用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式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环隙射流激励的拨动式压电俘能器，属于低功耗电子设备供能技术领域。

背景技术：

随着装备制造技术智能化水平的不断提高，并伴随着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了广泛应用。同时，这也对物联网节点的工作指标提出了较高的技术需求，对物联网节点进行稳定可靠的持续供电是保证物联网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包括电源直接供能和化学电池供能两种方式。然而，电源直接供能方式存在电磁干扰严重、系统布线复杂等问题；化学电池供能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俘获技术以解决传统供能技术所带来的诸多弊端。

利用压电元件的正压电效应俘获环境微能源转化为电能的能源收集技术，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。气体的压缩能量是工业生产中大量存在的能量形式，其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压缩能量，结合压电元件的正压电效应将气体压缩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能带来的布线复杂及电池供能带来的需定期更换、污染环境等问题。然而，当前工业环境中压电俘能器大多不能将气体压力能直接转化为电能，或能量转化效率较低制约了此类俘能器在物联网节点供能技术领域的应用。同时也限制了工业制造装备技术的智能化水平的提高。

技术实现要素：

为解决当前工业环境中用于俘获气体压力能的微能源俘能器存在的能量俘获效率低等技术问题，本发明公开一种用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器，为物联网节点供能提供一种具有较高发电效率的压电俘能装置。

本发明所采用的技术方案是：

所述的一种用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器包括微孔隙增流组件、拨动式发电组件和紧定螺钉，微孔隙增流组件通过紧定螺钉与拨动式发电组件螺纹连接；所述微孔隙增流组件包括气体流入端、吸气端密封圈、固定套筒、喷气端密封圈、气流喷射端、喷气端螺钉和吸气端螺钉；所述气体流入端与固定套筒通过吸气端螺钉螺纹连接，气体流入端与固定套筒通过吸气端密封圈气体密封；所述固定套筒通过喷气端螺钉与气流喷射端螺纹连接，固定套筒通过喷气端密封圈与气流喷射端气体密封；所述拨动式发电组件包括活塞安装架、发电组件安装架、压电发电组件、紧固螺钉、活塞和弹簧；所述活塞安装架通过紧固螺钉与发电组件安装架螺纹连接；所述发电组件安装架与压电发电组件连接；所述活塞与活塞安装架连接。

所述气体流入端设置有吸气孔，气体流入端设置有气体流入端螺纹孔，气体流入端螺纹孔与吸气端螺钉螺纹连接；气体流入端设置有吸气端密封圈凹槽；气体流入端设置有气体流入端连通孔。所述固定套筒设置有吸气端套筒螺纹孔，吸气端套筒螺纹孔与吸气端螺钉螺纹连接；固定套筒设置有进气孔；固定套筒设置有喷气端套筒螺纹孔，喷气端套筒螺纹孔与喷气端螺钉螺纹连接。所述气流喷射端设置有喷气端连通孔、喷气端密封圈凹槽、喷气端螺纹孔和增流装置螺纹孔；喷气端螺纹孔与喷气端螺钉螺纹连接；增流装置螺纹孔与紧定螺钉螺纹连接；气流喷射端设置有锥形喷气口。

所述活塞安装架设置有发电机组件螺纹孔、排气孔、活塞滑孔和发电机组件进气口；发电机组件螺纹孔与紧定螺钉螺纹连接。所述发电组件安装架设置有发电组件安装孔、布线孔和安装通孔；所述发电组件安装孔与压电发电组件固定；所述安装通孔与紧固螺钉螺纹连接。所述压电发电组件设置有弹性基板，弹性基板与发电组件安装孔固定；压电发电组件设置有压电元件，压电元件与弹性基板胶粘固定；所述活塞设置有受风板、滑柱和拨片。

所述气体流入端与气流喷射端间的嵌入长度为L，L的取值范围为10~20 mm；所述吸气孔的直径为D₀，气体流入端连通孔直径为D₁，吸气孔与气体流入端连通孔的直径比为H=D₀/D₁，H的取值范围为1.1~1.5；所述气体流入端连通孔直径D₁与嵌入长度L的比为G=L/D₁，G的取值范围为0.1~0.5；所述锥形喷气口的锥角为α，α的取值范围为0~25°。

