[发明专利]多谐振点宽频压电发电式本安型传感器

说明书

本发明涉及一种多谐振点宽频压电发电式本安型传感器，包括依次连接的压电发电模块、能量收集管理模块和传感器模块，所述压电发电模块包括固定装置和固定安装在固定装置上的一个或多个压电发电片，所述压电发电片为悬臂梁式结构，其一端可拆卸固定在固定装置上，另一端悬伸，压电发电片的悬伸端的末端安装有质量块，压电发电模块收集工况环境中的振动能量，能量收集管理模块将振动能量转换成电能为传感器模块供电。本发明通过收集煤矿井下的振动能量为传感器模块供电，替代传统的有线供电或电池供电方式，提高传感器供电的可靠性。

技术领域

本发明涉及一种基于压电发电的本安型传感器，通过收集环境中的振动能量并将其转换为电能为传感器供电，适用于煤矿井下存在振动能量的机电设备。

背景技术

传统传感器一般采用有线供电或电池供电的方式，在煤矿井下复杂的工况环境中，电池供电受环境影响无法保证预期寿命，有线供电易发生断线等物理损伤，如何克服工况环境因素对传感器供电造成的影响成为亟需解决的难题。

振动能是机电设备中常见的环境能量之一，能量总量较大。利用压电效应的悬臂梁式压电发电片的结构简单、安装方便的优点，目前已有诸多行业开始使用压电发电技术为无线传感器供电。但在煤矿井下恶劣的工况环境中仍缺乏适应性技术研究，振动、粉尘等因素都会造成压电发电片的损坏，且传统的压电发电片在低频振动频段内一般只存在一个谐振频率点，在采煤机等振动环境复杂的设备上可靠性较低，这导致传统的压电发电片无法直接应用在煤矿井下的相关设备上。

发明内容

本发明旨在提供一种多谐振点宽频压电发电式本安型传感器，能在煤矿井下恶劣的工况环境中收集振动能量，并将该振动能量转换成传感器模块适用的电能，避免了传统传感器有线供电或电池供电的不利影响。

本发明的主要技术方案有：

一种多谐振点宽频压电发电式本安型传感器，包括依次电连接的压电发电模块、能量收集管理模块和传感器模块，所述压电发电模块包括固定装置和一个或多个基板，所述基板呈细长条形，基板的一端固定在固定装置上，另一端悬伸，基板的中部板面上固定有压电陶瓷片，所述压电陶瓷片采用复合真空包装技术进行封装，基板的悬伸端上安装有质量块，每个基板上的压电陶瓷片成为一组，组内多个压电陶瓷片之间串联，不同组压电陶瓷片之间并联，所有压电陶瓷片串并联组合后的电压输出端构成为所述压电发电模块的电压输出端，所述基板的悬伸端设置成末端向固定端弯折的U形双层结构或者蛇形的多层结构，蛇形弯折的延伸方向垂直于基板的板面。

单个基板的悬伸端上固定有多个质量块，多个质量块沿基板的延伸方向依次间隔排列。

所述基板的中部板面的上表面和/或下表面上固定所述压电陶瓷片。

当所述基板有多个时，多个所有基板优选为并排设置。

所述固定装置包括底座和盖板，底座的顶面上优选设有多个T形凹槽，所述基板的固定端设置成T型，每个基板的固定端随形嵌入一个所述T形凹槽中，盖板覆盖在底座的顶面上，盖板及底座将基板的固定端夹持于其中，底座、基板的固定端和盖板三者通过螺纹紧固件固定。

所述传感器模块采用低功耗设计，其中设有无线通信子模块和红外唤醒子模块。

对于上述任意一种所述多谐振点宽频压电发电式本安型传感器，所述基板的悬伸端上每层均安装有质量块，对于采用U形双层结构悬伸端的基板，上层质量块位于基板的末端，下层质量块比压电陶瓷片远离固定端，也比上层质量块更远离固定端。

所述能量收集管理模块包括依次连接的AC-DC转换电路、稳压电路、能量输出控制电路和能量存储电路，所述能量输出控制电路的输出端连接所述传感器模块的电源输入端，所述AC-DC转换电路的输入端连接所述压电发电模块的电压输出端。

所述能量收集管理模块采用本质安全型设计，所述AC-DC转换电路的输入端设有过流保护电路。