一种纵向模式压电振动俘能系统

1.本发明涉及振动能量采集技术领域，具体涉及一种纵向模式压电振动俘能系统。


背景技术：

2.振动能量广泛存在于环境中，是一种很有前景的微能源，因此近年来备受关注。与传统的可再生能源相比，振动能的发电量较低，目前无法将其可用能量反馈给大电网。然而，由于环境振动源分布广泛，在物联网(iot)和分布式自供电微电网等场景中具有广阔的应用前景。
3.现有技术的压电式振动俘能器大多数工作在弯曲模式下，例如悬臂梁或两端固支梁，其具有刚度低、谐振频率低、结构简单、易于加工制造等优点。但现有技术的弯曲模式(d31模式)的功率输出较小，且只有在共振模式才能输出较大的功率，且功率大多从几微瓦到几毫瓦不等，而具无线传输功能的系统级负载的功耗一般在50mw以上，因此，现有压电式振动俘能器难以驱动系统级负载。


技术实现要素：

4.为了解决现有压电式振动俘能器难以驱动系统级负载等技术问题，本发明提供一种纵向模式压电振动俘能系统。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.一种纵向模式压电振动俘能系统，包括振动能量俘获器以及能量管理电路，所述振动能量俘获器包括配重块、第一弹性部件、第二弹性部件、弹性底座以及处于纵向模式下的压电部件，所述第一弹性部件的一端与所述第二弹性部件的一端连接，所述配重块设置在所述第一弹性部件与所述第二弹性部件的连接处，所述第一弹性部件的另一端与所述压电部件的一端抵接，所述第二弹性部件的另一端与所述压电部件的另一端抵接，所述第一弹性部件与所述第二弹性部件构成倒v形结构，所述弹性底座的两端分别与所述第一弹性部件的另一端以及所述第二弹性部件的另一端固定连接；所述配重块在振动时产生的惯性力通过所述第一弹性部件和所述第二弹性部件对所述压电部件进行挤压，所述能量管理电路用于将挤压下的所述压电部件产生的压电电压进行收集和处理后再输出。
7.本发明的有益效果是：采用纵向模式即d
33
模式压电俘能，通过第一弹性部件与第二弹性部件所构成机械力变送器来改变压电部件的受力方向，即将配重块的振动产生的惯性力转换成压电部件的两端的挤压力，配重块的惯性力分别通过同时第一弹性部件与所述第二弹性部件传递至压电部件的两端实现对压电部件两端进行挤压。与弯曲模式能量俘获装置，本发明在振动能量采集方面具有四个优点。首先，压电材料在本发明中以d
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模式工作。由于压电材料在d
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模式下的机电耦合系数高于d
31
模式即弯曲模式，因此纵向模式即d
33
模式比弯曲模式即d
31
模式的能量转换效率更高。其次，纵向模式下应力均匀分布在压电材料上，与弯曲模式中的严重应力集中形成对比。应力的均匀分布允许压电材料在更低的峰值应力条件下工作，提高了其使用寿命。最后，本发明通过设置弹性部件即第一弹性部件与
第二弹性部件，进行力传递降低了整个电俘获结构的刚度，从而降低了谐振频率，可以通过配重块和弹性部件的适配调节可以使压电部件的共振频率与环境振动相匹配，从而最大程度地收集振动能量。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
9.进一步，在所述第一弹性部件与所述第二弹性部件所构成的倒v形结构中，所述第一弹性部件与所述第二弹性部件之间的夹角为钝角。
10.采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置第一弹性部件和第二弹性部件，可以放大输入惯性力，并实现受力方向的变换即环境振动产生的垂向惯性力转换为压电部件的轴向拉压应力。
11.进一步，所述第一弹性部件与所述第二弹性部件的长度相等。
12.采用上述进一步方案的有益效果是，环境振动产生的垂向惯性力均衡的转换为压电部件两端的轴向拉压应力。
13.进一步，还包括第一定位部件以及第二定位部件，所述第一定位部件的一端与所述第二弹性部件的另一端固定连接，所述第二定位部件的一端与所述第一弹性部件的另一端固定连接，所述压电部件的两端分别与所述第一定位部件的另一端以及所述第二定位部件的另一端抵接。
