专利摘要
本实用新型揭示了一种基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，能量采集器通过电源线连接电能储存电路并为电能储存电路充电，所述电能储能电路通过电能瞬间放电电路连接传感器本体的电源端，所述能量采集器设有螺旋状悬臂梁，所述螺旋状悬臂梁由具有弹性的金属条卷曲构成，所述螺旋状悬臂梁一端固定在支架上，另一端固定在支撑板上，所述螺旋状悬臂梁的表面贴附有用于发电的压电陶瓷。本实用新型能够利用悬臂梁的振动产生电能为传感器供电，实现传感器电能自供给，具有结构简单、稳定性强、能量采集效率高、测量精度高、节能环保等特点。
权利要求
1.基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，其特征在于：能量采集器通过电源线连接电能储存电路并为电能储存电路充电，所述电能储存电路通过电能瞬间放电电路连接传感器本体的电源端，所述能量采集器设有螺旋状悬臂梁，所述螺旋状悬臂梁由具有弹性的金属条卷曲构成，所述螺旋状悬臂梁一端固定在支架上，另一端固定在支撑板上，所述螺旋状悬臂梁的表面贴附有用于发电的压电陶瓷。
2.根据权利要求1所述的基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述支架为柱状结构，所述支架下方固定在底座上，所述螺旋状悬臂梁至少设有两个且均匀分布在支架的四周，所述支撑板为平板并由螺旋状悬臂梁支撑在支架的上方，所述支架和支撑板之间具有间隙。
3.根据权利要求1所述的基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述支撑板为空心的球体，所述支架位于支撑板内并由至少两个螺旋状悬臂梁支撑悬浮在球心支撑板内部的球心位置，所述支撑板的外部固定在底座上。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述支架上固定有杆状悬臂梁，所述杆状悬臂梁表面贴附有用于发电的压电陶瓷，所述杆状悬臂梁的外端悬空并固定有质量块。
5.根据权利要求4所述的基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，其特征在于：每个所述杆状悬臂梁中间区域为两面均向内凹陷的结构，贴附在杆状悬臂梁上的压电陶瓷为中间凹陷的结构，贴附在所述杆状悬臂梁两面的压电陶瓷与基板向内凹陷的结构贴合。
6.根据权利要求5所述的基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述螺旋状悬臂梁由金属条卷曲构成，所述金属条为由一端向另一端逐渐变窄的结构，所述较宽的一端与支撑板连接，较窄的一端与支架连接。
7.根据权利要求5或6所述的基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述电能储存电路包括阻抗匹配电路、整流电路和电容器，所述基板两面的压电陶瓷均为压电PZT-5H材料，所述采集器上的所有压电陶瓷并联接入阻抗匹配电路的输入端，所述阻抗匹配电路的输出端连接整流电路的输入端，所述整流电路的输出端经电容器连接电能瞬间放电电路。
8.根据权利要求7所述的基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，其特征在于：每个所述电能储存电路设有两个电容器分别为电容器C1和电容器C0，所述整流电路具有两路输出分别连接电容器C1和电容器C0，所述电容器C1连接电能瞬间放电电路并为其供电，所述电容器C0连接控制电路并为其供电，所述控制电路的控制信号输出端连接电能瞬间放电电路的控制信号输入端。
