用于物联网节点供能的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器的制作方法

本发明涉及一种用于物联网节点供能的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器，属于低功耗电子设备供能技术领域。

背景技术：

随着制造装备技术的智能化水平不断提高及其与物联网技术的深度融合，大量的物联网节点在机械制造装备领域得到广泛应用。目前，对物联网节点进行稳定、可靠的持续供电，是保证节点正常工作的前提。当前机械制造领域的物联网节点供能方式主要有电源直接供电和化学电池供电两种方式。其中，电源直接供电方式导致电磁干扰严重、系统布线复杂等问题，而化学电池供电方式则存在电池使用寿命有限、需定期更换以及环境污染等不足。因此，需研究一种用于物联网节点供能的新型能源供给技术以解决传统供能技术所带来的诸多弊端。

利用压电材料的正压电效应俘获环境微能源转化为电能的环境能源收集技术，由于具有能量转换效率高、清洁无污染、不受电磁干扰以及使用寿命长等优势，成为微能源转化与供给技术的研究热点。气体动能是工业生产中大量存在的能量形式，其同样具备安全清洁可再生等优势。因此，合理利用工业生产环境中的气体能量，结合压电材料的正压电效应将气体能量转化为电能为无线物联网节点供能，可有效解决传统电源供电带来的布线复杂及电池供电带来的需定期更换、污染环境等问题，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。传统的压电发电的俘能器普遍利用工业环境中的高压气体直接冲击压电俘能器来俘获电能，使得传统气体冲击式压电俘能器存在俘能功率小、效率低的问题，限制了压电俘能器在低功耗电子设备供能技术领域的发展与应用。

技术实现要素：

为解决已有高压气体直接冲击压电元件俘获电能的压电俘能器存在俘能功率小、效率低等技术问题，本发明公开一种用于物联网节点供能的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器，为低功耗器件提供一种功率大、效率高的供能装置。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种用于物联网节点供能的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器由阶梯式微孔隙增流装置、柔性菱形压电俘能器和紧定螺钉三部分组成，其中阶梯式微孔隙增流装置带有增流端螺纹连接孔，与柔性菱形压电俘能器上的发电端螺纹连接孔通过紧定螺钉进行螺纹连接；所述阶梯式微孔隙增流装置设置有圆锥式吸气端、锥形出气端、增流端螺纹连接孔、供气孔、一级微型射流孔、二级微型射流孔和挡环；所述的柔性菱形压电俘能器包括受压圆形挡板、发电端连接基座和菱形压电发电组件，菱形压电发电组件一端与受压圆形挡板连接，另一端与发电端连接基座连接。

所述阶梯式微孔隙增流装置中圆锥式吸气端位于阶梯式微孔隙增流装置的吸气端，锥形出气端位于阶梯式微孔隙增流装置的出气端，所述增流端螺纹连接孔靠近锥形出气端，所述增流端螺纹连接孔与紧定螺钉螺纹连接，所述一级微型射流孔和二级微型射流孔位于阶梯式微孔隙增流装置的中部，一级微型射流孔和二级微型射流孔之间设置有挡环，所述供气孔靠近二级微型射流孔。

所述受压圆形挡板设置有加压端连接孔与限位圆柱，菱形压电发电组件一端通过加压端连接孔进行固定；所述发电端连接基座设置有发电端螺纹连接孔、发电机排气孔、受压端连接孔和限位圆环，发电端螺纹连接孔与阶梯式微孔隙增流装置通过紧定螺钉进行连接，菱形压电发电组件通过受压端连接孔进行另一端固定，限位圆环与限位圆柱间隙配合。

所述菱形压电发电组件包括发电基板、压电发电元件，所述的加压端连接孔与发电基板通过胶粘方式连接，受压端连接孔与发电基板通过胶粘方式连接。

本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器对小流量高压气体进行流量放大，所放大的流量通过锥形出气端喷出，激励柔性菱形压电俘能器，使内部压电发电组件产生弯曲形变以达到利用放大气流进行能量收集与电能的转化效果。本发明具有利用高压小流量气体进行气体流量放大的效果，可显著提高压电发电装置的功率，提升俘能效率3倍以上。在低功耗电子设备供能技术领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1所示为本发明提出的一种用于物联网节点供能的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器的结构示意图；

