本发明公开了一种单摆式人体运动能量采集器，包括空心外壳，外壳靠近底端的两侧相对设置有两个圆孔，圆孔内安装有电磁感应线圈，外壳内设置有圆柱销，圆柱销垂直于圆孔所在的外壳侧面，圆柱销套设有摆杆，摆杆的另一端垂直设置有连接销，连接销的两端均安装有磁铁，磁铁与圆孔之间设置有间隙，外壳靠近磁铁的内壁设置有至少两个压电薄膜，压电薄膜的表面均与磁铁相接触。本发明还公开上述能量采集器的采集方法，通过压电薄膜及电磁感应线圈的相互作用，将人体的机械能转化成电能。本发明装置的结构简单、成本低，使用寿命长，且能量转化效率高。
1.一种单摆式人体运动能量采集器，其特征在于，包括空心外壳(2)，所述外壳(2)靠近底端的两侧相对设置有两个圆孔(6)，所述圆孔(6)内安装有电磁感应线圈(5)，所述外壳(2)内设置有圆柱销(7)，所述圆柱销(7)垂直于圆孔(6)所在的外壳(2)侧面，所述圆柱销(7)套设有摆杆(1)，所述摆杆(1)的另一端垂直设置有连接销(4)，所述连接销(4)的两端均安装有磁铁(3)，所述磁铁(3)与圆孔(6)之间设置有间隙，所述外壳(2)靠近磁铁(3)的内壁设置有至少两个压电薄膜(8)，所述压电薄膜(8)的表面均与磁铁(3)相接触；
所述压电薄膜(8)的上、下表面均粘贴有电极，两个所述电极均为铜电极、铝电极和导电银浆中的任意一种，两个所述电极均设置有导线并通过圆孔(6)引出；
两个所述磁铁(3)的同极相对设置，所述磁铁(3)为圆柱状，所述磁铁(3)为钕铁硼磁铁；
两个所述电磁感应线圈(5)为铜线圈，且均设置有导线并通过圆孔(6)引出，所述电磁感应线圈(5)为OA-1/2UEW纯铜聚氨酯漆包线；
两个所述电极的外侧均设置有衬底，所述衬底为聚酰亚胺薄膜；
所述压电薄膜(8)、电极及衬底均为矩形状，所述电极的长度和宽度均小于压电薄膜(8)的长度和宽度，所述压电薄膜(8)的长度小于衬底的长度，所述压电薄膜(8)的宽度与衬底的宽度相同；所述压电薄膜(8)设置为弧形状，且两端均粘贴在外壳(2)内侧；所述压电薄膜(8)为MEAS压电薄膜。
2.如权利要求1所述的一种单摆式人体运动能量采集器的采集方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，制作全波桥式二极管整流电路，所述全波桥式二极管整流电路包括并联的全波桥式二极管整流电路a和全波桥式二极管整流电路b；
步骤2，两个所述电极的导线均与全波桥式二极管整流电路a的接线端口相连接，所述电磁感应线圈(5)的导线均与全波桥式二极管整流电路b的接线端口相连接，所述全波桥式二极管整流电路a和全波桥式二极管整流电路b的输出端口分别连接有智能可穿戴产品电子器件的输入端口；
步骤3，将微功耗电子器件穿戴在人体手臂或小腿，行走时，手臂或小腿带动所述摆杆(1)进行摆动，所述摆杆(1)向外壳(2)一侧摆动时，磁铁(3)靠近外壳(2)一侧的电磁感应线圈(5)，所述电磁感应线圈(5)切割磁感线产生正向感应电流，并通过导线将电流传输到全波桥式二极管整流电路b；同时，磁铁(3)挤压压电薄膜(8)发生形变，并通过电极的导线将电荷传输到全波桥式二极管整流电路a；
所述摆杆(1)向外壳(2)另一侧摆动时，磁铁(3)靠近外壳(2)另一侧的电磁感应线圈(5)，所述电磁感应线圈(5)切割磁感线产生反向感应电流，并通过导线将电流传输到全波桥式二极管整流电路b；同时，磁铁(3)挤压压电薄膜(8)发生形变，并通过电极的导线将电荷传输到全波桥式二极管整流电路a；
步骤4，所述摆杆(1)回到初始位置时，完成一个循环的电能储存，重复步骤3，将人体运动的机械能转换成电能储存在全波桥式二极管整流电路，并给智能可穿戴产品电子器件持续供电。