9.根据权利要求8所述的基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，其特征在于：所述传感器本体的信号输出端连接处理器的信号输入端，所述处理器的信号输出端连接通信单元，并通过通信单元采用无线信号将传感器本体采集的信号发送至所匹配的接收器，所述电能瞬间放电电路的电源输出端分别连接处理器和通信单元的电源端。
说明书
技术领域
本实用新型涉及自供能式传感器。
背景技术
在全球能源消耗量骤增，我们广泛利用的煤、石油、天然气等可供开采的传统能源越来越少的严峻形式下，人们正积极地研究和开发一些可再生的新型能源，探索新型的绿色可再生能源成为人类生存面临的挑战之一。
传感器是用于获取环境参数的重要器件，例如加速度传感器作为测量物体运动状态的一种重要的传感器，被广泛应用于航天、军事、医疗、体育、制造业和地震测量等多种领域，它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。
目前，市面上大多数的加速度传感器，其体积和质量较大、内芯体结构复杂，装配工艺步骤繁琐，供能时间有限且成本较高，已经无法满足日益发展的供能要求。基于以上现状，我们对电子设备的供电方式提出了新的要求：一种能够从环境中收集能量，并且通过能量转换来驱动加速度传感器，实现能量的自给自足。借助于能量采集技术将自然界广泛存在的各种振动能量转换为电能，从而为微电子器件持久供电是一种有效的解决方案。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是实现一种基于多悬臂梁单向多频率振动能量采集器的自供能传感器，实现传感器自供电的装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于多频率振动能量采集器的自供能传感器，能量采集器通过电源线连接电能储存电路并为电能储存电路充电，所述电能储存电路通过电能瞬间放电电路连接传感器本体的电源端，所述能量采集器设有螺旋状悬臂梁，所述螺旋状悬臂梁由具有弹性的金属条卷曲构成，所述螺旋状悬臂梁一端固定在支架上，另一端固定在支撑板上，所述螺旋状悬臂梁的表面贴附有用于发电的压电陶瓷。
所述支架为柱状结构，所述支架下方固定在底座上，所述螺旋状悬臂梁至少设有两个且均匀分布在支架的四周，所述支撑板为平板并由螺旋状悬臂梁支撑在支架的上方，所述支架和支撑板之间具有间隙。
所述支撑板为空心的球体，所述支架位于支撑板内并由至少两个螺旋状悬臂梁支撑悬浮在球心支撑板内部的球心位置，所述支撑板的外部固定在底座上。
所述支架上固定有杆状悬臂梁，所述杆状悬臂梁表面贴附有用于发电的压电陶瓷，所述杆状悬臂梁的外端悬空并固定有质量块。
每个所述杆状悬臂梁中间区域为两面均向内凹陷的结构，贴附在杆状悬臂梁上的压电陶瓷为中间凹陷的结构，贴附在所述杆状悬臂梁两面的压电陶瓷与基板向内凹陷的结构贴合。
所述螺旋状悬臂梁由金属条卷曲构成，所述金属条为由一端向另一端逐渐变窄的结构，所述较宽的一端与支撑板连接，较窄的一端与支架连接。
所述电能储存电路包括阻抗匹配电路、整流电路和电容器，所述基板两面的压电陶瓷均为压电PZT-5H材料，所述采集器上的所有压电陶瓷并联接入阻抗匹配电路的输入端，所述阻抗匹配电路的输出端连接整流电路的输入端，所述整流电路的输出端经电容器连接电能瞬间放电电路。
每个所述电能储存电路设有两个电容器分别为电容器C1和电容器C0，所述整流电路具有两路输出分别连接电容器C1和电容器C0，所述电容器C1连接电能瞬间放电电路并为其供电，所述电容器C0连接控制电路并为其供电，所述控制电路的控制信号输出端连接电能瞬间放电电路的控制信号输入端。
所述传感器本体的信号输出端连接处理器的信号输入端，所述处理器的信号输出端连接通信单元，并通过通信单元采用无线信号将传感器本体采集的信号发送至所匹配的接收器，所述电能瞬间放电电路的电源输出端分别连接处理器和通信单元的电源端。
