一种自发电式加速度传感器

本发明属于机械振动或声波测量装置，具体涉及一种自发电式加速度传感器。

背景技术：

1、加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器,被广泛应用于结构振动监测、碰撞实验、测试仪器等领域，通常的加速度传感器测量基本原理是利用如石英晶体这类压电材料，材料的变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出，从而测得加速度。

2、加速度传感器常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。根据传感器敏感元件的不同，传统的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。随着物联网的飞速发展，传感器网络逐渐规模化，传感器网络节点的供电方式主要分为两种，即是导线供电和电池供电。在面对数量庞大的传感器网络节点时，大量导线的使用会使整个传感器网络的成本大幅增加，同时由于传感器节点分布情况复杂，将所有节点用导线连接也存在较大困难。即使采用电池供电方式，由于电池的使用寿命有限，更换回收电池会极大地提高运维成本，尤其对于大规模的传感器网络节点而言，更换电池几乎是不可能完成的任务，电池也存在潜在的环境污染问题。

技术实现思路

1、本发明公开了一种自发电式加速度传感器，拟解决传统加速度传感器是外电源或电池供电，在传感器较多或连接节点较繁杂的传感器网络中导线连接、电池更换困难的技术问题。

2、为解决上述存在的技术问题，本发明采用的技术方案如下：

3、一种自发电式加速度传感器，包括振子、分别设于振子上、下两方的第一固定板和第二固定板、设于振子外侧周围的壳体；所述第一固定板、第二固定板分别与所述壳体可拆卸固定连接；所述振子相对的两侧分别通过第一弹性件固定连接于所述壳体，使所述振子能够在所述壳体内沿所述第一弹性件的伸缩方向做往复移动；所述振子设有金属线圈，所述第一固定板和所述第二固定板分别设磁极相异的两个磁体；所述第二固定板和所述振子的相对面分别设第一发电元件和第二发电元件；所述第一发电元件和所述第二发电元件相接触，所述第二发电元件能够随着所述振子的往复移动进而配合所述第一发电元件产生电。本发明通过利用传感器本身由于振子在使用过程中会往复移动的传感器本身的特性，在第一固定板和第二固定板分别设磁极相异的两个磁体，两个磁体间形成磁场，所述振子设金属线圈，金属线圈随着振子的往复移动而切割两个磁体间的磁感线，使金属线圈内产生电流，根据电磁发电机基本原理，能够实现在传感器内自发电，利用了电磁式发电机将振动机械能转换为电能，可为传感器的信号传输提供电能，摆脱了传统传感器需要导线或电池供电的弊端；并且，通过在第二固定板和振子相对着的两个面分别设第一发电元件和第二发电元件，所述振子受力产生加速度相对于所述第二固定板移动，由于所述第一发电元件和所述第二发电元件接触，所述第二发电元件并能够随着所述振子移动而相对移动，根据摩擦纳米发电机原理，能够在第一发电元件和第二发电元件中形成电流回路，从而实现摩擦式发电，产生的电流回路的电压能够保持与振子的位移呈线性关系，从而实现更准确的测量振动或者冲击加速度，不但能够自发电对信号传输供电，而且提高了对振动或冲击加速度测量的准确性。

4、优选的，本发明所述自发电式加速度传感器，所述第一发电元件为沿着振子往复移动方向排列且间隔的至少两个第一导电金属层；所述第二发电元件为平行于所述第一发电元件设置的第一介电材料层；所述第一介电材料层的面积与所述第一导电金属层的面积相等。

5、本优选方案，通过将所述第一发电元件设为沿着所述振子往复移动方向排列且间隔的至少两个第一导电金属层；所述第二发电元件为平行于所述第一发电元件设置的第一介电材料层，所述第一介电材料层的面积与所述第一导电金属层的面积相等，所述振子相对于所述第二固定板往复移动，带动所述第一介电材料层和第一导电金属层相对移动，根据摩擦式纳米发电原理，能够使两个所述第一导电金属层之间产生电势差，从而使两个所述第一导电金属层之间形成电流回路，所述第一介电材料相对于所述第一导电金属层的移动是直接受所述振子的移动控制，从而使产生的电流回路的电压能够保持与阵子的位移呈线性关系，使所述第一发电元件和所述第二发电元件发电更稳定，电流持续更稳定，不但能够契合传感器本身的工作性能，与传感器配合能够显现出使振动测量或冲击加速度测量更准确的效果。

6、优选的，本发明所述自发电式加速度传感器，所述第一发电元件为第二导电金属层，所述第二发电元件包括均平行于所述第二导电金属层的第三导电金属层和第二介电材料层，所述第二介电材料层靠近所述第二导电金属层的一面与所述第三导电金属层接触并固定连接。

7、本优选方案，通过将所述第一发电元件为第二导电金属层，所述第二发电元件由第二介电材料层和第三导电金属层组成，所述第二介电材料层靠近所述第二导电金属层的一面与所述第三导电金属层接触并固定连接，根据摩擦式纳米发电原理，所述第二介电材料层和第三导电金属层跟随所述振子的往复移动，能够使所述第二导电金属层和所述第三导电金属层之间产生电势差，从而形成电流回路，使所述第二发电元件相对于所述第一导电金属层的移动是直接受所述振子的移动控制，从而使产生的电流回路的电压能够保持与阵子的位移呈线性关系，使所述第一发电元件和所述第二发电元件发电更稳定，电流持续更稳定，不但能够契合传感器本身的工作性能，并且与传感器配合能够显现出使振动测量或冲击加速度测量更准确的效果。

