CN104218847A - 一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法，本发明压电体采用梁板结构和简支支承方式，通过强迫振动方式实现俘能。首先利用压电效应将强迫振动的机械能转化为交流电信号，然后通过全桥整流电路对交流电信号进行整流，最后利用电容滤波电路实现稳定的直流电输出。本发明还通过设计带有发光二极管和示波器的开关电路，实现对上述俘能过程的定性和定量检测。本发明检测方法简便、准确；俘能方法结构简单、支承稳定，对外界振源的振动频率依赖性弱，在低能耗电子器件的自供能方面有广阔的应用前景。

Description

一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法

技术领域

本发明属于压电俘能方法领域，具体涉及一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法。

背景技术

环境振动的机械能存在范围广，能量密度高，将外界振动能量收集并加以贮存和利用，具有重要的意义。在现有技术条件下，将常见的振动机械能转换为可利用电能(俘能)的方法主要分为电磁转换、静电转换和压电转换三种。电磁转换是基于电磁感应现象，将机械能转化为电能。其方法的主要缺点在于，它所使用的线圈体积大，且输出电压小，效果差。静电转换是在保持电压稳定的情况下，由外力作用改变电容器的电容，从而引起电荷流动，进而输出电流达到俘能的目的。该方法的缺点在于，需要提供一个外界稳压独立电源，在实际应用中有很大局限性。压电俘能是通过外界振动使压电材料受力并发生形变，基于压电材料受力及形变导致材料分子中的正负电荷中心分离的特性，从而产生极化电压，驱动极板上的电荷定向流动输出电能。压电俘能方式具有电力转化性能好、能量密度大、无需外界额外电源、易于微型化的优点，具有广阔的应用前景。

压电俘能利用压电材料的正压电效应，将机械振动能量转换为可利用的电能，这方面已有大量文献和专利报到。在能量转换过程中，一般是利用压电体的结构频率和外界振动频率的关系，通过谐振效应来实现。为适应不同的环境振动频率，压电体结构设计多样乃至繁杂，同时为增大结构变形，大都设计成一端支承另一端自由的悬臂类结构，部分还在自由端悬挂质量块来增强效果。这些方法的缺点，一是结构复杂，制造成本高，二是悬臂结构的稳定性较差。为此，本发明提出一种简支结构，可通过外界强迫振动来进行压电俘能，并能实现定性及定量检测的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有压电俘能和检测技术的不足，采用强迫振动模式，使压电体在非谐振条件下从环境振动中吸收机械能，将其转化为电能并能对转化的各阶段进行检测，最终获得稳定直流电输出。

为了实现上述目的，本发明方法包括发下步骤：

步骤一：构建压电俘能结构；基体材料的两端分别采用简支铰接支承形式与底座相连，基体材料的上表面粘贴压电片，组成梁板式结构体，两根导线分别从基体和压电片表面引出；

步骤二：压电片与振动源直接接触，并随振动源一齐发生强迫振动，振动频率与振动源一致，而与压电片固有频率无关。通过压电片受力和变形时产生的压电效应，将振动机械能转换为电能，并通过引出导线输出；

步骤三：利用整流电路对原始交流信号进行整流，获得直流电信号；

步骤四：利用电容对整流信号进行滤波。其原理是当整流电压高于电容电压时，电容充电；当整流电压低于电容电压时，电容放电，在充放电的过程中，使得输出电压保持基本稳定。电容充放电的计算公式为：

$v_t=v_0+(v_u-v_0)\·[1-e^{-\frac{t}{\mathrm{RC}}}]---\left(1\right)$

式中t为时间，v₀为电容初始电压值，v_u为电容充满时的终止电压，v_t为电容上的输出电压值。当滤波电容满充后，输出电压达到稳定最大值v_u。

步骤五：输出电压检测

(1)、将发光二极管/示波器连接俘能结构产生的原始交流电信号输出端，可测得二极管的亮暗相间闪烁信号及交流电压波形的波动信号；

(2)、将发光二极管/示波器连接整流后的直流电信号输出端，可测得二极管的明暗相间信号及直流电压波形的波动信号；

(3)、将发光二极管/示波器连接经整流和滤波后的稳压直流电信号输出端，可测得二极管的稳定发光信号及直流稳定电压波形信号；

所述的基体材料采用导电性能和延展性好的铜片。

所述的整流电路采用二极管全桥整流电路，整流前后的电压关系为：

u(t)_整流＝|u(t)_原始|。

本发明与已有的压电俘能器件相比，具有如下特点：

1、结构简单，支承稳定。本发明俘能体采用梁板式结构，支承方式采用简支结构。在保证稳定的同时，又保障压电体的有效变形，使其能够随环境振源一齐发生振动，产生压电现象。

