一種基于能量采集電路的壓電-電磁復合式俘能器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種壓電-電磁復合式俘能器，特別涉及在環境振動條件下、基于能量采集電路提高輸出功率的壓電-電磁復合式俘能器，屬于新能源和發電技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，公知的供電元件一般為化學電池。化學電池儲能有限，需要定期更換，人力物力成本較高。
[0003]公知的測量控制系統都需要外部電源供電，外部電源與傳感器之間要通過導線相連，線路繁雜且方便；而且在無電源環境或者極端惡劣環境(如石油鉆井鉆頭定位傳感器供能)下，無法使用外部電源供電。
[0004]環境中的振動無處不在，是一種綠色能源。通過從環境中獲取振動能量，并加以存儲進行直接的利用，是解決常規電池能源供應問題的有效措施。對此，國內外學者進行相關自供能技術的研究，其中包括壓電俘能器、電磁俘能器等。
[0005]隨著微電子制造技術、無線傳感網絡的快速發展及各種新型的低功耗元件的出現，將振動能轉化為電能并供給低功耗器件的振動型俘能器成為了研究熱點。目前，振動型俘能器主要有靜電式、壓電式與電磁式。靜電式俘能器需要外接電源，很大程度上限制了它的應用。電磁式俘能的基本原理為電磁感應定律，穿過閉合導線的磁通量發生變化時，在導線中產生感應電流，從而輸出電能。壓電式俘能的基本原理為壓電材料的正壓電效應，機械振動使得壓電材料內部產生應力，發生正壓電效應產生電荷，輸出電能。壓電式與電磁式俘能器的工作原理不同，不能同時輸出大電壓和大電流。由于壓電式俘能器在每個振動周期壓輸出的電壓相對較高、電流較小，而電磁式俘能器的輸出的電壓相對較低，電流較大，二者能量都很微弱，不能直接向電子負載供電，需要將電壓和電流都轉換為可以為超級電容或者充電電池供電的電壓和電流。因此，在能量采集裝置與電子負載之間必須插入能量采集電路。能量采集電路可以將交流電轉換為直流電，直接向負載供電，還可以儲存每個振動周期壓電元件的輸出電荷，增大輸出電流，從而提高輸出功率。
[0006]因此，將壓電俘能器與電磁俘能器有機結合，設計的壓電-電磁復合式俘能器較為少見，設計基于能量采集電路的壓電-電磁復合式俘能器更為少見。

【發明內容】

[0007]本發明要解決的技術問題是提供一種可將機械振動能轉化為電能儲存、并對微電子裝置供電的壓電-電磁復合式俘能器和一種用于控制壓電-電磁復合式俘能器的能量采集電路，并將壓電-電磁復合式俘能器和能量采集電路集成實現壓電-電磁復合式俘能器直接為負載提高輸出功率供電。本發明公開的一種基于能量采集電路的壓電-電磁復合式俘能器，能夠實現將交流電轉換為直流電，向負載提高輸出功率供電，具有綠色無污染、能量密度大、可靠性高、環境適應性強、操作控制方便、維護成本低等優點。
[0008]本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0009]本發明公開的一種基于能量采集電路的壓電-電磁復合式俘能器，包括壓電-電磁復合式俘能器和用于控制壓電-電磁復合式俘能器的能量采集電路。
[0010]所述的壓電-電磁復合式俘能器包括殼體、線圈、上永磁體、壓電陶瓷材料、基底梁、錐形永磁體、下永磁體、上電極、壓電片、下電極、左壓電片上電極引線、右壓電片上電極引線。殼體內壁兩側對稱分布有線圈，線圈垂直于殼體底面，線圈與殼體固定連接，并使線圈中心與錐形永磁體尖部位置垂直相對，線圈與錐形永磁體尖部位置之間留有間隙。錐形永磁體底部分別對稱固定于上永磁體、下永磁體側面，基底梁中間部分夾于上永磁體、下永磁體之間，基底梁長度方向兩側與殼體垂直固定連接。所述的上永磁鐵、下永磁鐵及錐形永磁體充磁方向一致，且均沿錐形永磁體軸線方向，并使錐形永磁體軸線垂直于線圈表面。在基底梁上黏貼壓電陶瓷材料，并使基底梁與壓電陶瓷材料形狀相同。所述的壓電陶瓷材料主要由上電極、壓電片、下電極組成。所述的上電極、壓電片形狀相同，在電陶瓷材料上的上電極、壓電片中間部分留有間隙。壓電陶瓷材料均有左壓電片上電極引線、右壓電片上電極引線引出，分別作為輸出電能的正負兩極。
