一种可调节的压电能量采集装置的制作方法

本发明涉及压电发电技术领域，尤其涉及一种可调节的压电能量采集装置。

背景技术：

随着社会的发展，人们对能源的需求越来越大。此外，各种小功率用电器使用电池供电，但废弃电池的回收难度较大，造成了严重的环境污染。因而，研发一种新型的为小功率用电器供电的能量获取装置已成为保护环境和人类生命健康的迫切需求。

压电陶瓷材料具有独特的压电效应，可将机械能转变为电能。在外界振动或者冲击的作用下，压电陶瓷产生变形，输出电荷量。在持续振动的工况条件下，压电陶瓷也将持续不断地输出电能。经过能量转换、整流、储能、供电等诸多环节，应用于生活的技术。压电陶瓷在受到变形时，产生感应电压并对负载输出能量。其产生的电压或能能量受很多因素影响：比如压电陶瓷的大小、等效电容容量、变形程度、变形速度等。一般来说，单次变形所产生的能量都非常有限，因此，一般压电陶瓷发电都应用于震动能量收集，利用不断的震动来持续产生能量。

但是，这一类技术无法在一些特定的场合使用：例如，需要单次脉冲电能的场合，一种自发电的遥控器或开关。在这一类应用中，希望通过用户按下开关或遥控器按钮的一瞬间的动作，触发弹性压电陶瓷片产生一个高能量的脉冲电能，然后供给后端的无线模块使用，发射无线信号，进而达到无线遥控的功能，可应用于自发电门铃自发电遥控器、自发电开关等。

如前所述，弹性压电陶瓷片的发电量受变形的速度影响，在给定压电片的等效电容、大小、变形程度的前提下，其发电量就很大程度上取决于变形速度。但是在实际使用场合中，对于不同环境所要求的变形速度是不同的。例如，某一应用场景中，存在相差较大的环境中，由于要求变形速度不同，如果使用一成不变的固定结构，其效率是非常低的。

上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种可调节的压电能量采集装置，解决现有技术中在需要同时满足环境相差较大的应用场景中，采用固定的结构导致发电效率交底的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案为：

本发明提供一种可调节的压电能量采集装置，其包括：

内部具有容置空间的本体；

设置在所述本体上的受力部件；以及

设置在所述容置空间中的力传递部件、压电振子和调节组件，所述压电振子具有受力面和调节面，所述力传递部件与所述受力面相接触，所述调节组件与所述调节面相接触；

外部作用力作用于所述受力部件，通过所述调节组件改变所述压电振子的工作长度对产生的电能进行调节，所述工作长度由所述调节组件与所述压电振子的接触位置确定。

在本发明的一个实施例中，所述压电振子包括至少一个压电陶瓷片和至少一个弹性基板，且所述压电陶瓷片设置在所述受力面，所述弹性基板设置在所述调节面。

在本发明的一个实施例中，所述弹性基板为金属片。

在本发明的一个实施例中，所述压电陶瓷片的厚度小于或等于1mm，所述弹性基板的厚度小于或等于1mm。

在本发明的一个实施例中，所述压电陶瓷片的电容大于或等于10nf，所述压电陶瓷片的压电常数不大于或等于500x10^-12c/n。

在本发明的一个实施例中，所述受力部件为一表层板，与所述本体上的卡槽配合连接。

在本发明的一个实施例中，所述表层板上设有长孔，所述力传递部件具有前端和尾端；

所述力传递部件的尾端位于表层板的外表面；

所述力传递部件的前端穿过所述长孔进入到所述容置空间，并与所述压电振子的受力面相接触。

在本发明的一个实施例中，所述长孔上设置有至少两个限位孔。

在本发明的一个实施例中，所述长孔上设置三个限位孔，设置位置分别在表层板沿第一方向的1/4，3/8，1/2位置处，所述第一方向为所述力传递部件至所述调节片的方向。

在本发明的一个实施例中，所述调节组件包括：

调节片，与所述压电振子的调节面相接触，所述工作长度由调节片与压电振子的调节面的接触位置确定；

旋转部件，具有一连接杆和位于连接杆两端的旋钮，调节片安装在连接杆上，通过调节两个旋钮推动调节片与所述压电振子的接触位置移动，改变所述压电振子的工作长度。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的可调节的压电能量采集装置，一方面，通过设置调节组件实现装置档位的变换，当压电振子在不同环境中受到不同的外界作用力时，可以通过调节组件改变压电振子的工作长度对产生的电能进行调节，具有不同的变形速度，从而使能量采集装置具备更强的适应性；另一方面，该装置可以在不同的环境中分别进行高效的工作，提高发电效率。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种可调节的压电能量采集装置的组成框图；