所述发电机组件进气口的直径为D₄，D₄的取值范围为40~50 mm；所述排气孔的直径为D₅，排气孔与发电机组件进气口的直径比为E=D₄/D₅，E的取值范围为0.1~0.5；所述受风板的直径为d，D₄和d的差值为N=D₄-d，N的取值范围为4~8 mm；所述拨片具有倾角β，β的取值范围为5~20°；拨片的高度为h，h的取值范围10~15 mm。

所述压电元件可以选用压电陶瓷片PZT或柔性强韧性压电元件PVDF。

该拨动式压电俘能器的工作原理是利用压电元件的正压电效应可将气体的压缩能量转化为电能。该拨动式压电俘能器可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气定向流动，并对诱导后的外界空气进行增速，在气体增速后从气流喷射端流出并作用于与微孔隙增流组件相连接的拨动式发电组件实现电能的转化。微孔隙增流组件的技术优势在于其具有一圈环状微型孔隙，由于孔隙的直径极小使得在高压气体的作用下喷射出的气体流速快。当快速的气流导致俘能器内部压力小于外界空气压力时，外界空气会均匀的吸入微孔隙增流组件，以达到增流的目的。拨动式发电组件的技术优势在于其通过阵列多层压电发电组件的结构形式，阵列的多层压电发电组件可同时工作，将气体冲击所具有的能量进行充分的俘获，其设计的拨片结构可将压电元件充分形变使其发电量达到最大。

本发明的有益效果是：在不影响工业生产的工作情况下，利用所发明的微孔隙增流组件可在高压小流量气体的作用下诱导外界空气进行定向移动，并对诱导后的气体进行增速和增流，从排气端排出且作用于与微孔隙增流组件相连接的拨动式发电组件进行能量俘获。本发明设计的压电俘能器可分别将气体流量和流速放大，进而将压电俘能效率提高3倍以上。在物联网节点等低功耗电子设备供能的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用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的结构示意图；

图2所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器微孔隙增流组件结构示意图；

图3所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器气体流入端剖视图；

图4所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的固定套筒结构剖视图；

图5所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的气体流入端与气流喷射端串接局部结构剖视图；

图6所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的气流喷射端结构剖视图；

图7所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的锥形喷气口的局部结构剖视图；

图8所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的拨动式发电组件结构剖视图；

图9所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的活塞安装架结构剖视图；

图10所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的发电组件安装架结构剖视图；

图11所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的压电发电组件结构剖视图；

图12所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的活塞结构剖视图；

图13所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的拨片结构局部放大图；

图14所示为本发明提出的用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的能源管理电路示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1~图14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环隙射流激励的拨动式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环隙射流激励的拨动式压电俘能器包括微孔隙增流组件1、拨动式发电组件2和紧定螺钉3。其中，微孔隙增流组件1通过紧定螺钉3与拨动式发电组件2螺纹连接。

