能量捕获传感器、振动发电装置和车载检测系统的制作方法

本实用新型涉及汽车电子技术领域，具体地涉及能量捕获传感器、具有该能量捕获传感器的振动发电装置和具有该振动发电装置的车载检测系统。

背景技术：

智能汽车让出行更加便捷和舒适，越来越多地受到人们的关注。智能汽车是在普通车辆上增加传感器，如气体传感器、压力传感器、温度传感器和湿度传感器等，使车辆具备智能的环境感知能力，自动分析车辆行驶的安全、胎压、车内空气质量和温湿度等。为了采集外部环境信息，上述智能传感器需要外部电源向其提供电能。

相关技术中，振动发电装置采集汽车行驶过程中产生的振动能量，并将振动能量转化为电能为汽车中的智能传感器供电。为降低振动发电装置的谐振频率，以匹配实际机械振动的频率，提供能量转换效率，振动发电装置通常需要延长悬臂梁的长度。然而，悬臂梁的设置空间是有限的，不能无限延长悬臂梁，无法适用于空间受限的场合。

技术实现要素：

为此，本实用新型的一方面提出一种能量捕获传感器,该能量捕获传感器的悬臂梁为涡旋状，增加了悬臂梁的长度，减小了固有振动频率，增加了能量转换效率。

本实用新型另一方面还提出了一种振动发电装置。

本实用新型再一方面还提出了一种车载检测系统。

根据本实用新型第一方面的实施例的能量捕获传感器包括悬臂梁，所述悬臂梁包括：基体，所述基体为涡旋状且具有固定端和自由端；压电元件，所述压电元件设在所述基体上；质量块，所述质量块设于所述基体的自由端。

根据本实用新型实施例的能量捕获传感器，其悬臂梁为涡旋状，增加了有限空间内的悬臂梁长度，减小了固有振动频率，增强了能量转换效率，而且减小了对设置空间的需求，提高了适用性。

在一些实施例中，所述基体的顶面大体平齐，所述基体的底面大体平齐。

在一些实施例中，所述基体的相邻圈之间的距离相同。

在一些实施例中，所述基体的相邻圈之间的距离与所述基体的径向宽度相同。

在一些实施例中，所述质量块的一端的端部与所述基体的自由端的端部对齐。

在一些实施例中，所述压电元件表面具有微纳结构。

在一些实施例中，所述微纳结构为圆柱阵列结构、方柱阵列结构、平行光栅结构或乳突结构。

在一些实施例中，所述压电元件设在所述基体的上表面。

根据本实用新型另一方面的实施例的振动发电装置包括能量捕获传感器，所述能量捕获传感器为上述实施例所述的能量捕获传感器；稳压电路模块，所述稳压电路模块与所述能量捕获传感器相连，用以接收所述能量捕获传感器产生的电信号并对所述电信号进行整流和降压；能源管理模块，所述能源管理模块与所述稳压电路模块相连，用以储存电能。

根据本实用新型的振动发电装置，可以为汽车上的传感器供电，减少了汽车电源的使用，不需要频繁更换纽扣电池以及为锂电池充电，降低了能耗。

根据本实用新型再一方面的实施例的车载检测系统包括振动发电装置，所述振动发电装置为上述实施例所述的振动发电装置；还包括分别与所述振动发电装置连接的传感器检测模块、控制模块和通讯模块，所述传感器检测模块用以采集环境信息并输出环境信号；所述控制模块与所述传感器检测模块相连，用以对所述环境信号进行处理和分析以输出控制信号；所述通讯模块与所述控制模块相连，用以将所述控制信号传输到设备终端。

在一些实施例中，所述控制模块包括处理模块，所述处理模块与所述传感器检测模块相连，用以接收所述环境信号并进行处理以获得处理信号；分析模块，所述分析模块与所述处理模块相连，用以接收所述处理信号并进行分析以输出所述控制信号。

附图说明

图1是根据本实用新型的实施例的能量捕获传感器的结构示意图。

图2是根据本实用新型的实施例的能量捕获传感器的截面图。

图3是根据本实用新型的实施例的压电元件的结构示意图。

图4是根据本实用新型的实施例的振动发电装置的示意图。

图5是根据本实用新型的实施例的车载检测系统的示意图。

附图标记：

能量捕获传感器100，悬臂梁1，基体11，固定端111，自由端112，压电元件12，质量块13，振动发电装置200，稳压电路模块101，能源管理模块102，车载检测系统300，传感器检测模块201，控制模块202，处理模块2021，分析模块2022，通讯模块203。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

如图1-3所示，根据本实用新型实施例的能量捕获传感器100包括悬臂梁1，悬臂梁1 包括基体11、压电元件12和质量块13。该能量捕获传感器100处在振动环境下的能量捕获传感器100通过悬臂梁1的自由端的振动获取能量。

基体11为涡旋状且具有固定端111和自由端112，此处，“涡旋状”是指基体11包括在同一平面上围绕预设中心旋转而成的多圈，且沿基体11的径向外圈的径向尺寸大于内圈的径向尺寸。具体地，基体11可以为金属材料，例如基体11为包含铍青铜和/或铝等的金属材料，且本实用新型并不限于此。