8、优选的，本发明所述自发电式加速度传感器，所述壳体固定所述第一弹性件的两面分别设有端面平板，所述端面平板通过第二弹性件伸缩连接于所述壳体；所述壳体和所述端面平板的相对面分别设第三发电元件和第四发电元件，所述第三发电元件为第四导电金属层，所述第四发电元件为均平行于所述第四导电金属层的第五导电金属层和第三介电材料层，所述第三介电材料层与所述第五导电金属层接触并固定连接。

9、本优选方案，所述壳体面向所述振子的两面分别设有端面平板，所述端面平板和所述壳体之间间隔并设第二弹性件，使所述端面平板通过第二弹性件伸缩连接于所述壳体，所述振子在往复移动过程中给所述端面平板冲击力，能够使所述端面平板沿着所述第二弹性件伸缩方向相对于所述壳体往复移动；通过在所述壳体面向所述端面平板的一面和所述端面平板面向所述壳体的一面分别设第三发电元件和第四发电元件，所述端面平板接触或远离所述壳体往复移动而在所述第四导电金属和第五导电金属间产生电势差，实现接触分离式发电。并且所述端面平板能够接触远离所述壳体，当加速度未超过量程时，振子的移动未达到端面平板，因而不会碰撞端面平板，此阶段接触分离式摩擦发电机输出电压几乎为零，当加速度超过量程时，振子碰撞所述端面平板，使所述第三发电元件和所述第四发电元件电势差已经达到最大，在分离后间隙越来越大，电势差越来越小，可以得出一个最大电压值所对应的加速度为最大加速度值，从而判断出该传感器所策略的加速度的量程，当传感器超出有效线性量程时，振子会撞击端面平板从而产生一个高电压信号，具有提醒用户待测加速度超出量程的作用。实现更准确检测出外界加速度是否超出传感器量程，方便用户判断待测加速度是否处于有效量程内，提高了传感器的可靠性。

10、优选的，本发明所述的自发电式加速度传感器，所述第一固定板和/或所述第二固定板设有沿所述振子往复移动方向的导向槽。

11、本优选方案通过在所述第一固定板和/或所述第二固定板设有沿所述振子往复移动方向的导向槽，使所述振子在感知外界振动而往复移动能够沿着导向槽移动，减小振子在移动中晃动的几率，使所述振子的振动能够更贴近所感知的加速度振动，进一步提高了加速度测量的准确性。

12、优选的，本发明所述自发电式加速度传感器，所述壳体位于所述端面平板的位置设限位槽，所述端面平板嵌入所述限位槽内。

13、本优选方案通过壳体位于所述端面平板的位置设限位槽，所述端面平板嵌入所述限位槽内。使所述端面平板能够固定于限位槽，而增加了端面平板的稳定性。

14、优选的，本发明所述自发电式加速度传感器，所述振子固定所述第一弹性件的两侧分别设对称的至少两个固定耳，所述第一弹性件的个数与所述固定耳数量相等，每个所述第一弹性件固定于所述固定耳。

15、本优选方案通过在所述振子固定所述第一弹性件的两侧分别设对称的至少两个固定耳，使所述第一弹性件能够固定于所述固定耳上，减小所述第一弹性件因弹性回复偏离振子本体的概率，从而使所述振子和所述第一弹性连接接整体性更强，减小因机械连接而导致加速度感知的偏差，从而进一步提高加速度测量的准确性。

16、优选的，本发明所述自发电式加速度传感器，所述振子靠近所述第一固定板的一面设有若干圆孔，所述圆孔内设有球径相匹配的滚珠；所述滚珠随着所述振子的移动能够在所述第一固定板的板面滚动。

17、本优选方案通过在所述振子设所述圆孔，所述圆孔内设滚珠，所述滚珠通过嵌入式或过盈配合能够固定于所述圆孔内，并在所述圆孔内滚动，所述滚珠随着所述振子的移动能够在所述第一固定板的板面滚动，使所述振子相对于于所述第一固定板滑动过程中为滚动摩擦，减小摩擦力，减小振子摩擦损耗，降低机械本身对振子加速度的影响，进一步提高了加速度测量的准确性，并且能够减小所述振子与所述第一固定板的摩擦损耗，提高使用寿命。

18、优选的，本发明所述自发电式加速度传感器，所述第一固定板和所述第二固定板分别开设固定孔；两个所述磁体分别嵌入式固定于所述第一固定板的固定孔和第二固定板的固定孔内。

19、本优选方案通过第一固定板和所述第二固定板分别开设固定孔，使所述磁体能够嵌入式的固定于所述固定孔，使所述磁体能够根据实际使用情况进行更换，实现变换两个所述磁体的磁场强度，便于调整所述传感器发电的电能大小，增强该自发电式加速度传感器适用性。

20、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

21、1、根据上述设计，本发明通过在所述振子设有金属线圈，所述第一固定板和所述第二固定板分别设磁极相异的两个磁体；所述金属线圈随着所述振子的往复移动而切割两个磁体间的磁感线，根据电磁发电机基本原理，能够实现在传感器内自发电，利用了电磁式发电机将振动机械能转换为电能，可为传感器的信号传输提供电能，摆脱了传统传感器需要导线或电池供电的弊端。

22、2、本发明在传感器内设有电磁自发电的设置基础上，再通过设置第一发电元件和第二发电元件，所述第一发电元件和所述第二发电元件相接触并能够随着所述振子的往复移动发电，不但实现摩擦式发电，并且产生的电流回路的电压能够保持与振子的位移呈线性关系，从而实现更准确的测量振动或者冲击加速度，不但能够自发电对信号传输供电，而且提高了对振动或冲击加速度测量的准确性。

23、3、本发明通过电磁线圈式发电结构、摩擦纳米薄膜发电结构配合在整体中使用，不但能够分工发电，而且协同在本自发式加速传感器中能够输出利于所述传感器使用的符合电压和电流值，配合度更高，增强本发明的适用性，增加使用寿命。