一种基于往复式运动机构的自发电装置的制作方法

本发明涉及电子测量与传感技术领域，具体涉及一种基于往复式运动机构的自发电装置。

背景技术：

内燃机活塞等往复式运动机构的温度压力测量对监测运动构件的可靠性和寿命至关重要，但是高速往复运动的构件难以实现有线测量。因此，运动构件的传感测量通常采用无线测量技术或存储式测量技术，传感器的供电是该技术领域的一大难点。

目前绝大多数往复运动机构的传感测量采用的是电池供电，通过频繁更换电池实现传感器的长期工作。电池供电存在寿命问题，频繁更换电池会大大增加传感设备的维护成本并降低其可靠性。尤其是在内燃机活塞温度测量领域，拆解发动机并更换电池的过程非常复杂，频繁更换安装于活塞上的温度传感器的电池会极大地提高测量设备的后期维护成本。

为了克服普通电池供电传感器的上述缺陷，专利文献CN102680125A公开了一种无线温度传感器，其设有压电陶瓷振动发电片，通过压电陶瓷振动发电片和电流感应模块收集能量为整个传感器供电，无需电池供电。但专利文献CN102680125A公开的无线温度传感器存在如下不足：

(1)该无线温度传感器，通过压电陶瓷振动发电片和电流感应发电模块收集能量为整个传感器供电，这种供电方式难以在高速往复运动的内燃机活塞上应用，适用范围有一定限制；

(2)该无线温度传感器不具备依照被测物体工作频率进行自适应调整发电能力的功能，因此其发电效率比较低，不具备良好的自适应性。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于往复式运动机构的自发电装置，该装置不仅可以长期有效地为往复运动机构的传感器提供电能，免去更换电池的维护过程，还可以根据往复运动机构的工作频率实时调整本装置的响应频率，提高其发电和供电能力，具有良好适应性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于往复式运动机构的自发电装置，该自发电装置包括：

铠装外壳主体，其具有设置在中心轴线上的导向轴，该铠装外壳主体安装在往复式运动机构上，可随其一起做往复运动；

发电和储电模块，布置于所述导向轴与侧壁之间的空间内，包括设置在导向轴外周的永磁铁以及同轴设置在所述永磁铁外周的线圈，所述永磁铁被铠装外壳主体的往复式运动驱动，可沿导向轴与线圈产生相对运动，从而产生交变电流；以及

预紧力调节模块，其设置在所述导向轴上并可调节所述永磁铁在导向轴上往复运动的频率和幅值，从而可使得其频率与所述往复运动机构的往复运动频率匹配，实现两者共振以最大效率地利用所述往复运动发电。

进一步地，所述发电和储电模块还包括复位弹簧，其套设在所述导向轴上，包括两段，第一段一端与所述铠装外壳主体固定连接，另一端与所述永磁铁接触，第二段一端与所述预紧力调节模块固定连接，另一端与所述永磁铁接触，使得所述永磁铁与线圈的往复运动不同步，从而产生相对运动。

进一步地，所述预紧力调节模块包括螺旋伸缩机构，其套设在所述导向轴上，用于推动所述复位弹簧伸缩，调整其初始位置实现复位弹簧预紧力的调节，从而调节所述永磁铁在导向轴上往复运动的频率和幅值。

进一步地，所述螺旋伸缩机构外缘有螺纹结构，与所述铠装外壳主体的周向螺纹相匹配，能够在所述导向轴上通过旋转实现上下运动，从而推动所述复位弹簧伸缩。

进一步地，所述预紧力调节模块还包括步进电机和电机联轴器，步进电机固定在所述导向轴的顶端，电机联轴器连接所述步进电机和螺旋伸缩机构，步进电机通过电机联轴器控制所述螺旋伸缩机构旋转，从而实现所述螺旋伸缩机构上下运动。