本实用新型能够利用悬臂梁的振动产生电能为传感器供电，实现传感器电能自供给，具有结构简单、稳定性强、能量采集效率高、测量精度高、节能环保等特点。
附图说明
下面对本实用新型说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为实施例1自供能传感器结构示意图；
图2为图1剖视图；
图3为图1俯视图；
图4为图1中螺旋状悬臂梁结构示意图；
图5、6为实施例2自供能传感器结构示意图；
图7、8为自供能传感器电路原理图；
上述图中的标记均为：1、支撑板；2、螺旋状悬臂梁；3、质量块；4、杆状悬臂梁；5、支架；6、底座；7、螺栓。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的实用新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
实施例1，如图1-4所示，支架5设计为正八棱柱结构，并设计了多个悬臂梁结构，支架5与悬臂梁相连接，在悬臂梁表面覆盖有一层薄薄的压电陶瓷材料，当悬臂梁上下振动时，压电陶瓷材料受到一定的外力，在压电效应的作用下，表面产生带电的电荷，当其受到相反外力作用时，产生的电荷也会相反，若外力消失，则电荷随之消失，产生的这些电能为加速度传感器提供电能，从而达到自主供能的效果。
悬臂梁分为两种，一种是杆状悬臂梁4，每个杆状悬臂梁4中间区域为两面均向内凹陷的结构，即杆状悬臂梁4采用两边对称凹槽型结构，压电陶瓷为中间凹陷的结构，贴附在杆状悬臂梁4两面的压电陶瓷与杆状悬臂梁4向内凹陷的结构贴合。这样杆状悬臂梁4中间构成一个大变形的悬臂结构，同时在杆状悬臂梁4的外端固定有质量块3，可以进一步的提高杆状悬臂梁4的振动幅度，也对压电陶瓷进行了进一步的压缩和拉伸，增大了压电陶瓷的面积，也就增加了能量采集效率。此外，凹槽型结构可以控制悬臂梁的震动频率在可控制的范围内。
另一种是螺旋状悬臂梁2，有条状具有弹性的金属构成类似于太极图状的结构，如图4所示，其目的在于增大压电陶瓷材料与悬臂梁之间的接触面积，进而增大机械能转换为电能的效果；螺旋状悬臂梁2和杆状悬臂梁4间隔固定在支架5的四周，可以用于采集不同方向的震动力，支撑板1为平板状，每个螺旋状悬臂梁2一端固接在支架5上，另一端与支撑板1固接，支撑板1通过螺旋状悬臂梁2的支撑悬浮在支架5上方，支撑板1与螺旋状悬臂梁2构成一个整体，增加机构稳定性，也能够作为螺旋状悬臂梁2配重，当震动发生时，能够同时协同多个螺旋状悬臂梁2一起波动发生形变产生电能，另一方面，支撑板1能够对机构整体起到保护作用，避免上方坠物对机构造成破坏，也能够利用支撑板1接触振动源，直接获取动能。
底座6是固定整体结构，保证整体结构平稳运行；支架5是用来支撑八个悬臂梁；螺栓7是用来固定底座6。具体操作流程是当外界物体给予支撑板1一定压力时，四个螺旋状悬臂梁2会因为受压而产生形变，当外界压力减小到零时，悬臂梁恢复原来的平衡状态，悬臂梁产生运动加速度，将加速度传感器置于支撑板1之上，从而测得机构运动加速度，在机构运动过程中，通过悬臂梁上的压电陶瓷结构将机械能转换成了电能，从而解决了机构整体自供能的问题。
实施例2，如图5所示，螺旋状悬臂梁2其形状类似于太极图，且其一端较窄，一端较宽，将较窄一端固定在球形支架5上，其目的在于增大压电陶瓷材料与悬臂梁之间的接触面积，进而增大机械能转换为电能的效果，同时在振动过程中较宽一端由于重力作用，增大悬臂梁振幅，同时可以达到减少质量块3 的作用
支架5为实心块状结构，可以用作配重，优选形状为球形，支架5外部均匀分布固定多个螺旋状悬臂梁2，例如设置6个，分别位于支架5的6个面上， 6个螺旋状悬臂梁2，其目的在于在相同时间、相同压力情况下产生更多的电能，将6个螺旋状悬臂梁2结构围绕球形支架5分布，其目的在于提供一种多维度的能量采集方式，实现上下左右同时振动，从而加大能量采集效率，且结构简单。