3.如权利要求2所述的单摆式人体运动能量采集器的采集方法，其特征在于，所述全波桥式二极管整流电路a和全波桥式二极管整流电路b的结构相同。
一种单摆式人体运动能量采集器及其采集方法
技术领域
[0001] 本发明属于机械转化技术领域，具体涉及一种单摆式人体运动能量采集器，本发明还涉及上述单摆式人体运动能量采集器的采集方法。
背景技术
[0002] 智能可穿戴电子器件是新兴的一类智能产品。目前，智能可穿戴电子器件和无线传感器的供电主要是依靠锂离子电池，但是由于其寿命有限，还存在污染环境的潜在风险，
使得智能可穿戴产品和无线传感器的发展受到一定的影响。
[0003] 人体具有充沛的能量，从人体运动收集的生物机械能完全可以用来代替电池给智能可穿戴电子器件和无线传感供电。但是，利用人体能量时，不能做其他工作，而且能量转
换不能持续，因此迫切需要设计一种利用人体日常行动产生能量的设备，实现将机械能转
化为电能，并对智能可穿戴产品和无线传感器持续供电。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种单摆式人体运动能量采集器，解决了现有技术中存在的智能可穿戴电子器件的供电器件寿命短、污染环境、人体能量转换难以持久的问题。
[0005] 本发明的另一目的是提供上述单摆式人体运动能量采集器的采集方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种单摆式人体运动能量采集器，包括空心外壳，外壳靠近底端的两侧相对设置有两个圆孔，圆孔内安装有电磁感应线圈，外壳内设置有圆柱
销，圆柱销垂直于圆孔所在的外壳侧面，圆柱销套设有摆杆，摆杆的另一端垂直设置有连接
销，连接销的两端均安装有磁铁，磁铁与圆孔之间设置有间隙，外壳靠近磁铁的内壁设置有
至少两个压电薄膜，压电薄膜的表面均与磁铁相接触。
[0007] 本发明的特点还在于：
[0008] 两个磁铁的同极相对设置，磁铁为圆柱状，磁铁为钕铁硼磁铁。
[0009] 两个电磁感应线圈为铜线圈，且均设置有导线并通过圆孔引出，电磁感应线圈为OA-1/2UEW纯铜聚氨酯漆包线。
[0010] 压电薄膜的上、下表面均粘贴有电极，两个电极均为铜电极、铝电极和导电银浆中的任意一种，两个电极均设置有导线并通过圆孔引出。
[0011] 两个电极的外侧均设置有衬底，衬底为聚酰亚胺薄膜。
[0012] 压电薄膜、电极及衬底均为矩形状，电极的长度和宽度均小于压电薄膜的长度和宽度，压电薄膜的长度小于衬底的长度，压电薄膜的宽度与衬底的宽度相同；压电薄膜设置
为弧形状，且两端均粘贴在外壳内侧；压电薄膜为MEAS压电薄膜。
[0013] 本发明所采用的另一技术方案是，上述单摆式人体运动能量采集器的采集方法，具体按照以下步骤实施：
[0014] 步骤1，制作全波桥式二极管整流电路，全波桥式二极管整流电路包括并联的全波桥式二极管整流电路a和全波桥式二极管整流电路b；
[0015] 步骤2，两个电极的导线均与全波桥式二极管整流电路a的接线端口相连接，电磁感应线圈的导线均与全波桥式二极管整流电路b的接线端口相连接，全波桥式二极管整流
电路a和全波桥式二极管整流电路b的输出端口分别连接有智能可穿戴产品电子器件的输
入端口；
[0016] 步骤3，将微功耗电子器件穿戴在人体手臂或小腿，行走时，手臂或小腿带动摆杆进行摆动，摆杆向外壳一侧摆动时，磁铁靠近外壳一侧的电磁感应线圈，电磁感应线圈切割
磁感线产生正向感应电流，并通过导线将电流传输到全波桥式二极管整流电路b；同时，磁
铁挤压压电薄膜发生形变，并通过电极的导线将电荷传输到全波桥式二极管整流电路a；
[0017] 摆杆向外壳另一侧摆动时，磁铁靠近外壳另一侧的电磁感应线圈，电磁感应线圈切割磁感线产生反向感应电流，并通过导线将电流传输到全波桥式二极管整流电路b；同