进一步地，该装置还包括整流和控制模块，其布置于所述铠装外壳主体的顶部，与铠装外壳主体固定连接，用于检测所述交变电流的频率。

进一步地，所述整流和控制模块包括控制和存储芯片，用于存储所述交变电流频率对应的最佳复位弹簧预紧力，根据检测的交变电流频率可以控制预紧力调节模块对预紧力进行调节，使得所述永磁铁的往复运动频率与所述往复运动机构的往复运动频率匹配，从而实现两者共振。

进一步地，所述发电和储电模块还包括蓄电池，用于为所述往复式运动机构上的温度传感器或压力传感器供电。

进一步地，所述整流和控制模块用于将所述交变电流整流为直流电流，并为所述蓄电池充电。

进一步地，所述往复式运动机构为发动机活塞、空气压缩机活塞或偏心轮机构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的技术方案中，铠装外壳主体中心的导向轴上布置有永磁铁和复位弹簧，磁铁周向布置线圈，永磁铁随着该装置的往复运动而运动从而使线圈切割磁感线进而通过整流和控制模块实现整流并对蓄电池充电，最终实现自发电并可以为传感器供电。

(2)本发明的技术方案，通过测量线圈感应电流的频率和幅值，实时控制复位弹簧的预紧力，从而改变永磁铁往复运动的固有频率和响应特性，使得永磁铁往复运动的固有频率与此时活塞等往复运动机构的固有频率接近，即产生共振，振幅最大，从而最大效率地利用往复运动过程发电，适用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于往复式运动机构的自发电装置的剖视图；

图2为本发明实施例的一种基于往复式运动机构的自发电装置的整流和控制模块示意图。

所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-铠装外壳主体、2-复位弹簧、3-永磁铁、4-线圈、5-蓄电池、6-整流和控制电路模块、7-接线柱、8-铠装外壳端盖、9-紧定螺钉、10-步进电机、11-铠装外壳周向螺纹、12-螺旋伸缩机构、13-联轴器、14-导向轴、15-步进电机驱动电路、16-控制和存储芯片、17-整流电路、18-电容、19-稳压电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的一种基于往复式运动机构的自发电装置的剖视图。如图1所示，该自发电传感器电源包括：铠装外壳主体1、发电和储电模块、预紧力调节模块和整流和控制模块6。

其中，所述铠装外壳主体1包括设置在其中心轴线上的导向轴14，安装在活塞等往复式运动机构上，并随活塞等往复式运动机构一起做往复式运动；

如图1所示，所述发电和储电模块包括复位弹簧2，永磁铁3，线圈4和锂电池5，其设置于铠装外壳主体1的中心，与整流和控制模块6通过导线实现电气连接；所述永磁铁3能够在铠装外壳1中心的导向轴14上往复运动，所述复位弹簧2安装在永磁铁3的上下底面，限制其往复运动的幅度，所述线圈4布置在永磁铁3的周向方向上并与铠装外壳1固定连接，所述锂电池5安装在铠装外壳1的内壁，与铠装外壳1固定连接；

如图1所示，所述预紧力调节模块包括步进电机10、电机联轴器13和螺旋伸缩机构12，其安装于铠装外壳主体1的轴中心线上，位于发电和储电模块上方，与铠装外壳主体1通过导向轴14活动连接，与整流和控制模块6通过导线实现电气连接；所述螺旋伸缩机构12外缘有螺纹结构，与铠装外壳的周向螺纹11相匹配，能够在铠装外壳1中心的导向轴14上通过旋转实现上下运动，所述步进电机10通过电机联轴器13与螺旋伸缩机构12连接；

如图1所示，所述整流和控制模块6是一套由整流电路17、步进电机驱动电路15构成的模块，所述整流电路17与发电和储电模块的线圈4及锂电池5通过导线实现电气连接，所述步进电机驱动电路15与预紧力调节模块的步进电机10通过导线实现电气连接。

本发明的技术方案中，铠装外壳主体中心的导向轴上布置有永磁铁和复位弹簧，磁铁周向布置线圈，永磁铁随着该装置的往复运动而运动从而使线圈切割磁感线进而通过整流和控制模块实现整流并对蓄电池充电，最终实现自发电并可以为温度传感器或压力传感器供电。

