本發(fā)明涉及利用壓電結(jié)構(gòu)的無源檢測裝置，特別是涉及將振動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能的無源檢測裝置。

背景技術(shù)：

機械振動能是環(huán)境中普遍存在的一種能量形式，持續(xù)或階段性持續(xù)振動的振源比較豐富，比如家用電器和工業(yè)生產(chǎn)設備工作時產(chǎn)生的振動、人體運動和車輛行駛過程中產(chǎn)生的振動、橋梁的振動等。通常這些能量因為忽略而被白白浪費或被減震系統(tǒng)吸收。因此，通過振動能量采集器將環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)化成電能為低功耗電子設備供電，不僅提高了能量的綜合利用率，而且為低功耗電子設備提供了新的綠色電源系統(tǒng)，對無線傳感器網(wǎng)絡、便攜式設備等低功耗電子設備的發(fā)展和應用具有重要意義。

目前，振動能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機所利用的原理主要有靜電感應，電磁感應、靜電脈沖發(fā)電機等。然而，已經(jīng)發(fā)明的靜電感應發(fā)電機，由于需要接入外部電源作為啟動電壓，并且靜電式能量收集裝置產(chǎn)生的是高電壓、低電流和高輸出阻抗，從一定程度上限制了靜電式能量收集技術(shù)的應用范圍。靜電脈沖發(fā)電機在小型化和輕量化方面有所不足，輸出功率密度較小，不能滿足對各種振動機械能收集的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種可以將軌道機車、航空飛行器等等形式的振動能轉(zhuǎn)化為電能的壓電結(jié)構(gòu)的無源檢測裝置，檢測加速度、振動頻率等低功耗檢測設備等提供匹配的無源檢測。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的具體裝置是：

一種利用壓電結(jié)構(gòu)的無源檢測裝置，由電源、被電源供電的檢測裝置和將檢測信號向外發(fā)射傳輸?shù)臒o線傳輸裝置構(gòu)成，具有至少一個壓電結(jié)構(gòu)檢測單元；在壓電結(jié)構(gòu)檢測單元中，壓電材料102和外層的包裹層101作為壓電組件，作為檢測和信號無線傳輸裝置的檢測芯片集成103覆貼在壓電組件的包裹層101上。

進一步地，在具有多個壓電組件的結(jié)構(gòu)中，所述壓電結(jié)構(gòu)檢測單元具有一個以上的壓電組件，壓電組件在振動源附近疊層安裝，各壓電組件輸出的電能輸入到和對各壓電組件輸出電能進行管理調(diào)整的電源管理單元并經(jīng)其調(diào)整后為所述檢測和信號無線傳輸裝置提供電能；所述電源管理單元亦可集成在檢所述壓電結(jié)構(gòu)檢測單元具有一個以上的壓電組件，壓電組件在振動源附近疊層安裝，各壓電組件輸出的電能輸入到和對各壓電組件輸出電能進行管理調(diào)整的電源管理單元并經(jīng)其調(diào)整后為所述檢測和信號無線傳輸裝置提供電能；所述電源管理單元亦可集成在檢測芯片集成103內(nèi)。

這樣，通過壓電材料102振動供電給檢測芯片集成103。

所述壓電材料102，選自偏氟乙烯(pvdf)、氧化鋅(zno)、pzt壓電陶瓷、pbtio3系壓電陶瓷和無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構(gòu)成的壓電復合材料，可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)設計及不同的參數(shù)條件選用其中一種或幾種壓電材料或壓電復合材料，并通過水熱法、溶膠凝膠法、脈沖沉積法、靜電紡絲等工藝進行可控制備。

