CN107707155B - 一种超宽带高能效压电振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，用于解决现有技术存在的当外界振动频率不稳定时能量转化效率低的技术问题，包括支架和振荡体，振荡体包括低频振荡体和高频振荡体，支架由自上而下依次层叠的顶部支架、中间支架和底部支架组成，该三个支架均采用带有贯穿上下端面腔体的立体结构；低频振荡体包括夹持在中间支架和底部支架之间的低频簧片，固定在低频簧片中心承载段的低频质量块和粘贴在低频簧片悬臂梁上的低频悬臂梁模块；高频振荡体包括夹持在顶部支架和中间支架之间的高频簧片，固定在高频簧片中心承载段的高频质量块和粘贴在高频簧片双悬臂梁上的高频悬臂梁模块；低频质量块和高频簧片之间通过至少三个压缩弹簧连接。
Description
技术领域
本发明属于能量收集技术领域，涉及一种压电振动能量收集装置，具体涉及一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，可用于对频率不稳定的外界振动能量的收集。
技术背景
随着无线传感器网络技术的飞速发展及广泛应用，解决对微机电***的供能问题越来越显得重要。目前，化学电池仍然是主要的供电方式，利用传统的化学电池供电将面临着电池容量有限无法持续供电、更换维护麻烦及废旧电池污染环境等不利因素。机械能是一种在自然界中广泛存在的能源，利用能量收集器把未被利用的机械能转化为电能，理论上能解决对微机电***的永久供电问题，节省人工维护成本。
机械能能量收集器根据转化原理的不同，可以分为电磁式、静电式和压电式三类。电磁式能量收集器利用法拉第电磁感应定律，振动时磁体和线圈之间发生相对运动，从而产生感应电动势；静电式能量收集器受到外界振动激励时，两个传导板产生相对位移，传导板正对面积减小，从而把机械能转化为电能；压电式能量收集器利用了压电材料的正压电效应把振动能量转化为电能。与电磁式和静电式相比，压电式能产生更高的能量密度并且能更好地与微***集成，因而采用压电式能量收集器具有较高的应用价值和前景。
压电式能量收集器，包括支架、弹性基板、压电片、质量块和两个电极。弹性基板的一端被固定在支架上，另一端自由端设置有质量块，用于调整压电能量收集装置自身的谐振频率，以匹配振动能量的峰值频率，进而让结构产生大幅振荡。其中压电片均匀的粘贴在弹性基板上表面，当弹性基板受迫振动时，压电片随之发生形变，根据正压电效应在压电片表面就会有电荷输出，焊接在压电片上表面和弹性基板下表面的两个电极将压电片表面的电荷输出给后端电能存储或用电器设备。例如：申请公开号为CN103346252A，名称为“基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器”的专利申请，公开了基于PZT压电梁阵列的MEMS振动能量收集器。该器件由多个PZT压电梁、一个质量块和外框组成。每个PZT压电梁包括硅基底、下电极、PZT压电膜和上电极。这些压电梁的一端固定在外框上，另一端共用一个质量块，压电梁沿宽度方向排成一列，各梁之间有一定间隙。PZT压电梁通过金属线串联连接，电流由两个焊点输出。在外界激励的驱动下，悬臂梁发生受迫振动，并且致使压电片发生形变产生电流，从而实现机械能向电能的转换。该发明结构简单，易于实现，但由于采用单一谐振频率的PZT压电梁，只能收集频率宽度小的振动能量，因此具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术现有的缺陷，提出了一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，用于解决现有技术存在的当外界振动频率不稳定时能量转化效率低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，包括支架和振荡体，其特征在于：
所述支架，由自上而下依次层叠的顶部支架1a、中间支架1b和底部支架1c组成，该三个支架均采用带有贯穿上下端面腔体的立体结构；
所述振荡体包括低频振荡体2和高频振荡体3：
所述低频振荡体2，包括低频质量块21、低频簧片22和低频悬臂梁模块23；所述低频簧片22由中心承载段、周边固定段和连接承载段与固定段的三个以上悬臂梁组成，所述三个以上悬臂梁关于簧片中心旋转对称且均匀分布，所述低频悬臂梁模块23粘贴在悬臂梁上；
所述高频振荡体3，包括高频质量块31、高频簧片32和高频悬臂梁模块33；所述高频簧片32由中心承载段、周边固定段和连接承载段与固定段的三个以上双悬臂梁组成，所述三个以上双悬臂梁关于簧片中心旋转对称且均匀分布，所述高频悬臂梁模块33粘贴在双悬臂梁上；