[0011]所述的壓電俘能部分和電磁俘能部分共用殼體、基底梁、上永磁體、下永磁體、錐形永磁體。
[0012]所述的壓電俘能部分包括壓電陶瓷材料、基底梁、上永磁體、下永磁體、錐形永磁體、左壓電片上電極引線、右壓電片上電極引線。所述的上永磁體、下永磁體和錐形永磁體在電磁俘能部分作為質量塊使用。
[0013]所述的電磁俘能部分包括線圈、上永磁體、下永磁體、錐形永磁體。上永磁體、下永磁體和錐形永磁體在電磁俘能部分用于產生電磁發電所需磁場。
[0014]所述的用于控制壓電-電磁復合式俘能器的能量采集電路包括電磁俘能器能量采集電路、壓電俘能器能量采集電路、用于實現復合充電并防止電流回流的充電電路。
[0015]電磁俘能器能量采集電路用于提高電磁俘能器的輸出電壓，降低輸出電流，從而提高輸出功率，此外，還需使得電磁俘能器能量采集電路的輸出電壓與充電電池的充電電壓匹配。
[0016]壓電俘能器能量采集電路用于降低壓電俘能器的輸出電壓，提高輸出電流，從而提高輸出功率，此外，還需使得壓電俘能器能量采集電路的輸出電壓與充電電池的充電電壓匹配。
[0017]所述的電磁俘能器能量采集電路包括AC-AC升壓模塊，整流濾波模塊，DC-DC降壓模塊，能量存儲模塊；電磁俘能器能量采集電路通過AC-AC升壓模塊使得電磁俘能器的輸出電壓升高，電流降低，然后通過對升壓模塊的輸出電壓進行整流濾波，得到穩定的直流輸出電壓，為了得到與充電電池的充電電壓相匹配的輸出電壓，需要經過DC-DC降壓模塊降壓，DC-DC降壓模塊的輸出電壓能夠直接為充電電池充電。
[0018]所述的壓電俘能器能量采集電路包括整流濾波模塊、DC-DC降壓模塊、能量存儲模塊；壓電俘能器能量采集電路通過整流濾波模塊，使得壓電俘能器得到穩定的直流輸出電壓，然后通過DC-DC降壓，提高輸出電流，同時，得到與充電電池充電電壓相匹配的輸出電壓。
[0019]所述的用于實現復合充電并防止電流回流的充電電路包括二極管D1，二極管隊和充電電池。
[0020]所述的電磁俘能器能量采集電路包括微型變壓器Q，電容Q、電容C2、電容C3、電容C4和帶有整流濾波，DC-DC降壓功能的芯片；即AC-AC升壓模塊通過微型變壓器Q硬件實現；整流濾波模塊和DC-DC降壓模塊通過電容Q、電容C2、電容C3、電容C4和帶有整流濾波、DC-DC降壓功能的芯片U1實現；電磁俘能器輸出端一端接在微型變壓器Q的初級線圈一端，另一端接地，微型變壓器Q初級線圈的另一端接在芯片仏的SWl管腳；微型變壓器Q的次級線圈一端通過電容(^接入芯片U 4勺C i管腳，通過電容C 2接入芯片U 4勺C 2管腳，另一端接地；芯片仏的VS1、Vaux和VLDO管腳并接在電容C 3的一端，電容C 3的另一端接地；芯片仏的VS2管腳接地；芯片U撕Voutl管腳與電容C 4串接后接地，并輸出電壓V ■電磁。
[0021]所述的壓電俘能器能量采集電路包括電容C5、電容C6、電容C7、電容Cs、電感LdP帶有整流濾波、DC-DC降壓功能的芯片；即整流濾波模塊和DC-DC降壓模塊通過電容C5、電容C6、電容C7、電容Cs、電感L1和帶有整流濾波、DC-DC降壓功能的芯片U 2實現壓電俘能器能量采集電路，壓電俘能器輸出端兩端接入芯片仏的PZl和PZ2管腳；芯片U 2的V ιη管腳和CAP管腳之間并接電容C6，Vin管腳串接電容C 5后接地；芯片U 2的V in2、D。和D潰腳并接在電容C7—端，電容C 7的另一端接地；芯片U 2的SW2管腳和V.2管腳之間并接電感L 1;芯片4的V _管腳與電容c s串接后接地，并輸出電壓V ■壓電。
[0022]電磁俘能器能量采集電路輸出V.電磁通過二極管D:接入充電電池的正極；壓電俘能器能