图2 所示为本发明提出的阶梯式微孔隙增流装置的剖视图；

图3所示为本发明提出的阶梯式微孔隙增流装置的圆锥式吸气端剖视图；

图4所示为本发明提出的阶梯式微孔隙增流装置的锥形出气端剖视图；

图5所示为本发明提出的柔性菱形压电俘能器结构示意图；

图6所示为本发明提出的受压圆形挡板剖视图；

图7所示为本发明提出的发电端连接基座剖视图；

图8所示为本发明提出的菱形压电发电组件结构示意图；

图9所示为本发明提出的全桥整流电路示意图。

具体实施方式

结合图1~图9说明本实施方式。本实施方式提供了一种用于物联网节点供能的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器的具体实施方案。所述一种用于物联网节点供能的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器由阶梯式微孔隙增流装置1、柔性菱形压电俘能器2和紧定螺钉3部分组成，其中阶梯式微孔隙增流装置1设置有增流端螺纹连接孔1-3，所述增流端螺纹连接孔1-3与柔性菱形压电俘能器2上的发电端螺纹连接孔2-2-1通过紧定螺钉3进行螺纹连接。

所述阶梯式微孔隙增流装置1包括有圆锥式吸气端1-1、锥形出气端1-2、增流端螺纹连接孔1-3、供气孔1-4、一级微型射流孔1-5、二级微型射流孔1-6和挡环1-7；

所述圆锥式吸气端1-1位于阶梯式微孔隙增流装置1的吸气端，锥形出气端1-2位于阶梯式微孔隙增流装置1的出气端，所述增流端螺纹连接孔1-3靠近锥形出气端1-2，所述增流端螺纹连接孔1-3与紧定螺钉3螺纹连接，所述一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6位于阶梯式微孔隙增流装置1的中部，一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6之间设置有挡环1-7，挡环1-7可阻隔一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6，所述供气孔1-4靠近二级微型射流孔1-6，高压气体经由所述供气孔1-4同时进入一级微型射流孔1-5和二级微型射流孔1-6，诱导气体和高压气体组成的混合气体经由一级微型射流孔1-5进行一次空气能放大，经由二级微型射流孔1-6进行二次加速，二次加速后的混合气体通过锥形出气端1-2喷出阶梯式微孔隙增流装置1。

所述柔性菱形压电俘能器2包括受压圆形挡板2-1、发电端连接基座2-2和菱形压电发电组件2-3；所述的受压圆形挡板2-1设置有加压端连接孔2-1-1与限位圆柱2-1-2，菱形压电发电组件2-3一端通过加压端连接孔2-1-1进行固定；所述的发电端连接基座2-2设置有发电端螺纹连接孔2-2-1、发电机排气孔2-2-2、受压端连接孔2-2-3和限位圆环2-2-4，发电端螺纹连接孔2-2-1与阶梯式微孔隙增流装置1通过紧定螺钉3进行连接，菱形压电发电组件2-3通过受压端连接孔2-2-3进行另一端固定，限位圆环2-2-4与限位圆柱2-1-2间隙配合；所述的菱形压电发电组件2-3包括发电基板2-3-1、压电发电元件2-3-2；加压端连接孔2-1-1与发电基板2-3-1通过胶粘方式连接，受压端连接孔2-2-3与发电基板2-3-1通过胶粘方式连接，所述胶可选用瑞士ergo公司的环氧树脂产品，所述的压电发电元件2-3-2利用正压电效应，实现气体压力能到电能的转换，通过全桥整流电路可以持续有效的为物联网节点供能。

