[发明专利]一种基于压电材料的自供电振动能量提取电路

说明书

技术领域

本发明属于振动能量收集领域，特别是涉及一种基于压电材料的自供电振动能量提取电路。

背景技术

随着微功耗电子元器件的发展，将传感器和无线通信节点结合在一起的无线传感器网络节点正得到越来越广泛的应用。这些应用可以提高大型机械设备、高速交通工具以及大跨度桥梁等结构的可靠性，降低它们的维护费用。还可以实时有效地监测野外生态环境，如三峡库区的生态监测，确保该地区生态能够及时得到保护。目前来讲，绝大多数无线传感器节点仍采用电池供电，导致节点存在着尺寸大、重量重以及连续工作寿命短等问题。大量的使用电池，也给环境带来了很大污染。由于节点的功耗极低，外界坏境中存在多种类型的能量满足节点的能量消耗。例如太阳能、热能、振动能等等。值得一提的是，在外界系统中，振动能量无处不在并时时刻刻地存在，因此回收这些振动能并将其转换成电能正吸引着大批学者的注意。

将振动能转化成电能一般采用三种方法：电磁式、静电式和压电式。由于压电材料具有较高的能量密度，且便于集成，因此该材料成为了环境振动能量回收技术的首选。

利用压电回收振动能量的装置一般由带压电耦合材料的振荡结构，能量提取电路以及被供电的电子器件组成。然而，目前的振荡结构大多是线性结构，有自身的固有频率，且较难改变。环境的振动频率和结构本身固有频率一致时，才会产生较大的回收功率，一旦频率不一致，回收的功率会急剧降低。因此，很多学者开始致力于非线性结构的研究，使得结构能够在较宽的频带范围内，均能回收较高的能量。这样振动频率就不能确定，但是压电元件又具有电容性，因此等效电路中，相当于供电电源的阻抗不能固定。一般来说如果将“电源”直接和负载连接，负载阻抗必须和“电源”实现阻抗匹配，才能得到较高的功率。利用压电材料的振动能量提取装置显然不能满足这一要求。为了避免这一问题，许多非线性能量提取电路被提了出来，这些电路均能从一定程度上提高发电装置的能量密度，但并非所有的电路都能完全避免阻抗匹配的问题。

目前提出的非线性电路中，均能满足上述要求两点电路并不多，主要有同步电荷提取SECE (Synchronous Electric Charge Extraction), 双同步开关采集DSSH (Doubled Synchronized Switch Harvesting),增强型双同步开关采集 ESSH (Enhanced Synchronized Switch Harvesting)， 初始能量注入（Energy Injection）等电路，其中后三种电路均是在同步电荷提取技术的基础上提出来的，即均在压电元件上电荷达到极大值时，一次性完全提取上面的电荷，并将电荷通过电感等电子元件，转移到后续的负载电路中去。这一方法有效的将负载和发电装置隔离了起来，使得负载阻抗和结构回收的功率相对独立。然而，这些电路在理论上非常具有优势，实际实现起来却过于复杂。主要是同步电荷提取SECE技术中涉及到电子开关的闭合时间，该闭合时间在微秒级别并且要求非常精确，在实际能量回收装置中，比较难实现。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决得技术问题是提供一种结构简单、易于实现的基于压电材料的自供电振动能量提取电路。该电路不仅优化了传统的非线性能量提取电路开关闭合时间，而且使回收功率不受环境振动频率的影响，从而提高本发明电路能量回收的能量密度。同时，由于能量回收装置必须独立工作，本电路自身能够提供开关驱动信号来保证其正常工作。

为解决上述技术问题，本发明的作者在同步电荷提取SECE电路的基础上提出了一种优化电路，叫优化同步电荷提取OSECE（Optimized Synchronous Electric Charge Extraction）电路。

本发明的一种基于压电材料的自供电振动能量提取电路包括非线性能量提取电路和两个结构相同的第一极值检测电路和第二极值检测电路；其中，所述非线性能量提取电路包括两个模拟开关，分别用于控制所述非线性能量提取电路的通断；所述极值检测电路用来检测压电材料由于应变在其表面产生的电荷；

当检测到压电材料表面的电荷量处于极值并开始下降时，分别采用所述第一、第二极值检测电路产生电压信号作用于所述非线性能量提取电路的两个模拟开关上，控制非线性能量提取电路中两个模拟开关的闭合；所述非线性能量提取电路提取压电材料由于应变产生的电荷，并将其转换为直流电压后输出给外接负载。