时，磁铁挤压压电薄膜发生形变，并通过电极的导线将电荷传输到全波桥式二极管整流电
路a；
[0018] 步骤4，摆杆回到初始位置时，完成一个循环的电能储存，重复步骤3，将人体运动的机械能转换成电能储存在全波桥式二极管整流电路，并给智能可穿戴产品电子器件持续
供电。
[0019] 本发明的特点还在于：
[0020] 全波桥式二极管整流电路a和全波桥式二极管整流电路b的结构相同。
[0021] 本发明的有益效果是：
[0022] 本发明一种单摆式人体运动能量采集器，将压电薄膜和电磁感应线圈均安装在外壳，互不干扰，并通过摆杆的单自由度运动实现压电薄膜和电磁感应线圈的同时运作，采集
能量的方式多样化，也极大地减小了装置体积，且没有污染；本发明一种单摆式人体运动能
量采集器，其摆杆的动作为单摆运动，有效提高了其连贯性和采集器的灵敏性、有效性，且
能持续将人体机械能转化为电能；本发明一种单摆式人体运动能量采集器，结构简单、成本
低，使用寿命长，且能量转化效率高。
附图说明
[0023] 图1是本发明一种单摆式人体运动能量采集器的剖视图；
[0024] 图2是本发明一种单摆式人体运动能量采集器的结构示意图；
[0025] 图3是本发明摆杆的结构示意图；
[0026] 图4是本发明压电薄膜的输出电压波形图；
[0027] 图5是本发明电磁感应线圈的输出电压波形图；
[0028] 图6是本发明全波桥式二极管整流电路图。
[0029] 图中，1.摆杆，2.外壳，3.磁铁，4.连接销，5.电磁感应线圈，6.圆孔，7.圆柱销，8.压电薄膜。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0031] 本发明一种单摆式人体运动能量采集器，如图1、2、3所示，包括空心圆柱状外壳2，外壳2靠近底端的两侧相对设置有两个圆孔6，圆孔6内安装有电磁感应线圈5，外壳2内设置
有圆柱销7，圆柱销7垂直于外壳2底部，圆柱销7套设有摆杆1，摆杆1垂直于外壳2的中心轴，
摆杆1的另一端垂直设置有连接销4，连接销4的两端均安装有磁铁3，磁铁3与圆孔6之间设
置有间隙，外壳2靠近磁铁3的内壁设置有至少两个压电薄膜8，压电薄膜8的表面均与磁铁3
相接触。
[0032] 其中，两个磁铁3的同极相对设置，磁铁3为圆柱状，磁铁3的圆形侧面与外壳2的圆形侧面相平行，磁铁3与圆孔6相匹配，磁铁3为钕铁硼磁铁；两个电磁感应线圈5为铜线圈，
且均设置有导线并通过圆孔6引出，电磁感应线圈5为OA-1/2UEW纯铜聚氨酯漆包线；压电薄
膜8的上、下表面均粘贴有电极，两个电极均为铜电极、铝电极和导电银浆中的任意一种，两
个电极均设置有导线并通过圆孔6引出；两个电极的外侧均设置有衬底，衬底为聚酰亚胺薄
膜。
[0033] 进一步地：
[0034] 压电薄膜8、电极及衬底均为矩形状，电极的长度和宽度均小于压电薄膜8的长度和宽度，压电薄膜8的长度小于衬底的长度，压电薄膜8的宽度与衬底的宽度相同；压电薄膜
8设置为弧形状，且两端均粘贴在外壳2内侧；压电薄膜8为MEAS压电薄膜。
[0035] 本发明一种单摆式人体运动能量采集器中主要部件的作用分别如下：
[0036] 摆杆1：摆杆1在摆动的过程中确保了压电薄膜8的充分形变，使得压电薄膜具有较高的电压输出；
[0037] 电极：其为压电薄膜8的表面电极，用于压电薄膜4产生形变的电荷传输的媒介；
[0038] 衬底：衬底是压电薄膜8的基板，使压电薄膜4在弯曲或释放期间在其整个体积中具有压缩或拉伸应力，提高了施加在压电薄膜8中的有效应变水平，并且在摆杆1回到初始
状态时，将压电薄膜8的形状恢复到原始状态。