所述圆锥式吸气端1-1的最大直径为D₁，D₁的取值满足的范围为60~80 mm，通过调节D₁的值可以调节诱导气体的进气速度，本具体实施方式中D₁的取值为60 mm，所述圆锥式吸气端1-1的锥角为θ，θ的取值满足的范围为0~60°，通过调节θ的值可以调节诱导气体的进气速度，本具体实施方式中θ的取值为20°；所述锥形出气端1-2的最小直径为D₂，D₂与D₁的比值为G=D₂/D₁，G的取值满足的范围为0.4~0.8，本具体实施方式中G的取值为0.8；所述锥形出气端1-2的锥角为α，α的取值满足的范围为0~20°，通过调节α的值可以调节混合气体的流速，本具体实施方式中α的取值为15°；所述的供气孔1-4直径为D₃，D₃与D₁的比值为F=D₃/D₁，F的取值满足的范围为0.02~0.1，本具体实施方式中F的取值为0.1；所述供气孔1-4中心与圆锥式吸气端1-1的直线距离为L₁，L₁的取值满足的范围为10~25 mm，本具体实施方式中L₁的取值为15 mm；所述供气孔1-4中心与锥形出气端1-2直线距离为L₂，L₁与L₂的比值为J=L₁/L₂，J的取值满足的范围为0.2~0.5，本具体实施方式中J的取值为0.3；所述一级微型射流孔1-5的孔径为D₄，D₄的取值满足的范围是40~60 mm。所述一级微型射流孔和二级微型射流孔之间的距离为L₃，D₄与L₃的比值为Z=D₄/L₃，Z的取值满足的范围为2~5；所述二级微型射流孔孔径为D₅，D₅与L₃的比值为X=D₅/L₃，X的取值满足的范围为2~5。

所述柔性菱形压电俘能器2中的受压圆形挡板2-1中的限位圆柱2-1-2深入限位圆环2-2-4内部，通过限位圆环2-2-4的长度L进行极限位置限定，其中限位圆环2-2-4的长度L与限位圆柱2-1-2的长度M之间的比值L/M介于0.3~0.8之间；

所述菱形压电发电组件2-3可沿周向方向布置M个，M为正整数，本具体实施方式中M的取值为2，所述压电发电元件2-3-2布置在发电基板2-3-1上下表面各N个，N为正整数，本具体实施方式中N的取值为2；菱形压电发电组件2-3的发电基板2-3-1具有四条边，其中每条边的长度都为c；压电发电元件2-3-2粘接于发电基板2-3-1的表面，菱形压电发电组件2-3的长轴长度为a，短轴长度为b，其中b/a介于0.3~1.7之间。

所述柔性菱形压电俘能器2，其特征在于菱形压电发电组件2-3中的压电发电元件2-3-2选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电材料PVDF。

所述的全桥整流电路由二极管D₆、二极管D₇、二极管D₈、二极管D₉和电容C₁组成。当增流气体从锥形出气端1-2流出后，激励柔性菱形压电俘能器2，在正压电效应的作用下会产生正负交替周期性变化的电信号，将产生的电信号通过导线连接到全桥整流电路的输入端。当产生正向电信号时，二极管D₆和二极管D₉导通构成闭合回路，电能可存储于电容C₁中；当产生负向电信号时，二极管D₇和二极管D₈导通构成闭合回路，且整流后的电信号流向与二极管D₆、二极管D₉闭合回路电信号流向相同，因此电能仍存储于电容C₁中。经过整流存储后的电能可经由C₁流出到输出端物联网节点进行供电。所述二极管（D₆~D₉）可以是NI5408整流二极管，所述电容C₁的电容量范围为100~1000μF。

工作原理：压电材料的正压电效应可以将气体的冲击能量转化为电能，本发明所设计的一种用于物联网节点供能的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器可在小流量高压气体的作用下诱导外界空气进行定向流动，基于管径与气体间粘性作用力的影响，可将诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从锥形出气端流出并激励与阶梯式微孔隙增流装置相连接的柔性菱形压电俘能器进行电能的转化。阶梯式微孔隙增流装置能够二次加速将高压气体以极快的速度喷出，进而有效提升了增流的效果。柔性菱形压电俘能器的技术优势在于菱形四边形具有不稳定性，在外界扰动力作用下易发生形变，其四个边两两相连具有力的传导与力的分解作用，可有效保护压电元件不会因形变过大而造成损坏。因此，柔性菱形压电俘能器可充分利用阶梯式微孔隙增流装置所增加的气体流量进行气体能量向电能的转化。

综合以上所述内容，本发明设计的一种用于物联网节点供能的阶梯式微孔增流菱形压电俘能器，可将气体流量放大，并对放大流量的气体进行压电能量收集，可显著提高压俘能器的功率，提升俘能效率3倍以上。通过全桥整流电路可以持续有效的为物联网节点供能，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。