所述壓電材料102，可通過制備工藝中相關(guān)參數(shù)的控制，調(diào)控其形貌及性能，以獲得適用于具體條件的最優(yōu)壓電材料。

所述電源管理模塊裝置的集成103，其主要功能是將壓電材料隨形變所產(chǎn)生的交變電信號經(jīng)過整流橋整流濾波及直流-直流變換電路(dc-dc)輸出可為后端電容或用電設備供電的直流電。其所選整流橋，不僅可以直接使用二極管(1n4146)搭建，也可以使用商業(yè)集成的全橋芯片(db107)，甚至可以直接配套使用帶低電壓鎖功能的商業(yè)芯片(ltc3588)等，進行電源管理。

所述壓電材料在外界振動的作用下，壓電材料在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷，有脈沖電信號輸出，通過電源管理模塊供電給檢測裝置和致使通過線圈的磁通量發(fā)生改變，因而有脈沖電信號輸出，脈沖信號通過電源管理模塊供電給檢測裝置和無線發(fā)射裝置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列有益效果：

1、本發(fā)明提供壓電材料結(jié)構(gòu)為電源，相對于外接電源，設計和加工費時繁瑣，器件性能不穩(wěn)定，本發(fā)明的實用性更強，大大的降低成本的同時仍然能保持非常有益的檢測信號的輸出。

2、本發(fā)明提供的矩形外形的無源無線檢測結(jié)構(gòu)單元，因此，能夠有效的降低被檢測設備的噪音，同時有效地將振動機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

3、采用具有一定機械強度和彈性的壓電材料作為支撐內(nèi)核，塑料或特種橡膠作為基體，成本低廉。

4、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡單，對材料無特殊要求，可以將自然界、軌道等產(chǎn)生的振動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，具有廣泛的實際用途。

附圖說明

通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。

圖1為本發(fā)明無源檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2、圖3和圖4為本發(fā)明發(fā)電機實施例二的結(jié)構(gòu)模型圖；

圖5為本發(fā)明發(fā)電機實施例三的結(jié)構(gòu)模型圖；

圖6為本發(fā)明的多層加實例圖；

圖7為本發(fā)明配套的電源管理電路圖。

具體實施方式

機械振動能是環(huán)境中普遍存在的一種能量形式，持續(xù)或階段性持續(xù)振動的振源比較豐富，比如家用電器和工業(yè)生產(chǎn)設備工作時產(chǎn)生的振動等。通常這些能量因為忽略而被白白浪費或被減震系統(tǒng)吸收。因此，通過振動能量采集器將環(huán)境中的振動能轉(zhuǎn)化成電能為低功耗電子設備供電，不僅提高了能量的綜合利用率，而且為低功耗電子設備提供了新的綠色電源系統(tǒng)，對無線傳感器、無源檢測的發(fā)展和應用具有重要意義。

下面結(jié)合附圖和實施例詳細介紹本發(fā)明無源檢測裝置的具體實施方式。實施例一：

參見圖1，在任一無源檢測裝置結(jié)構(gòu)中，包括：壓電材料102，包裹材料101，檢測裝置、無線發(fā)射和電源管理模塊裝置的集成103；通過壓電材料102振動供電給檢測裝置和無線發(fā)射裝置的集成103，將檢測數(shù)據(jù)傳輸給無線接收裝置。

其中包裹材料101選用具有一定機械強度，檢測裝置受到外力作用(振動作用)時，使得壓電材料102發(fā)生上下振動，因而有脈沖電信號輸出。

本發(fā)明的無源檢測裝置中，壓電材料102材料選擇為選自偏氟乙烯(pvdf)、氧化鋅、pzt壓電陶瓷、pbtio3系壓電陶瓷和無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構(gòu)成的壓電復合材料。本發(fā)明的無源檢測裝置中102壓電材料為發(fā)電部分，103為電源管理、檢測裝置和無線發(fā)射裝置的集成部分。

本發(fā)明的發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡單，對材料無特殊要求，在實際使用中，只需進行簡單的固定和封裝，即可應用在生活環(huán)境中、收集自然界、軌道、機械設備等產(chǎn)生的振動機械能，具有廣泛的實際用途。

