本发明涉及压电能量采集
技术领域：
，尤其是一种新型压电能量采集接口电路。
背景技术：
：现有技术中，一般的采集接口电路主要是由全波整流桥来实现的，比如，在公开号为cn101582599b的中国专利中，具体参照其说明书附图图4，其全波整流桥的作用是将压电元件产生的交流电能转化为直流电能，虽然利用这种方法可以采集到输出电压，但是压电元件不仅存在可将振动能转化为电能的正压电效应，同时也存在逆压电效应，可将电能再次转化为振动能，若按照上述电路提取电能，就会出现一部分电能因逆压电效应转化而不能采集到的情况，因此实际采集到的电能较低，采集效率不高。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种新型压电能量采集接口电路，可同时针对压电片的正压电效应和负压电效应来进行电能提取，因此采集电能更多，采集效率高。为了弥补现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：一种新型压电能量采集接口电路，包括用于收集压电片的振动能量的能量采集器、用于检测压电片的正向电压峰值的第一检测模块、用于检测压电片的负向电压峰值的第二检测模块、用作正向电压电能采集的电子开关的第一开关模块、用作负向电压电能采集的电子开关的第二开关模块和用于收集存储压电片中电荷的储能模块；还包括分别用作正向电压比较器和负向电压比较器的第一三极管和第四三极管。所述能量采集器包括电流源、用于模拟压电片内部寄生电容的等效寄生电容和用于模拟压电片等效内阻的等效漏电电阻，所述第一检测模块包括第一电阻、第一电容和第一肖特基二极管，所述第二检测模块包括第二电阻、第二电容和第四肖特基二极管，所述第一开关模块包括第二三极管和第二肖特基二极管，所述第二开关模块包括第三三极管和第三肖特基二极管，所述的储能模块包括第六肖特基二极管、第三电容、储能电感和储能电容；所述电流源、等效寄生电容和等效漏电电阻并联设置于电结点与参考地之间；所述第一电阻、第一肖特基二极管和第一电容依次串联相接于电结点与参考地之间，所述第一肖特基二极管的负极与第一电容相连接且连接处与第一三极管的发射极连接；所述第一三极管和第四三极管的集电极、第二肖特基二极管的正极以及第三肖特基二极管的负极均连接到电结点，所述第二肖特基二极管的负极和第三肖特基二极管的正极分别连接到第二三极管和第三三极管的集电极；所述第二三极管和第三三极管的发射极均通过储能电感连接到参考地；所述第二电阻、第四肖特基二极管和第二电容依次串联相接于电结点与参考地之间，所述第四肖特基二极管的正极与第二电容相连接且连接处与第四三极管的发射极连接；所述第三电容的一端连接到电结点，另一端连接到第六肖特基二极管的正极，所述第六肖特基二极管的负极连接到储能电容的一端，所述储能电容的另一端连接到参考地。进一步，所述的储能模块还包括用于增加储能电容上电压的第五肖特基二极管，所述第五肖特基二极管的正极连接到参考地，所述第五肖特基二极管的负极连接到第三电容与第六肖特基二极管的连接处。进一步，所述的储能模块还包括输出电阻，所述的输出电阻与储能电容并联连接。优选地，所述的第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、第四肖特基二极管、第五肖特基二极管和第六肖特基二极管均采用nsr0340v2t1g芯片。优选地，所述第一三极管和第三三极管均采用2n3702芯片，所述第二三极管和第四三极管均采用2n4013芯片。优选地，所述电流源为正弦电流源。优选地，所述电流源的最大值为80ua，频率为30hz。本发明的有益效果是：压电片由于正向振动位移其两端电压会不断正向增加，进一步通过能量采集器实现第三电容的充电，直到其两端电压达到正向最大值，再开始放电下降，并藉由储能模块中的lc振荡电路实现电能提取；同理，压电片由于负向振动位移其两端电压会负向积累，该电压与第三电容两端电压叠加使第六肖特基二极管导通，直至达到最大值，并通过储能模块中的lc振荡电路实现电能提取；在这一过程中，两检测模块用于检测正、负向的电压最大值，两个开关模块用作导通lc振荡电路的开关。因此，本发明可同时针对压电片的正压电效应和负压电效应来进行电能采集，实现了压电电压的倍压提取，因此采集电能更多，采集效率高。