压电元件12设在基体11上，压电元件12在受到压力的作用时，压电元件12的两端面间出现电压，从而实现机械振动和交流电的互相转换。具体地，基体11的上表面设有压电元件12，压电元件12可以为石英、铌酸锂、钛酸钡、锆钛酸铅、氮化铝或氧化锌等材料，本实用新型并不限于此。其中，“上表面”中的“上”指的是朝向图1中箭头指示的方向，则“下”为背离箭头指示的方向。

质量块13设于基体11的自由端112，降低谐振频率，以提高基体11的自由端112获取能量的效率。具体地，基体11的自由端112的末端设有质量块13，进一步地，质量块 13的一端的端部与基体11的自由端112的末端的端部对齐，以进一步降低提高基体11获取能量的效率。

可以理解的是，悬臂梁1整体呈涡旋状，在有限空间内，涡旋状的悬臂梁1比普通形状的悬臂梁的长度可以更长，减小了固有振动频率，增强了将环境机械能转换为电能的效率，而且减小了对设置空间的需求，提高了适用性。

在一些实施例中，基体11的顶面大体平齐，基体11的底面大体平齐。换言之，如图1 所示，基体11的垂直于箭头所示方向的两个端面分别大体平齐，即基体11的多圈均为从同一平面沿箭头所示的方向延伸且沿该方向的高度相同。

在一些实施例中，基体11的相邻圈之间的距离相同。换言之，基体11的相邻圈之间的径向间距相同。

在一些实施例中，基体11的相邻圈之间的距离与基体11的径向宽度相同。换言之，基体11的相邻圈之间的径向间距与基体11的每一圈的径向宽度相同。

在一些实施例中，压电元件12表面具有微纳结构。可以理解的是，微纳结构为亚波长尺度结构，通过将压电元件的表面加工呈具有微纳结构，可以增加压电元件的表面积，以产生更多的表面电荷，利于提高输出电压。具体地，微纳结构为圆柱阵列结构、方柱阵列结构、平行光栅结构或乳突结构。例如，如图3中所示，压电元件12的表面具有圆柱阵列结构的微纳结构，可以理解的是，圆柱阵列结构指的是压电元件上具有多个阵列排布的凸起，每个凸起为圆柱形。

下面参考附图1、附图2和附图3描述本实用新型具体实施例的能量捕获传感器。

如图1-3所示，根据本实用新型实施例的能量捕获器100包括悬臂梁1，悬臂梁包括基体11、压电元件12和质量块13。

基体11为包含铍青铜和铝的金属材料，基体11为涡旋状且具有固定端111和自由端 112。基体11的多圈均为从同一平面沿箭头所示的方向延伸且沿该方向的高度相同。基体 11的相邻圈之间的径向间距相同且基体11的相邻圈之间的径向间距与基体11的每一圈的径向宽度相同。

压电元件12设在基体11的上表面，压电元件12可以为石英、铌酸锂、钛酸钡、锆钛酸铅、氮化铝或氧化锌等材料。压电元件12表面具有亚波长尺度的微纳结构，且该微纳结构为圆柱阵列结构。压电元件12在受到压力的作用时，压电元件12的两端面间出现电压，从而实现机械振动和交流电的互相转换。

质量块13设于基体11的自由端112上且质量块13的一端的端部与基体11的自由端 112的端部对齐，以降低谐振频率，提高基体11的自由端112获取能量的效率。

如图4所示，根据本实用新型另一方面的实施例的振动发电装置200包括能量捕获传感器100、稳压电路模块101和能源管理模块102。

能量捕获传感器100为上述实施例的能量捕获传感器。

稳压电路模块101与能量捕获传感器100相连，用以接收能量捕获传感器100产生的电信号，稳压电路模块101包括整流电路和降压电路，可以对该电信号进行整流和降压。

能源管理模块102与稳压电路模块101相连，用以储存电能，能源管理模块102主要采用质量较轻的电量存储器，包括充电电池、普通电容和超级电容等。

根据本实用新型的振动发电装置，可以为汽车上的传感器供电，减少了汽车电源的使用，不需要频繁更换纽扣电池以及为锂电池充电，降低了能耗。

如图5所示，根据本实用新型再一方面的实施例的车载检测系统300包括振动发电装置200以及分别与振动发电装置200连接的传感器检测模块201、控制模块202和通讯模块203，振动发电装置200可以分别为传感器检测模块201、控制模块202和通讯模块203 供电。

振动发电装置200为上述实施例的振动发电装置。

传感器检测模块201用以采集环境信息并输出环境信号。其中，环境信息可以为压力、温度、气体、湿度等等，则该传感器检测模块201可以为单个压力传感器、温度传感器、气体传感器或湿度传感器等等，还可以是多个传感器的集成。

控制模块202与传感器检测模块201相连，用以对环境信号进行处理和分析以输出控制信号。

通信模块203为可与设备终端无线连接的蓝牙或Wifi等低功耗通信模块，通讯模块203 与控制模块202相连，用以将控制信号传输到设备终端。

在一些实施例中，控制模块202包括处理模块2021和分析模块2022。

处理模块2021与传感器检测模块201相连，用以接收环境信号并进行处理以获得处理信号。例如，处理模块2021对传感器检测模块201产生的电流信号进行放大、滤波、温度补偿以及数模转换，获得传感器实时数据值。

分析模块2022与处理模块2021相连，用以接收处理信号并进行分析以输出控制信号。例如，分析模块2022采用单片机对处理模块2021输出的数字信号进行运算和判断。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。