所述的微孔隙增流组件1为用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的流量放大装置。所述微孔隙增流组件1包括气体流入端1-1、吸气端密封圈1-2、固定套筒1-3、喷气端密封圈1-4、气流喷射端1-5、喷气端螺钉1-6和吸气端螺钉1-7。所述气体流入端1-1与固定套筒1-3通过吸气端螺钉1-7螺纹连接；所述气体流入端1-1与固定套筒1-3通过吸气端密封圈1-2气体密封；所述气体流入端1-1设置有吸气孔1-1-1，诱导气体由吸气孔1-1-1进入气体流入端1-1；所述气体流入端1-1设置有气体流入端螺纹孔1-1-2，所述气体流入端螺纹孔1-1-2与吸气端螺钉1-7螺纹连接；所述气体流入端1-1设置有吸气端密封圈凹槽1-1-3，吸气端密封圈1-2安装在吸气端密封圈凹槽1-1-3内；所述气体流入端1-1设置有气体流入端连通孔1-1-4，诱导气体经由气体流入端连通孔1-1-4排出气体流入端1-1。所述固定套筒1-3通过喷气端螺钉1-6与气流喷射端1-5螺纹连接；所述固定套筒1-3通过喷气端密封圈1-4与气流喷射端1-5气体密封；所述固定套筒1-3设置有吸气端套筒螺纹孔1-3-1，所述吸气端套筒螺纹孔1-3-1通过气体流入端螺纹孔1-1-2与吸气端螺钉1-7螺纹连接；所述固定套筒1-3设置有进气孔1-3-2，压缩气体由进气孔1-3-2进入固定套筒1-3；所述固定套筒1-3设置有喷气端套筒螺纹孔1-3-3，所述喷气端套筒螺纹孔1-3-3与喷气端螺钉1-6螺纹连接。所述气流喷射端1-5设置有喷气端连通孔1-5-1，混合气体由喷气端连通孔1-5-1进入气流喷射端1-5；所述气流喷射端1-5设置有喷气端密封圈凹槽1-5-2，喷气端密封圈1-4安装在喷气端密封圈凹槽1-5-2内；所述气流喷射端1-5设置有喷气端螺纹孔1-5-3，喷气端螺纹孔1-5-3与喷气端螺钉1-6螺纹连接；所述气流喷射端1-5设置有增流装置螺纹孔1-5-4，增流装置螺纹孔1-5-4与紧定螺钉3螺纹连接；所述气流喷射端1-5设置有锥形喷气口1-5-5，混合气体经由锥形喷气口1-5-5喷出微孔隙增流组件1。

所述拨动式发电组件2为用于物联网节点供能的环隙射流激励的拨动式压电俘能器的能量转化装置。所述拨动式发电组件2包括活塞安装架2-1、发电组件安装架2-2、压电发电组件2-3、紧固螺钉2-4、活塞2-5和弹簧2-6。所述活塞安装架2-1通过紧固螺钉2-4与发电组件安装架2-2螺纹连接，发电组件安装架2-2与压电发电组件2-3连接，活塞2-5与活塞安装架2-1连接。所述活塞安装架2-1设置有发电机组件螺纹孔2-1-1，所述拨动式发电组件2通过紧定螺钉3插入发电机组件螺纹孔2-1-1固定；所述活塞安装架2-1设置有排气孔2-1-2，混合气体经由排气孔2-1-2从拨动式发电组件2中排出；所述活塞安装架2-1设置活塞滑孔2-1-3，所述活塞2-5在活塞滑孔2-1-3中滑动；所述活塞安装架2-1设置有发电机组件进气口2-1-4，混合气体经由发电机组件进气口2-1-4进入拨动式发电组件2，作用在活塞2-5上，推动活塞2-5移动。所述发电组件安装架2-2设置有发电组件安装孔2-2-1，压电发电组件2-3通过发电组件安装孔2-2-1安装固定在发电组件安装架2-2上；所述发电组件安装架2-2设置有布线孔2-2-2，压电发电组件2-3的导线通过布线孔2-2-2引出；所述发电组件安装架2-2设置有安装通孔2-2-3，通过安装通孔2-2-3安装紧固螺钉2-4，通过紧固螺钉2-4将活塞安装架2-1与发电组件安装架2-2螺纹连接。所述压电发电组件2-3设置有弹性基板2-3-1和压电元件2-3-2；所述弹性基板2-3-1和压电元件2-3-2通过环氧树脂AB胶粘接，所述弹性基板2-3-1通过发电组件安装孔2-2-1安装固定在发电组件安装架2-2上；该具体实施方式中压电元件2-3-2可采用哈尔滨芯明天公司和保定市宏声声学器厂家的压电陶瓷片PZT，可将气体压力能转化为电能，并通过能源管理电路对能量进行利用；该具体实施方式中压电元件2-3-2也可采用美国精量电子（深圳）有限公司的柔性强韧性压电元件PVDF。所述活塞2-5设置有受风板2-5-1，混合气体经由发电机组件进气口2-1-4进入拨动式发电组件2后，作用在受风板2-5-1上，推动活塞2-5运动；所述活塞2-5设置有滑柱2-5-2，所述滑柱2-5-2可以在活塞滑孔2-1-3中滑动；所述活塞2-5设置有拨片2-5-3，拨片2-5-3拨动压电发电组件2-3，当活塞2-5受力移动时，拨片2-5-3拨动压电发电组件2-3产生形变，实现气体压缩能到电能的转换，实现压电俘能器俘获与转化的功能；所述活塞2-5通过弹簧2-6回程。

