(gòu)，若干個具有不同結(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 壓電發(fā)電機安裝在外殼14里。當(dāng)外界環(huán)境的振動引起裝置外殼和支架振動時，也將使懸臂 梁發(fā)生振動，產(chǎn)生電能。當(dāng)外界環(huán)境的振動頻率接近懸臂梁的諧振頻率時，將會使懸臂梁發(fā) 生諧振，產(chǎn)生的電量達到極大值。由于本實用新型中壓電發(fā)電機諧振頻率較低，外界環(huán)境的 振動容易引起壓電發(fā)電機的諧振，可以最大程度地吸收環(huán)境中的振動能量，實現(xiàn)高效發(fā)電。圖5描述了本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖。壓電發(fā)電機19將機械振動源18的振動機械能轉(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) 整為儲能裝置所需要的電壓和電流。控制器22防止儲能裝置對壓電元件反向充電，也對存 儲裝置進行充電保護，防止過充電。儲能裝置23把壓電發(fā)電機產(chǎn)生的電能存儲起來，為無 線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電。存儲裝置可以是電解電容、可充電電池、超級電容等。傳感器25采 集到的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與控制模塊26處理后，通過無線收發(fā)模塊27，由天線28發(fā)出。無 線收發(fā)模塊27采用802. lib (IEEE無線局域網(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 (無線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù))或GPRS (通用分組無線服務(wù)技術(shù))，它們之間是或者的關(guān)系。整 個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由嵌入式操作系統(tǒng)30進行控制。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。本 實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，本實用新型中懸臂梁的材料、形狀、尺寸，每個懸臂梁 上壓電元件的數(shù)量可以根據(jù)具體情況進行調(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施例和本實用新型的例子描述了本實用新型，但本 實用新型不限于以上描述的實施例。按照本實用新型的技術(shù)原理，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員參 照上述技術(shù)原理實施例進行修改和變形均屬于本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求一種壓電發(fā)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括由壓電發(fā)電機、整流器、穩(wěn)壓器、控制器、儲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、無線收發(fā)模塊和天線組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征是，所述壓電發(fā)電機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)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征是，所述組 合式懸臂梁由依次排列的若干個懸臂梁構(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)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征是，所述壓 電元件由壓電材料和涂鍍在壓電材料上下兩面的電極構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的壓電發(fā)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，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)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征是，所述儲 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)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征是，所述無 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)。
專利摘要本實用新型涉及一種壓電發(fā)電機供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，是一種能量自給的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，整個節(jié)點采用組合式壓電發(fā)電機供電，無需更換電池或?qū)﹄姵爻潆?，主要特點是壓電發(fā)電機中的懸臂梁為組合式懸臂梁結(jié)構(gòu)，同時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，本實用新型發(fā)電量大、發(fā)電效率高、使用壽命長，可以實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點免維護、全天候工作。
文檔編號H02N2/18GK201656813SQ20102018434
公開日2010年11月24日 申請日期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 申請人:揚州博達電氣設(shè)備有限公司