图2为本发明一实施例中提供的可调节的压电能量采集装置的一种实现结构示意图；

图3为本发明一实施例中表层板和力传递部件的结构示意图；

图4为本发明一实施例中移除表层板后本体的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本发明相关实施例中，基于压电陶瓷发电的原理，可以利用地面震动进行压电发电，通过把压电陶瓷制成特殊结构的装置铺设在地面下，使得汽车运动时带动街道和公路发电，理想情况下，每千米路段每小时发电量可达400kw·h。与此同时，利用地面震动进行压电发电的现有装置也一些突出的问题有待改进，例如，固定的结构使得发电装置对工作环境的要求较高，而现实中的地面情况大部分是不能满足要求的。采用单一固定结构，不能满足同一装置适用于多种工作环境下多种形变速度的要求，发电效率低。

基于上述问题，本发明提供一种螺旋式可调节的压电能量采集装置，适用于发电技术和可再生清洁能源领域，当压电振子在不同环境中受到不同的外界作用力时，可以通过调节组件改变压电振子的工作长度对产生的电能进行调节，具有不同的变形速度，从而使能量采集装置具备更强的适应性，可以在不同的环境中进行高效的工作，提高发电效率。

图1为本发明一实施例提供的一种可调节的压电能量采集装置的组成框图，如图1所示，该采集装置100包括：内部具有容置空间的本体110；设置在所述本体上的受力部件120；以及设置在所述容置空间中的力传递部件130、压电振子140和调节组件150，所述压电振子140具有受力面和调节面，所述力传递部件130与所述受力面相接触，所述调节组件150与所述调节面相接触。外部作用力作用于所述受力部件120，通过所述调节组件150改变所述压电振子140的工作长度对产生的电能进行调节，所述工作长度由所述调节组件150与所述压电振子140的接触位置确定。

图2为本发明一实施例中提供的可调节的压电能量采集装置的一种实现结构示意图，如图2所示，该采集装置整体包括本体1、旋转部件2、压电振子3、调节片4、力传递部件5和表层板6等构成，通过螺旋部件2改变压电振子3中陶瓷片的工作长度以及外界激励(即外部作用力)的作用点来实现装置档位的变换。

该采集装置的设计原理是对压电陶瓷正压电效应(纵向压电效应)的利用。压电陶瓷片受到外界激励而产生形变时，其特定方向上产生极化电场。通过力传递部件将外界激励传递至压电振子，压电振子产生电压，配合以相应的后续电路实现能量的转化、收集和利用。

图3为本发明一实施例中表层板和力传递部件的结构示意图，图4为本发明一实施例中移除表层板后本体的结构示意图，以下结合图1～图4对本发明的可调节的压电能量采集装置进行具体介绍：

在本发明的一个实施例中，本体1为框架结构，建立起装置的大体形态，为内部部件提供作用点，起到支撑作用，本体1的顶面为表层板6，本体1的左右两侧设置通孔，以使旋转部件2穿过。本体1作为整个装置的外壳，将其他结构设置在容置空间内部。受力部件为一表层板6，嵌入本体1与本体1上的卡槽配合连接，连接方式为卡入式连接。表层板6与本体1采用可拆卸连接设置。