實施例二：

下面結(jié)合圖2、圖3和圖4，具體介紹本實施例中壓電結(jié)構(gòu)無源檢測裝置的結(jié)構(gòu)。

參見圖2，壓電材料發(fā)電裝置中壓電材料為左右對稱的兩部分結(jié)構(gòu)。參見圖3，在壓電材料的中間設置一個橫臂梁201，增大壓電材料的振動幅度，將顯著地增加輸出電能。參考圖4，在壓電結(jié)構(gòu)上側(cè)為電源管理、檢測裝置和無線發(fā)射裝置，這種結(jié)構(gòu)有效的減小了整體的尺寸結(jié)構(gòu)，最大限度使無源檢測裝置集成為一體，使得本發(fā)明適用性更強，具有廣泛的應用前景。

實施例三：

實施應用在軌道機車的輪對上，如圖5所示，多個所述壓電組件在振動源附近鄰接安裝。多個壓電組件敷貼在振動源，其電能匯聚到一個集成有電源管理單元的檢測芯片集成103內(nèi)(該檢測芯片集成103亦覆貼在某壓電組件的包裹層101上)。

實施例四：

下面結(jié)合圖6，本實施例中，多層壓電結(jié)構(gòu)疊加，其中疊加層數(shù)n﹥1,圖6中的疊加層數(shù)為n＝10。這種多層次的壓電結(jié)構(gòu)無源檢測裝置，既可以提供較大電量的輸出，又可以通過多層次的疊加起到降噪的功能。圖6中，將本實施應用在軌道機車的輪對上，使得本發(fā)明利用壓電結(jié)構(gòu)的無源檢測裝置，既可以檢測火車輪對的振動，又可以降低機車運行中的噪音。

下面結(jié)合圖7，具體介紹電源管理電路。本發(fā)明設計了高效雙同步開關(guān)采集的電源管理電路(圖7)，在該電路中將這種利用壓電材料的換能器分別等效于電流源(i1)與電容器(c1)的并聯(lián)再與電感(l1)串聯(lián)的模式以及電壓源(v1)、電阻器(r1)以及電感(l2)串聯(lián)的模式，分別通過開關(guān)(j1、j2)與后續(xù)全橋整流電路(d1、d2)相連，通過二極管(d3、d4)分別給初級儲能電容(cint)充電，達到一定閾值后，通過控制開關(guān)(j3)給后續(xù)儲能電路包括電感(l3)、二極管(d5)、電容器(cstorage)、并通過rload模擬負載用電器。然后采用軟硬結(jié)合的柔性fpc電路封裝，將電源管理電路集成于發(fā)明所設計的發(fā)電機中，得到最佳電源管理效率的管理電路。

本實施例中，在第二實施例的基礎上，將無源檢測裝置運用于軌道機車，參考圖5，無源檢測裝置應用于軌道機車的輪對振動檢測。既可以利用輪對振動進行無源檢測，又能夠起到降低噪音的作用。

本發(fā)明各實施例的無源檢測裝置，可以在機械裝置中的振動機械結(jié)構(gòu)中，如飛行器中振動結(jié)構(gòu)中應用無源檢測裝置可以檢測出相關(guān)的數(shù)據(jù)，提高其安全性。對于安全性上和適用性上，本發(fā)明具有廣泛的應用前景。

發(fā)明人的研究過程中發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明各實施例的壓電材料的選取在實際工作當中，不同壓電材料對實際輸出功率有很大的影響。隨著壓電材料的壓電性能的增大，負載兩端的電信號增大，而選取壓電材料的壓電性能較低，輸出的電信號較弱。因此，本發(fā)明在壓電材料的選取上，依據(jù)檢測設備的工作功率大小。需要說明的是，本文中使用的“輸出功率”，是指脈沖電流的極大值和在負載兩端形成的脈沖電壓的極大值的乘積，即瞬時極大功率。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。