14.进一步，所述弹性底座呈v形结构，所述弹性底座包括第一弹性支撑和第二弹性支撑，所述第一弹性支撑的一端与所述第一定位部件固定连接，所述第二弹性支撑的一端与所述第二定位部件固定连接，所述第一弹性支撑的另一端与所述第二弹性支撑的另一端固定连接后构成所述v形结构。
15.进一步，所述压电部件由多个压电陶瓷片堆栈而成，所有压电陶瓷片产生的电压统一通过能量管理电路进行收集和放大。
16.进一步，所述能量管理电路包括控制芯片、第一阈值调节电阻、第二阈值调节电阻、第三阈值调节电阻、第四阈值调节电阻、第五阈值调节电阻、第六阈值调节电阻、第七阈值调节电阻、第八阈值调节电阻、第九阈值调节电阻、第一稳压电阻、第二稳压电阻、第一最大功率点追踪电阻、第二最大功率点追踪电阻、第一电压调节电阻、第二电压调节电阻、第三电压调节电阻、第一储能电容、第二储能电容、功率电感、整流器、旁路电容；
17.所述控制芯片为型号为adp5091的能量采集芯片，所述控制芯片的内部电压参考监测端分别与所述第一阈值调节电阻的一端、所述第三阈值调节电阻的一端、所述第五阈值调节电阻的一端以及所述第八阈值调节电阻的一端电连接，所述第一阈值调节电阻的另一端分别与所述控制芯片的终止充电端以及所述第二阈值调节电阻的一端电连接，所述第二阈值调节电阻的另一端接地，所述第三阈值调节电阻的另一端分别与所述控制芯片的禁用阈值监控端以及所述第四阈值调节电阻的一端电连接，所述第四阈值调节电阻的另一端接地，所述第五阈值调节电阻的另一端分别与所述第七阈值调节电阻的一端以及所述控制芯片的设置监控端电连接，所述第七阈值调节电阻的另一端分别与所述第六阈值调节电阻的一端以及所述控制芯片的压降滞后设置端电连接，所述第六阈值调节电阻的另一端接地，所述第八阈值调节电阻的另一端分别与所述第九阈值调节电阻的一端以及所述控制芯片的关机设置端电连接，所述第九阈值调节电阻的另一端接地；
18.所述控制芯片的最小工作功率设置端与所述第三电压调节电阻的一端电连接，所
第三电压调节电阻的另一端接地，所述第一电压调节电阻的一端与所述第二电压调节电阻的一端择一地与所述控制芯片的调节电压配置端电连接；
19.所述第一储能电容的一端以及所述第二储能电容的一端均与所述控制芯片的输出存储端电连接，所述第一储能电容的另一端以及所述第二储能电容的另一端均接地；
20.所述功率电感的一端与所述控制芯片的升压调节端电连接，所述整流器的输出端分别与所述功率电感的另一端以及所述控制芯片的电源输入端电连接；
21.所述第一最大功率点追踪电阻的一端与所述整流器的输出端电连接，所述第一最大功率点追踪电阻的另一端与所述第二最大功率点追踪电阻的一端以及所述控制芯片的最大功率点跟踪端均电连接，所述第二最大功率点追踪电阻的另一端接地，所述整流器的输入端与所述压电部件的输出端电连接；
22.所述旁路电容的一端与所述控制芯片的电容器旁路端电连接，所述旁路电容的另一端接地；
23.所述控制芯片的调节输出端与所述第二稳压电阻的一端电连接，所述第二稳压电阻的另一端分别与所述控制芯片的反馈调节输入端以及所述第一稳压电阻的一端电连接，所述第一稳压电阻的另一端接地；
24.进一步，所述整流器包括第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管以及第四肖特基二极管；所述第一肖特基二极管的正极分别与所述压电部件的输出端负极以及所述第三肖特基二极管的负极电连接；所述第二肖特基二极管的正极分别与所述压电部件的输出端正极以及所述第四肖特基二极管的负极电连接，所述第三肖特基二极管的正极以及所述第四肖特基二极管的正极均接地，所述第一肖特基二极管的负极与所述第二肖特基二极管的负极电连接，所述整流器的输出端为所述第一肖特基二极管的负极和/或所述第二肖特基二极管的负极。
25.进一步，所述能量管理电路还包括第一滤波电容、第二滤波电容、第三滤波电容、第四滤波电容以及第五滤波电容；所述第一滤波电容的一端以及所述第五滤波电容的一端均与所述控制芯片的电压输出端电连接，所述第一滤波电容的另一端以及所述第五滤波电容的另一端均接地，所述第二滤波电容的一端与所述控制芯片的调节输出端电连接，所述第三滤波电容的一端以及所述第四滤波电容的一端均与所述控制芯片的电源输入端电连接，所述第二滤波电容的另一端、所述第三滤波电容的另一端以及所述第四滤波电容的另一端均接地。