此外，通过测量线圈感应电流的频率和幅值，实时控制复位弹簧的预紧力，从而改变永磁铁往复运动的固有频率和响应特性，使得永磁铁往复运动的固有频率与此时活塞等往复运动机构的固有频率接近，即产生共振，振幅最大，从而最大效率地利用往复运动过程发电，适用范围广，可为温度传感器或压力传感器等传感器供电。

使用时，将本发明活塞等往复式运动机构的自发电传感器电源固定在活塞等往复式运动机构上，随着机构的运动而往复运动，在往复运动过程中驱使套在铠装外壳主体1中心导向轴14上的永磁铁3相对于线圈4往复运动，线圈4切割磁感线产生一定频率的交变电流；

同时，整流和控制模块6将线圈4产生的交变电流进行整流变压并对发电与储电模块中的锂电池5进行充电，从而实现该装置的自发电，最终将电能通过铠装外壳上的接线柱7供给布置在待测机构上的传感器。

当待测机构的往复运动频率改变时，整流和控制模块6检测线圈4输入的频率和幅值并读取控制和存储芯片16中预先计算出的该工作频率下的最佳的弹簧预紧力，同时控制预紧力调节模块实现复位弹簧2预紧力的调节，此时，永磁铁3的运动频率也会随之改变，线圈4切割磁感线产生的交变电流的频率和幅值相应变化；

具体地，根据所述最佳复位弹簧预紧力，整流和控制模块6的步进电机驱动电路15驱动步进电机10旋转一定的角度，步进电机10通过电机联轴器13控制螺旋伸缩机构12旋转，螺旋伸缩机构12在旋转过程中推动复位弹簧2伸缩，调整其初始位置从而实现复位弹簧12预紧力的调节，最终改变永磁铁3往复运动的固有频率和频率响应特性，使得永磁铁往复运动的固有频率与此时活塞等往复运动机构的固有频率接近，即产生共振，振幅最大，实现最大效率发电。

在本发明的优选实施例中，所述发电和储电模块中的永磁铁3和线圈4的位置可以互换，永磁铁3固定在铠装外壳主体1的周向上，线圈4周向布置在所述导向轴14上，并能够在铠装外壳中心的导向轴14上往复运动。

在本发明的优选实施例中，所述整流和控制模块还包括稳压电路19，用于调节控制电压。

在本发明的优选实施例中，整流和控制模块6还可以包含升压和降压模块，因此，该活塞等往复式运动机构的自发电传感器电源还可以根据传感器需求提供不同供电电压。

在本发明的技术方案中，实施中给出了效果较优的永磁铁，但本发明不限于上述实施例中给出的永磁铁，还可以是电磁铁，具体根据实际情况确定。

在本发明的技术方案中，实施中给出了效果较优的复位弹簧，但本发明不限于上述实施例中给出的复位弹簧，还可以是弹簧片或弹性橡胶，具体根据实际情况确定。

在本发明的技术方案中，实施中给出了效果较优的锂电池，但本发明不限于上述实施例中给出的锂电池，还可以是锂聚合物电池、镍氢电池或铅酸电池，具体蓄电池种类根据实际情况确定。

在本发明的技术方案中，实施中给出了效果较优的螺旋伸缩机构，但本发明不限于上述实施例中给出的螺旋伸缩机构，还可以是蜗轮蜗杆机构或伸缩式液压缸，具体伸缩机构种类根据实际情况确定。

在本发明的技术方案中，实施中给出了效果较优的步进电机，但本发明不限于上述实施例中给出的步进电机，还可以是伺服电机或直流电机，具体电机种类根据实际情况确定。

在本发明的技术方案中，实施中给出了往复式运动机构为发动机活塞，但本发明不限于上述实施例中给出的往复式运动机构，还可以是空气压缩机活塞、偏心轮机构，具体往复式运动机构根据实际情况确定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。