所述微孔隙增流组件1中的气体流入端1-1与气流喷射端1-5间的嵌入长度为L，L取值满足的范围为10~20 mm，通过调节L的值可以改变混合气体的流态，本具体实施方式中L的取值为18 mm；所述吸气孔1-1-1的直径为D₀，所述气体流入端连通孔1-1-4直径为D₁，吸气孔1-1-1的直径与气体流入端连通孔1-1-4直径比值H=D₀/D₁，H取值满足的范围为1.1~1.5，通过调节H值可以改变压缩气体的流速，本具体实施方式中H的取值为1.2；所述进气孔1-3-2的直径为D，L与D的比值为F=L/D，F取值满足的范围为1~3，通过调节F的值可以改变所提供的压缩气体的流速，本具体实施方式中F的取值为2；所述气体流入端连通孔1-1-4直径D₁与嵌入长度L的比值为G=L/D₁，G取值满足的范围为0.1~0.5，通过调节G的值可以提供压缩气体的流速，本具体实施方式中G的取值为0.3；所述喷气端连通孔1-5-1的直径为D₂，气体流入端连通孔1-1-4直径D₁与喷气端连通孔1-5-1的直径D₂比值为Z=D₁/D₂，通过调节Z的值可以改变压缩气体的流量，Z取值满足的范围为0.7~0.9，本具体实施方式中Z的取值为0.7；所述锥形喷气口1-5-5的锥角具有的角度值α，α的取值满足范围为0~25°，通过调节α的值可以调节气流喷射端1-5喷出的混合气体的流速，本具体实施方式中α的取值为20°。

所述拨动式发电组件2中的排气孔2-1-2与发电机组件进气口2-1-4间的距离为S，S取值满足的范围为10~30 mm，通过调节S值可以改变所获得压缩气体的流速，本具体实施方式中S的取值为18 mm；所述发电机组件进气口2-1-4的直径为D₄，D₄取值满足的范围为40~50 mm，本具体实施方式中D₄的取值为45 mm；所述排气孔2-1-2的直径为D₅，排气孔2-1-2的直径与进气口2-1-4的直径的比值E=D₄/D₅，E的取值满足范围为0.1~0.5，通过改变E值可以改变所获得压缩气体的流量，本具体实施方式中E的取值为0.2；所述受风板2-5-1的直径为d，D₄和d的差值为N=D₄-d，N取值满足的范围为4~8 mm，通过调节N值可以改变受风板2-5-1所受到压缩空气的冲击压力，本具体实施方式中N的取值为5 mm；所述拨片2-5-3相互之间的距离为M，通过调节M值可以改变拨动式发电组件2的发电量，M取值满足的范围为8~12 mm，本具体实施方式中M的取值为10 mm；所述拨片2-5-3具有倾角β，β的取值满足的范围为5~20°，通过调节角度β可以改变拨片2-5-3的刚度，本具体实施方式中β的取值为15°；所述拨片2-5-3具有高度值h，h的取值满足的范围10~15 mm，本具体实施方式中h的取值为12 mm。

所述的能源管理电路主要包括二极管（D₆~D₉）和电容C₁。当增流气体从气流喷射端1-5流出后，激励拨动式发电组件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能源收集电路的输入端。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流出到输出端对物联网节点进行供电。所述二极管（D₆~D₉）可以是NI 5408整流二极管，所述电容C₁的电容量范围为100~1000 μF。

综合以上所述内容，本发明设计的压电俘能器可将气体流量和流速放大，进而将压电俘能效率提高3倍以上。在物联网节点等低功耗电子设备的供能技术领域具有广泛的应用前景。同时，对提高工业制造装备技术的智能化水平具有促进作用。