附图说明
26.图1为本发明实施例中一种纵向模式压电振动俘能系统的结构示意图；
27.图2为本发明实施例中振动能量俘获器的结构示意图；
28.图3为本发明实施例中压电部件的结构示意图；
29.图4为本发明实施例中能量管理电路的电路原理图；
30.图5为能量管理电路的工作流程框图。
31.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
32.1-配重块，2-第一弹性部件，3-第二弹性部件，4-第一定位部件，5-弹性底座，6-第二定位部件，7-压电部件，8-能量管理电路。
具体实施方式
33.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
34.实施例1
35.如图1所示，本实施例提供一种纵向模式压电振动俘能系统，包括振动能量俘获器以及能量管理电路8，所述振动能量俘获器包括配重块1、第一弹性部件2、第二弹性部件3、弹性底座5以及处于纵向模式下的压电部件7，所述第一弹性部件2的一端与所述第二弹性部件3的一端连接，所述配重块1设置在所述第一弹性部件2与所述第二弹性部件3的连接处，所述第一弹性部件2的另一端与所述压电部件7的一端抵接，所述第二弹性部件3的另一端与所述压电部件7的另一端抵接，所述第一弹性部件2与所述第二弹性部件3构成倒v形结构，所述弹性底座5的两端分别与所述第一弹性部件2的另一端以及所述第二弹性部件3的另一端固定连接；所述配重块1在振动时产生的惯性力通过所述第一弹性部件2和所述第二弹性部件3对所述压电部件7进行挤压，所述能量管理电路8用于将挤压下的所述压电部件7产生的压电电压进行收集和处理后再输出。更改配重块1的重量可以调节系统的工作频率即压电部件7产生的压电电压的频率。
36.具体地，在所述第一弹性部件2与所述第二弹性部件3所构成的倒v形结构中，所述第一弹性部件2与所述第二弹性部件3之间的夹角为钝角，并且所述第一弹性部件2与所述第二弹性部件3的长度相等。第一弹性部件2的另一端与第一定位部件4焊接或者第一弹性部件2的另一端与第一定位部件4呈一体；第二弹性部件3的另一端与第二定位部件6焊接或者第二弹性部件3的另一端与第二定位部件6呈一体。第一定位部件4的一端与第一弹性部件2连接，压电部件7的一端镶嵌在第一定位部件4的另一端，第二弹性部件3的一端与第二定位部件6连接，压电部件7的另一端镶嵌在第二弹性部件3的另一端。
37.其中，第一弹性部件2、第二弹性部件3、第一定位部件4、第二定位部件6以及弹性底座5的材料均优选弹簧钢。
38.如图2所示，所述弹性底座5呈v形结构，所述弹性底座5包括第一弹性支撑和第二弹性支撑，所述第一弹性支撑的一端与所述第一定位部件4固定连接，所述第二弹性支撑的一端与所述第二定位部件6固定连接，所述第一弹性支撑的另一端与所述第二弹性支撑的另一端固定连接后构成所述v形结构。
39.如图3所示，所述压电部件7由多个压电陶瓷片粘接而成，所有压电陶瓷片产生的电压统一通过能量管理电路8进行收集和放大。每个压电陶瓷片的正极输出端与能量管理电路8正极输入端通过导线电连接，每个压电陶瓷片的负极输出端与能量管理电路8负极输入端通过导线电连接。
40.如图4所示，所述能量管理电路8包括控制芯片u1、第一阈值调节电阻r_them1、第二阈值调节电阻r_them2、第三阈值调节电阻r_bk1、第四阈值调节电阻r_bk2、第五阈值调节电阻r_pg1、第六阈值调节电阻r_pg2、第七阈值调节电阻r_pg_hyst、第八阈值调节电阻r_sd1、第九阈值调节电阻r_sd2、第一稳压电阻r1、第二稳压电阻r2、第一最大功率点追踪电阻r3、第二最大功率点追踪电阻r4、第一电压调节电阻r5、第二电压调节电阻r6、第三电压调节电阻r7、第一储能电容c1、第二储能电容sc1、功率电感l1、整流器、旁路电容c4；
41.所述控制芯片u1为型号为adp5091的能量采集芯片，所述控制芯片u1的内部电压