附图说明下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。图1是本发明的电路原理图。具体实施方式参照图1，本发明的一种新型压电能量采集接口电路，包括用于收集压电片的振动能量的能量采集器1、用于检测压电片的正向电压峰值的第一检测模块2、用于检测压电片的负向电压峰值的第二检测模块3、用作正向电压电能采集的电子开关的第一开关模块4、用作负向电压电能采集的电子开关的第二开关模块5和用于收集存储压电片中电荷的储能模块6；还包括分别用作正向电压比较器和负向电压比较器的第一三极管q1和第四三极管q4。所述能量采集器1包括电流源ip、用于模拟压电片内部寄生电容的等效寄生电容cp和用于模拟压电片等效内阻的等效漏电电阻rp，所述第一检测模块2包括第一电阻r1、第一电容c1和第一肖特基二极管d1，所述第二检测模块3包括第二电阻r2、第二电容c2和第四肖特基二极管d4，所述第一开关模块4包括第二三极管q2和第二肖特基二极管d2，所述第二开关模块5包括第三三极管q3和第三肖特基二极管d3，所述的储能模块6包括第六肖特基二极管d6、第三电容c3、储能电感l1和储能电容cr；所述电流源ip、等效寄生电容cp和等效漏电电阻rp并联设置于电结点s与参考地之间；所述第一电阻r1、第一肖特基二极管d1和第一电容c1依次串联相接于电结点s与参考地之间，所述第一肖特基二极管d1的负极与第一电容c1相连接且连接处与第一三极管q1的发射极连接；所述第一三极管q1和第四三极管q4的集电极、第二肖特基二极管d2的正极以及第三肖特基二极管d3的负极均连接到电结点s，所述第二肖特基二极管d2的负极和第三肖特基二极管d3的正极分别连接到第二三极管q2和第三三极管q3的集电极；所述第二三极管q2和第三三极管q3的发射极均通过储能电感l1连接到参考地；所述第二电阻r2、第四肖特基二极管d4和第二电容c2依次串联相接于电结点s与参考地之间，所述第四肖特基二极管d4的正极与第二电容c2相连接且连接处与第四三极管q4的发射极连接；所述第三电容c3的一端连接到电结点s，另一端连接到第六肖特基二极管d6的正极，所述第六肖特基二极管d6的负极连接到储能电容cr的一端，所述储能电容cr的另一端连接到参考地。其中，所述的储能模块6还包括用于增加储能电容cr上电压的第五肖特基二极管d5，所述第五肖特基二极管d5的正极连接到参考地，所述第五肖特基二极管d5的负极连接到第三电容c3与第六肖特基二极管d6的连接处。其中，所述的储能模块6还包括输出电阻rl，所述的输出电阻rl与储能电容cr并联连接。具体地，压电片由于正向振动位移其两端电压会不断正向增加，进一步通过能量采集器1实现第三电容c3的充电，直到其两端电压达到正向最大值，再开始放电下降，并藉由储能模块6中的lc振荡电路实现电能提取；同理，压电片由于负向振动位移其两端电压会负向积累，该电压与第三电容c3两端电压叠加使第六肖特基二极管d6导通，直至达到最大值，并通过储能模块6中的lc振荡电路实现电能提取；在这一过程中，两检测模块用于检测正、负向的电压最大值，两个开关模块用作导通lc振荡电路的开关。因此，本发明可同时针对压电片的正压电效应和负压电效应来进行电能采集，实现了压电电压的倍压提取，因此采集电能更多，采集效率高。下面详细说明本发明的工作原理：参照图1，首先将电路最左端的电流源ip、等效寄生电容cp以及等效漏电电阻rp并联等效为压电片振动能量收集器，此处的压电片振动能量收集器为实际概念，应与本实施例中具有模拟性质的能量采集器1区分开来；优选地，电流源ip等效为一个正弦波形电流源ip，最大值为80ua，频率为30hz，等效寄生电容cp即可等效为压电片振动能量收集器的内部寄生电容，大小为20nf，等效漏电电阻rp即可等效为压电片振动能量收集器的内部漏电电阻，大小约为2兆欧；其中，优选地，第一电阻r1和第二电阻r2的阻值均为5.1欧姆，所述的第一肖特基二极管d1、第二肖特基二极管d2、第三肖特基二极管d3、第四肖特基二极管d4、第五肖特基二极管d5和第六肖特基二极管d6均采用nsr0340v2t1g芯片，所述第一三极管q1和第三三极管q3均采用2n3702芯片，所述第二三极管q2和第四三极管q4均采用2n4013芯片，应当注意，肖特基二极管的电路符号和稳压二极管的电路符号比较相似，请勿将图1中的肖特基二极管误认为是稳压二极管；第一电容c1和第二电容c2的大小为2.2nf，第三电容c3的大小为22nf，储能电感l1的大小为2mh，储能电容cr的大小为100μf。