在本发明的一个实施例中，力传递部件5具有前端和尾端；力传递部件5的尾端位于表层板6的外表面；力传递部件5的前端穿过长孔进入到容置空间，并与压电振子3的受力面相接触。具体的，如图3所示，力传递部件5可以是力的一个传递杆(或称为激励杆)，将激励(即外部作用力)由表层板6传递到压电振子3，可手动调节其位置，结构上由最上部的螺母、中部的螺栓以及下部的钝尖组成。在调节档位时，先将螺栓和螺母分开，置于合适位置后拧紧螺母。可以通过螺母的配合将力传递部件5固定在表层板6上，当拧紧螺母时，两者不能发生相对移动。

在本发明的一个实施例中，表层板6采用特殊材质，具有一定的强度，不易损坏，同时在传递力的过程中不会造成力的过多损失，如橡胶材料，受到外界作用而发生形变，并且在表层板6上设有长孔，长孔上设置有至少两个限位孔。如图3所示，限位孔为三个凹下去的孔，这三个孔的大小、形状均与螺丝头一致，限位孔的直径略大于长孔的直径，力传递部件5便嵌在孔中，以便压电能量采集装置安装后与地面形成大致的平面，并且不同的孔对应不同的档位。当表层板6作为受力机构受到外部作用力时，受力机构将外部作用力经力传递部件5传递到压电振子3。

以图3所示为例，长孔上设置三个限位孔，设置位置分别在表层板6沿第一方向的1/4，3/8，1/2位置处，第一方向为力传递部件至调节片4的方向，即图中标注的x方向。三个限位孔分别对应三个档位：最左侧限位孔为一档位，环境振动频率较低时选用；中间限位孔为二档位，环境振动频率一般时选用；最右侧限位孔为三档位，环境振动频率较高时选用，这里的振动频率根据具体应用环境进行划分，以户外地面为例，当振动频率低于80hz为低，当振动频率在80～150hz时为一般，当振动频率超过150hz时为高。

在本发明的一个实施例中，固定在本体1内部的压电振子3(呈扁平的长方体体)存在于装置的中间部分。压电振子3包括至少一个压电陶瓷片和至少一个弹性基板，且压电陶瓷片设置在受力面，与力传递部件5接触，弹性基板设置在调节面，与调节片4接触。利用压电振子3中压电陶瓷片的正压电效应产生电压，是整套装置的核心。如图2所示，将压电振子3固定在本体上，位于本体1底板和压电振子3之间的间隙，提供压电振子的发电动作空间。需要说明的是，当压电振子3中包括多个压电陶瓷片时，在上下的空间方向上布置多个压电陶瓷片和弹性基板，彼此之间有一定的空间。这种情况下，装置的最佳激励频率(发电能力最强)会随着压电陶瓷片的组数的增加而降低，适合振动频率较低的场合，弥补手动调节(三个档位)的不足，但同时压电发电装置的发电能力也将随着压电陶瓷片的组数的增加而降低。在本发明的一个实施例中，弹性基板为金属片，例如金属可以选用黄铜。压电陶瓷片的厚度小于或等于1mm，弹性基板的厚度小于或等于1mm。压电陶瓷片的电容大于或等于10nf，压电陶瓷片的压电常数不大于或等于500x10^-12c/n。通过两端固定在本体1的旋转部件2改变压电陶瓷片的工作长度以及外界激励的作用点来实现整套装置档位的变换。

在本发明的一个实施例中，调节组件包括：调节片4、旋转部件2和两个旋钮，调节片4与压电振子3的调节面相接触，工作长度由调节片与压电振子的调节面的接触位置确定；旋转部件2具有一连接杆和位于连接杆上的两个安装端，两个安装端分别穿过本体延伸到本体之外；两个旋钮分别安装在在两个安装端上，通过调节两个旋钮推动安装在连接杆上的调节片与压电振子的接触位置移动，改变压电振子的工作长度。

当外界的振动传递过来时，装置的力传递部件5便会将外界激励传递至压电振子3，压电振子3产生电压。压电振子3具有相应的调节组件，可以通过调节螺旋部件2，进而改变压电振子3的工作长度，本装置便可以适用不同的工作环境。产生的电压再通过特定的降压稳压电路，整流滤波电路，将持续时间短，电压大，电流小的电信号，变为更加稳定，电流较大的电信号，转化后的电信号，便更加利于利用和储存。