参考监测端ref分别与所述第一阈值调节电阻r_them1的一端、所述第三阈值调节电阻r_bk1的一端、所述第五阈值调节电阻r_pg1的一端以及所述第八阈值调节电阻r_sd1的一端电连接，所述第一阈值调节电阻r_them1的另一端分别与所述控制芯片u1的终止充电端term以及所述第二阈值调节电阻r_them2的一端电连接，所述第二阈值调节电阻r_them2的另一端接地，所述第三阈值调节电阻r_bk1的另一端分别与所述控制芯片u1的禁用阈值监控端setbk以及所述第四阈值调节电阻r_bk2的一端电连接，所述第四阈值调节电阻r_bk2的另一端接地，所述第五阈值调节电阻r_pg1的另一端分别与所述第七阈值调节电阻r_pg_hyst的一端以及所述控制芯片u1的设置监控端setpg电连接，所述第七阈值调节电阻r_pg_hyst的另一端分别与所述第六阈值调节电阻r_pg2的一端以及所述控制芯片u1的压降滞后设置端sethyst电连接，所述第六阈值调节电阻r_pg2的另一端接地，所述第八阈值调节电阻r_sd1的另一端分别与所述第九阈值调节电阻r_sd2的一端以及所述控制芯片u1的关机设置端setsd电连接，所述第九阈值调节电阻r_sd2的另一端接地；
42.所述控制芯片u1的最小工作功率设置端minop与所述第三电压调节电阻r7的一端电连接，所第三电压调节电阻r7的另一端接地，所述第一电压调节电阻r5的一端与所述第二电压调节电阻r6的一端择一地与所述控制芯片u1的调节电压配置端vid电连接；
43.所述第一储能电容c1的一端以及所述第二储能电容sc1的一端均与所述控制芯片u1的输出存储端bat电连接，所述第一储能电容c1的另一端以及所述第二储能电容sc1的另一端均接地；
44.所述功率电感l1的一端与所述控制芯片u1的升压调节端sw电连接，所述整流器的输出端分别与所述功率电感l1的另一端以及所述控制芯片u1的电源输入端vin电连接；
45.所述第一最大功率点追踪电阻r3的一端与所述整流器的输出端电连接，所述第一最大功率点追踪电阻r3的另一端与所述第二最大功率点追踪电阻r4的一端以及所述控制芯片u1的最大功率点跟踪端mppt均电连接，所述第二最大功率点追踪电阻r4的另一端接地，所述整流器的输入端与所述压电部件7的输出端电连接；
46.所述旁路电容c4的一端与所述控制芯片u1的电容器旁路端cbp电连接，所述旁路电容c4的另一端接地；
47.所述控制芯片u1的调节输出端reg_out与所述第二稳压电阻r2的一端电连接，所述第二稳压电阻r2的另一端分别与所述控制芯片u1的反馈调节输入端reg_fb以及所述第一稳压电阻r1的一端电连接，所述第一稳压电阻r1的另一端接地；
48.所述整流器包括第一肖特基二极管d1、第二肖特基二极管d2、第三肖特基二极管d3以及第四肖特基二极管d4；所述第一肖特基二极管d1的正极分别与所述压电部件7的输出端负极以及所述第三肖特基二极管d3的负极电连接；所述第二肖特基二极管d2的正极分别与所述压电部件7的输出端正极以及所述第四肖特基二极管d4的负极电连接，所述第三肖特基二极管d3的正极以及所述第四肖特基二极管d4的正极均接地，所述第一肖特基二极管d1的负极与所述第二肖特基二极管d2的负极电连接，所述整流器的输出端为所述第一肖特基二极管d1的负极和/或所述第二肖特基二极管d2的负极。
49.所述能量管理电路8还包括第一滤波电容c2、第二滤波电容c3、第三滤波电容c5、第四滤波电容c6以及第五滤波电容c7；所述第一滤波电容c2的一端以及所述第五滤波电容c7的一端均与所述控制芯片u1的电压输出端sys电连接，所述第一滤波电容c2的另一端以
及所述第五滤波电容c7的另一端均接地，所述第二滤波电容c3的一端与所述控制芯片u1的调节输出端reg_out电连接，所述第三滤波电容c5的一端以及所述第四滤波电容c6的一端均与所述控制芯片u1的电源输入端vin电连接，所述第二滤波电容c3的另一端、所述第三滤波电容c5的另一端以及所述第四滤波电容c6的另一端均接地。