[0039] 本发明还涉及一种单摆式人体运动能量采集器的采集方法，具体按照以下步骤实施：
[0040] 步骤1，制作全波桥式二极管整流电路，如图6所示，全波桥式二极管整流电路包括并联的全波桥式二极管整流电路a和全波桥式二极管整流电路b；
[0041] 步骤2，两个电极的导线均与全波桥式二极管整流电路a的接线端口相连接，电磁感应线圈5的导线均与全波桥式二极管整流电路b的接线端口相连接，全波桥式二极管整流
电路a和全波桥式二极管整流电路b的输出端口分别连接有智能可穿戴产品电子器件的输
入端口；
[0042] 步骤3，将微功耗电子器件穿戴在人体手臂或小腿，行走时，手臂或小腿带动所述摆杆1进行摆动，摆杆1向外壳2一侧摆动时，磁铁3靠近外壳2一侧的电磁感应线圈5，电磁感
应线圈5切割磁感线产生正向感应电流，并通过导线将电流传输到全波桥式二极管整流电
路b；同时，磁铁3挤压压电薄膜8发生形变，压电薄膜8的电位逐渐增大，通过电极的导线将
电荷传输到全波桥式二极管整流电路a；当摆杆1摆到外壳2的内壁时正向电位达到最大；
[0043] 由于受到外壳2结构的限制，摆杆1开始向外壳2另一侧摆动，磁铁3靠近外壳2另一侧的电磁感应线圈5，电磁感应线圈5切割磁感线产生反向感应电流，并通过导线将电流传
输到全波桥式二极管整流电路b；同时，磁铁3挤压压电薄膜8发生形变，压电薄膜8电位逐渐
增大，通过电极的导线将电荷传输到全波桥式二极管整流电路a；当摆杆1摆到外壳2的内壁
时正向电位达到最大；
[0044] 步骤4，摆杆1回到初始位置时，完成一个循环的电能储存，重复步骤3，将人体运动的机械能转换成电能储存在全波桥式二极管整流电路，并给智能可穿戴产品电子器件持续
供电。
[0045] 其中，全波桥式二极管整流电路a和全波桥式二极管整流电路b的结构相同，包括线连接的WOB圆桥、CD1H105MC9BEF4E000直插独石电容和直插铝电解电容。
[0046] 全波桥式二极管整流电路的制造方法如下：
[0047] 选取2个接线端、2个WOB圆桥、2个独石电容、2个电解电容及电路板，将其中1个接线端、WOB圆桥、独石电容和电解电容排成一行，均插入电路板的焊锡孔中，采用焊锡方式将
接线端与WOB圆桥并联，再将WOB圆桥与独石电容并联得到全波桥式二极管整流电路a；全波
桥式二极管整流电路b的制作方法同上；最后分别将2个独石电容与电解电容并联起来，其
结构如图6所示。
[0048] 实验验证
[0049] 通过示波器在2Hz的运动频率下检测压电薄膜8、电磁感应线圈5的电学性能，如图4、5所示，结果如表1所示：
[0050] 表1一种单摆式人体运动能量采集器的电学性能
[0051] 最大电压(V) 最小电压(V) 峰值电压(V)
压电薄膜 8.0 -4.0 12.0
电磁感应线圈 0.18 -0.18 0.36
[0052] 由表1可以得出如下结论：
[0053] (1)、示波器测得压电薄膜8及电磁感应线圈5均有明显的电压幅值变化，表明压电薄膜8及电磁感应线圈5均能将人体的机械能转化为电能；
[0054] (2)、压电薄膜8具有明显的峰值变化和较高的输出电压，说明本发明的单摆式人体运动能量采集器具有良好的能量转化效率；
[0055] (3)、通过电磁感应线圈5的电压波形图可知，每次摇摆本发明的单摆式人体运动能量采集器时，电磁感应线圈5输出的最大值、最小值波峰都能保持在一个平稳的范围内，
表明单摆式人体运动能量采集器可持续将人体机械能稳定地转化为电能。
[0056] 综上，本发明一种单摆式人体运动能量采集器将压电薄膜8的瞬态电压高、电磁感应线圈5的电流大功能相结合，兼具高电压和大电流的优势，还具有良好的输出和能量转换
效率。