在本发明的一个实施例中，调节片4材质较硬，可选用钢，铝合金等。本体下部右半侧，在前后两个方向上有两个用于调节片运动的滑轨。调节片4上表面左侧的压电振子3在外部作用下发生形变，为有效的工作长度，上表面右侧的压电振子3不发生形变为无效长度，受到调节旋钮的控制。调节片4受到调节组件的作用，在压电振子3下方运动，改变压电振子3的工作长度。

在本发明的一个实施例中，旋转部件2为杆状结构，具有一连接杆和位于连接杆两端的旋钮，调节片4安装在旋转部件2的连接杆上，通过调节两个旋钮推动调节片与所述压电振子的接触位置移动，改变所述压电振子的工作长度，进而实现档位的变换。旋转部件2通过本体1的两个圆孔与本体1相连接。左右两个旋转部件2(呈圆柱形)同时调节，推动调节片4在装置下半部分的右半端滑槽内运动，改变档位达到适应不同环境的目的，且整个过程当中形变量相对较小，无其他影响，配以后续的电能利用电路就可以达到相应的能源利用功能。

在本发明的一个实施例中，旋钮设置在本体下部左右两侧各一个，当旋动旋钮时，旋钮控制的连接杆会推动调节片4运动，改变装置的有效工作长度(调节片上表面左侧长度)。旋钮位置与力传递部件所在位置应相互配合，当力传递部件位于最左侧时，应调动旋钮使调节片位于最左侧。当力传递部件位于中间时，应同时调节旋钮使调节片位于中间。当力传递部件位于最右侧时，应同时调节旋钮使调节片位于最右侧。

在本发明的一个实施例中，对于压电振子3产生的电压，还需后续电路结构进行处理，包括整流模块和储能模块，具体的：经由压电振子所产生的能量，经过整流模块到达储能模块。压电振子3中的压电陶瓷片上接出导线作为输出端，金属基板作为另一个输出端(如有多层，则陶瓷片与金属基板分别通过导线形成一个输出端)，输出端与该电路结构连接。

基于上述，本发明实施例提供的压电能量采集装置可以应用在人行道，人、车流量大的地面。在调节档位时，先将表层板6与本体1分离，之后将固定力传递部件5的螺栓和螺母分开，将其置于合适的限位孔后再拧紧螺母，然后将带有固定有力传递部件5的表层板6重新嵌入本体中，完成档位变换。例如将上述采集装置放置在人流量较大的位置时，人流通过时，表层板6受到外界的振动激励时，将会发生相应的形变，此时与其固定的力传递部件5会将形变传递到压电振子3上，压电振子3产生正压电效应，进而产生极化电场，进而通过弹性基板将电能传递到电路部分，电路部分包括整流滤波和降压稳压的电路结构，电压高，电流小，持续时间短且杂乱无章的电信号通过电路部分后，将更加稳定，电压降低，电流增大，更加易于利用。

需要说明的是，当人流量与装置最佳工作状态的人流量要求区间有较大差异时，可以进行调节档位的操作，在装置的下半部分，旋转部件2通过本体1的两个圆孔与本体1相连接。左右两个旋转部件2(呈圆柱状)同时调节，推动调节片4在装置下半部分的右半端滑轨内运动，以此改变档位达到适应环境人流量的目的。且整个过程当中形变量相对较小，无其他影响，配以后续的电能利用电路就可以达到相应的能源利用的功能。

综上所述，本发明实施例提供的采集装置，一方面，通过设置调节组件实现装置档位的变换，当压电振子在不同环境中受到不同的外界作用力时，可以通过调节组件改变压电振子的工作长度对产生的电能进行调节，具有不同的变形速度，从而使能量采集装置具备更强的适应性，可以将该采集装置应用在作用力不同时间或不同情况有差别的环境中，以适应不同环境的需求和能源供应；另一方面，该采集装置成本低，且易操作，适用不同的环境，在不增加成本的情况下，提高系统运行效率，两端式固定的振动传递方式，可以更好的转化能源；最后，该装置可以工作在不同的环境中选用对应的档位，分别进行高效的工作，提高发电效率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。