50.具体地，第二储能电容sc1的型号可以为dsk-3r3h224u，参数取值2200μf；第一储能电容c1的型号可以为1210贴片，参数取值220μf；功率电感l1的型号可以为lps4018，参数取值为22μh；本实施例中第一滤波电容c2、第二滤波电容c3、第三滤波电容c5、第四滤波电容c6以及第五滤波电容c7均为0603贴片电容，旁路电容c4为0603贴片电容，第一滤波电容c2的参数取值为4.7μf，第二滤波电容c3和第四滤波电容c6的参数取值为10μf，第三滤波电容c5和第五滤波电容c7的参数取值为0.1μf；旁路电容c4的参数取值为10nf；输出电平切换开关sw1的型号可以为ssaj120100；输出电平切换开关sw1用于实现所述第一电压调节电阻r5的一端与所述第二电压调节电阻r6的一端择一地与所述控制芯片u1的调节电压配置端vid电连接，第一肖特基二极管d1、第二肖特基二极管d2、第三肖特基二极管d3以及第四肖特基二极管d4的型号可以为pmeg3010ej；所有电阻均为0603贴片电阻，第一最大功率点追踪电阻r3和第二最大功率点追踪电阻r4的参数取值分别为4.7mω和18mω；第一阈值调节电阻r_them1、第三阈值调节电阻r_bk1、第五阈值调节电阻r_pg1、第八阈值调节电阻r_sd1、阈值调节电阻r_them1、r_bk1、r_pg1、r_sd1的参数取值为5.9mω；第二阈值调节电阻r_them2阈值调节电阻r_them2、第四阈值调节电阻r_bk2、第六阈值调节电阻r_pg2、第九阈值调节电阻r_sd2的参数均为3.9mω。第七阈值调节电阻r_pg_hyst的参数为100kω、输出电平切换开关sw1位于左位时，系统的输出电压vout为2v；sw1位于右位时，系统输出电压vout为3.3v。
51.如图5所示，当能量管理电路8检测到有振动能源的输入信号时，系统开始低功耗冷启动，当输入电压的有效值大于0.38v时，系统进入异步升压模式，并向储能元件充电。其中，储能元件包括第一储能电容c1和第二储能电容sc1。当储能元件的输出电压大于时，系统进入同步升压模式。当储能元件的输出电压达到最大额定电压时，控制芯片u1关闭升压模式，并等待外部振动能源的输入。若系统输出电压未能达到最大额定电压v2，但达到设定的阈值电压系统在同步升压模式和异步升压模式之间来回切换，并向储能元件充电。系统在上述工作流程中循环往复。
52.本发明实施例采用纵向模式即d33模式压电俘能，通过第一弹性部件2与第二弹性部件3所构成机械力变送器来改变压电部件7的受力方向，即将配重块1的振动产生的惯性力转换成压电部件7的两端的挤压力，配重块1的惯性力分别通过同时第一弹性部件2与所述第二弹性部件3传递至压电部件7的两端实现对压电部件7两端进行挤压。与弯曲模式能量俘获装置，本发明在振动能量采集方面具有四个优点。首先，压电材料在本发明中以d33模式工作。由于压电材料在d33模式下的机电耦合系数高于d31模式即弯曲模式，因此纵向模式即d33模式比弯曲模式即d31模式的能量转换效率更高。其次，纵向模式下应力均匀分
布在压电材料上，与弯曲模式中的严重应力集中形成对比。应力的均匀分布允许压电材料在更低的峰值应力条件下工作，提高了其使用寿命。第三，本发明可以放大输入惯性力，并实现受力方向的变换即环境振动产生的垂向惯性力转换为压电部件7的轴向拉压应力。最后，本发明通过设置弹性部件即第一弹性部件2与第二弹性部件3，进行力传递降低了整个电俘获结构的刚度，从而降低了谐振频率，可以通过配重块和弹性部件的适配调节可以使压电部件7的共振频率与环境振动相匹配，从而最大程度地收集振动能量。
53.实施例2
54.实施例1中的一种纵向模式压电振动俘能系统应用于铁路道岔转辙机拉力的自供能监测系统时，能够为铁路道岔转辙机拉力的自供能监测系统提供电能。具体地，将弹性底座5利用栓钉或者螺栓固定在铁路道岔转辙机与钢轨的连接轴销上。将纵向模式压电振动俘能系统的电压输出端连接在铁路道岔转辙机拉力的自供能监测系统中应变传感器的电源输入端，为应变传感器提供电能。
55.本发明实施例提出的纵向模式压电振动俘能系统可以用于高速铁路道岔监测系统，该系统具备能源自供给和对转辙机的实时监控能力，可有效降低因未发现部件故障而带来的安全风险。在外部振动加速度的作用下，振动能量俘获器可产生大量电能。经过能量管理电路8放大和收集后，收集的电能可用于为应变传感器等供电。振动能量俘获器安装在连接轴销上，可感应连接轴销上的拉力和压缩力，为铁路道岔系统的安全运行和持续监控提供实时数据。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的构思和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。