支撑板1为球形内部中空，支架5和螺旋状悬臂梁2均位于支撑板1的内部，螺旋状悬臂梁2的外端均固接在支撑板1内壁上，球形支撑板1一方面可以保护装置正常工作过程中速度传感器与外界隔离，以免受到外界磁场、电场、外力等作用对测量结果的影响，另一方面，将整个装置连接成一个整体结构，增加了机构稳定性，同时达到美观环保的效果。
底座6是固定整体装置；支架5是用来固定6个螺旋状悬臂梁2；螺栓7是用来固定底座6。具体操作流程是给予螺旋状悬臂梁2一定激励效果时，6个螺旋状悬臂梁2会因为受压而产生形变，当外界压力减小到零时，螺旋状悬臂梁2 恢复原来的平衡状态，通过悬臂梁上的压电陶瓷结构将机械能转换成了电能，从而实现整个装置的正常运行，保证装置工作的平稳可靠。
为了进一步提升发电效果，也可以在支架5上固定悬空的杆状悬臂梁4，结构是实施例1中的杆状悬臂梁4相同，通过杆状悬臂梁4外端的质量块3配合作为配置的支架5共同作用，能够在较小的震动情况下，产生较大的电能。
球形的装置实现了振动能量采集器采集效果由二维平面向三维立体的转化，达到了多角度、多维度能量采集的目的。同时保证装置在正常工作过程中减少外界干扰，保证振动速度测量精准、可靠，同时起到稳定支撑，美观大方的作用。元器件可以固定在底座6上，连接压电陶瓷的导线汇集到支架5后，由支架5上延伸出导线穿过支撑板1后连接至底座6上，支架5和支撑板1之间的导线会长于两者距离，避免支架5运动时导线不会影响其运动。
自供电传感器的电控部分如图7、8所示，当支撑板1受到压力或震动影响，使悬臂梁产生形变而振动产生相应的机械能,粘贴在悬臂梁上的压电材料把机械能转换为电能并存储在超级电容器中。当电量积累到一定程度时,控制电路控制电能瞬间放电，电路工作。将超级电容器中的电量瞬间释放,产生较大的放电功率驱动压力传感器、处理器及发射模块工作。
压电陶瓷采用压电PZT-5H材料，多个压电层串联(极化方向相反)，中间金属层作为上、下压电层的共用电极，在压电层的表面覆有金属薄膜作为引出电极，用来收集电荷。悬臂梁的压电层并联，以提高能量采集电流。其中压电陶瓷9弹性常数为6.2×10
电源管理电路的组成有阻抗匹配电路、整流电路、储能电路和瞬时放电电路等组成。电源管理电路的原理图如图8所示。其中超级电容C1为储能电容，为传感器的工作提供能量。电解电容C0为辅助电容，为控制电路提供工作电压和能量。控制电路通过检测储能电容的电压来控制瞬时放电电路的工作。
压电换能器并联将振动产生的机械能转换为电能，阻抗匹配电路对压电换能器进行阻抗匹配，匹配后的两路能量输出信号再经过整流后，分别对C1和C0 进行充电。当C1的电压达到阈值电压上限时，瞬时放电电路开始工作，储能电容瞬间释放其存储的电能，驱动传感器工作。随着无感器的耗能，当C1的电压降至阈值电压下限时，放电电路结束工作，储能电容结束放电。储能电容放电一次，传感器完成一次采集发射数据，储能电容再进入下一个充电周期。
电能瞬间放电电路的负载是由传感器元件、数据处理器和通信单元三部分组成。传感器本体可以是位移传感器、温度传感器、湿度传感器、速度传感器、加速度传感器、压力传感器等等，例如传感元件根据需要选用MAP&BAP绝对压力传感器,其为典型的安全相关压力传感器，尺寸小、功耗低、精度高。数据处理与控制单元选择Atme l公司的超低功耗处理器ATmega32L。通信单元采用 Chi pcon公司为低功耗无线应用而设计的单片UHF收发通信芯片CC1100。
上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
基于多频率振动能量采集器的自供能传感器专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
动态评分
0.0