第一电阻r1、第一肖特基二极管d1和第一电容c1构成了电压峰值包络检测器，用以检测压电片正向电压最大值；第一三极管q1构成正向电压比较器，第二三极管q2和第二肖特基二极管d2构成电子开关，尤其是，第二肖特基二极管d2的作用是等效寄生电容cp和储能电感l1发生振荡时，单向导通，起到开关作用。第二电阻r2、第四肖特基二极管d4和第二电容c2构成了电压峰值包络检测器，用以检测压电片负向电压最大电压值；第四三极管q4构成负向电压比较器，同理，第三三极管q3和第三肖特基二极管d3构成电子开关，第三肖特基二极管d3为等效寄生电容cp和储能电感l1的振荡起到开关导通作用。当压电片振动位移从零开始逐渐增大，压电片两端的电压vp会不断的增加，从而通过电路给第三电容c3进行充电，当其压电电压vp达到最大值vmax时，第一电容c1两端的电压为vmax-vd(其中vd为第一肖特基二极管d1的导通压降),随后压电电压vp开始下降，当下降为vmax-vd-vbe时(vbe是第一三极管q1的基射极电压)，第一三极管q1开启导通工作模式，第一肖特基二极管d1反向截止，此时第一电容c1只能通过第一三极管q1→第二三极管q2→储能电容cr的路径进行放电，与此同时，第二三极管q2也导通，等效寄生电容cp与储能电感l1形成振荡回路，通过路径等效寄生电容cp→第二肖特基二极管d2→第二三极管q2→储能电感l1，从而把能量传输给储能电感l1，实现了电压翻转，并将电能输送至储能电容cr；与此同时，储能电感l1与第三电容c3也构成了一个震荡回路，使得第三电容c3两端的电压同时发生了翻转，当压电位移从负向开始增大时，负向的压电电压与第三电容c3两端电压相互叠加使第六肖特基二极管d6导通，从而将电能传送至负载端，当达到负向压电电压最大值时，第三三极管q3、第四三极管q4和储能电感l1使压电电压发生翻转，于是第三电容c3与储能电感l1经过第六肖特基二极管d6构成振荡回路，从而将电能输送至储能电容cr。经过以上分析，本发明的电路在一个振动周期内，有两次能量转移，一次是压电片直接把能量传输给第三电容c3，又一次是压电片与第三电容c3同时把能量传给负载端；经过两次电压提取，采用倍压形式电路完美取代了传统的桥式整流电路，大大提高了采集效率。其中，第五肖特基二极管d5的作用是：当压电片给第三电容c3充电时，第三电容c3的上极板会带正电荷，与之相对应地，与第五肖特基二极管d5负极相连的下极板带负电荷，由于第五肖特基二极管d5的正极接地，因此第五肖特基二极管d5的正负极之间会存在一个电压差，使得第五肖特基二极管d5单向导通，并通过第六肖特基二极管d6将电压转移到储能电容cr上，从而进一步增加了输出电压。采用pspice电路仿真软件对
背景技术：
中的电路和本发明的电路进行测试，并且进行总结和分析。具体地，将两种电路的输出端口并联一个电阻，改变电阻值的大小，同时记录输出端电阻两端电压的大小以及输出功率，如表一和表二所示。表一、使用传统能量采集接口电路电阻千欧50100150250300350400输出电压伏特2.24.05.47.58.39.19.8输出功率微瓦96.8160194225230237240表二.使用本发明能量采集接口电路电阻千欧50100150250300350400输出电压伏特5.88.61114.616.317.519输出功率微瓦672.8739.6806.6852.6885.6875902.5由表一和表二的内容，将本发明与传统的桥式能量采集接口电路进行对比，不难发现，对于相同阻值的输出电阻rl来说，本发明的能量采集接口电路的输出端电压约为传统电路的两倍，在输出功率方面，本发明的能量采集接口电路的输出功率也远远高于传统的能量采集接口电路，约为其四倍。,以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。当前第1页12