2、无需针对环境频率进行结构调整。本发明的俘能器件固有频率与环境的振动频率相关性弱，主要依靠压电体随环境振源一起实现强迫振动，产生正压电效应而输出电信号。

附图说明

图1为本发明的实施流程图；

图2为压电俘能原理图；

图3a为压电俘能结构的主视图；

图3b为压电俘能结构的俯视图；

图3c为压电俘能结构的左视图；

图4为实施例中压电俘能结构的交流电检测波形；

图5为实施例中经整流后的直流电检测波形；

图6为实施例中经滤波后的稳压直流检测波形；

图7为实施例中压电能量转换及检测电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1，本发明方法的实施主要包括以下步骤：

步骤一，构建压电俘能结构；压电俘能原理如图2所示。基体材料1采用导电性能和延展性好的铜片，下部通过简支铰接支承形式与底座相连，上部粘贴PZT-5H压电单晶片，两根导线4分别从压电片2上部和铜片上引出，其具体结构如图3所示。其中，铜片长L₁＝8.0cm，宽S₁＝3.0cm；压电片长L₂＝7cm，宽S₂＝2.5cm；支架之间的距离L₃＝4.2cm。

步骤二：压电片与振动源3直接接触，并随振动源一齐发生强迫振动，振动源为频率50Hz的机械振动。

步骤三，利用整流电路对原始交流信号进行整流。由于振动产生的电信号为电压明显波动的交流电，不适合直接使用或存储。本发明通过全桥电路，先对原始交流信号进行整流，将交流电变成单向直流电，整流电路部分的四个同型号二极管D1、D2、D3和D4按照图7方式接连。

步骤四，利用电容对整流信号进行滤波；将整流后的直流电信号，其电压波动仍然较大，需要通过电容的滤波及储能特性，减小电信号的波动，使得输出电压波动保持在较小范围内，本实施例中所选电容C的值为2200μF，电路连接如图7所示。

步骤五，电输出电压检测。本实施例中，将通过发光二极管和示波器，分别对俘能结构输出的原始交流电信号、整流后的直流电信号，以及经整流和滤波后的稳压直流电信号进行定性和定量检测。发光二极管检测简单方便，可以直观地观察俘能器件是否工作及主要工况；示波器属外接设备，操作麻烦，但可以进行精确测量。检测过程及测试结果如下：

一、原始交流电信号检测。如图7，将开关S₁合向1，S₂合向2，S₆闭合，S₃、S₄、S₅断开。此时观察到发光二极管持续闪烁，可知原始电压信号为方向交替的交流电；从示波器中可观察到，电压信号波形为周期性的交流电信号，其最大值可达9.4V，最小值为-8V。如图4所示。

二、整流后的直流电信号检测。如图7，将开关S₁合向2，S₂合向1，S₅闭合，S₃、S₄、S₆断开。此时观察到发光二极管持续发光，但是光的强度不稳定，出现明暗交替；从示波器中可观察到，原来位于负半周的波形经整流后移到了正半周，电压波动周期和振幅未发生变化，如图5所示。

三、滤波后的稳压直流电信号检测。如图7，将开关S₁合向2，S₂合向2，S₃、S₄闭合，S₅、S₆断开。此时观察到，刚开始时发光二极管并不发光，而示波器显示电压波形稳定，接近于一条直线；随后二极管发光并且亮度持续增加直到平稳，同时电压波形向上平移直到稳定；上述过程大约经过5s时间。稳定后的直流输出电压均值1.53V，如图6。

最后，如图7，将开关S₁合向2，接通压电俘能部分器件；将开关S₂合向2，接通整流部分器件；将开关S₃闭合，接通滤波部分器件；将开关S₄、S₅、S₆断开，断开测试部分器件。即可实现经过俘能-整流-滤波后的直流稳压输出。

Claims (3)

1.一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法,其特征在于：

步骤一：构建压电俘能结构；基体材料的两端分别采用简支铰接支承形式与底座相连，基体材料的上表面粘贴压电片，组成梁板式结构体，两根导线分别从基体和压电片表面引出；

步骤二：压电片与振动源直接接触，并随振动源一齐发生强迫振动，振动频率与振动源一致，而与压电片固有频率无关；通过压电片受力和变形时产生的压电效应，将振动机械能转换为电能，并通过引出导线输出；

步骤三：利用整流电路对原始交流信号进行整流，获得直流电信号；

步骤四：利用电容对整流信号进行滤波；

步骤五：输出电压检测

（1）、将发光二极管/示波器连接俘能结构产生的原始交流电信号输出端，可测得二极管的亮暗相间闪烁信号及交流电压波形的波动信号；

（2）、将发光二极管/示波器连接整流后的直流电信号输出端，可测得二极管的明暗相间信号及直流电压波形的波动信号；

（3）、将发光二极管/示波器连接经整流和滤波后的稳压直流电信号输出端，可测得二极管的稳定发光信号及直流稳定电压波形信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法，其特征在于：所述的基体材料为铜片。

3.根据权利要求1所述的一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法，其特征在于：所述的整流电路采用二极管全桥整流电路，整流前后的电压关系为：

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