所述低频簧片22的周边固定段夹持在中间支架1b和底部支架1c之间，低频质量块21固定在低频簧片22的中心承载段上，高频簧片32的周边固定段夹持在顶部支架1a和中间支架1b之间，高频质量块31固定在高频簧片32的中心承载段上，低频质量块21和高频簧片32之间通过至少三个压缩弹簧4连接。
上述一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，所述低频悬臂梁模块23和高频悬臂梁模块33，均由压电片和粘贴在压电片两个侧面的电极复合而成。
上述一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，所述压电片采用钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，所述电极采用石墨烯。
上述一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，所述低频振荡体2，其上沿垂直于低频簧片22板面方向设置有贯穿低频质量块21和低频簧片22的多个菱形通孔，组成通孔阵列，用以减少滑膜阻尼。
上述一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，所述高频振荡体3，其上沿垂直于高频簧片32板面方向设置有贯穿高频质量块31和高频簧片32的多个圆形通孔，组成通孔阵列，用以减少压膜阻尼。
上述一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，所述悬臂梁为曲梁，用以通过降低低频振荡体2的谐振频率，实现对环境振动谐振频率的匹配。
上述一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，所述双悬臂梁为双直梁，用以提高高频振荡体3结构的稳定性。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1)本发明由于低频质量块与高频簧片之间通过压缩弹簧连接，压缩弹簧能够将低频振荡体产生的机械能耦合到高频振荡体上，同时低频簧片上设置有降低低频振荡体谐振频率的三个以上悬臂梁，避免了现有技术仅能收集频率宽度小的振动能量的缺陷，有效地拓宽了工作环境收集能量的频带宽度。
2)本发明由于低频振荡体上设置有贯穿低频质量块和低频簧片的多个菱形通孔，同时高频振荡体设置有贯穿高频质量块和高频簧片的多个圆形通孔，减小了因为压膜阻尼和滑膜阻尼造成的功率损耗，提高了能量的转化效率。
3)本发明由于压电片采用了压电系数较高且绿色环保的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，保护环境，电极采用了导电性能良好的石墨烯，减少了不必要的功率损耗，进一步提高了能量的转化效率。
4)本发明由于高频簧片上设置有连接承载段与固定段的三个以上双悬臂梁，提高了高频振荡体结构的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例的顶部支架结构示意图。
图3为本发明实施例的低频振荡体结构示意图。
图4为本发明实施例的高频振荡体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
参照图1，一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，包括支架和振荡体，其中：支架，由自上而下依次层叠的顶部支架1a、中间支架1b和底部支架1c组成。参照图2，该三个支架均采用立方体结构，各立方体上设置有贯穿上下端面的腔体，本实例中支架1采用亚克力板材料定制的结构。振荡体包括低频振荡体和高频振荡体；低频振荡体2，包括低频质量块21、低频簧片22和低频悬臂梁模块23；高频振荡体3，包括高频质量块31、高频簧片32和高频悬臂梁模块33；压缩弹簧4均匀分布在方形低频质量块的四个角。
参照图3，低频簧片22由中心承载段、周边固定段和连接承载段与固定段的四个悬臂梁组成，为了使低频簧片22受迫振动时具有较大的形变，本实例中低频簧片22材料采用6063铝合金板材。通过在板材上设置四个关于低频簧片22中心旋转对称且均匀排布的第一缺口，使得相邻第一缺口之间形成关于簧片中心旋转对称且均匀分布的悬臂梁。为了降低低频振荡体的谐振频率以匹配环境激励的谐振频率，本实例中，低频振荡体2的悬臂梁选用S形曲梁。低频质量块21固定在低频簧片22的中心承载段，且低频质量块21的截面与低频簧片22中心承载段的形状一致，为了节省空间，低频质量块23采用密度较大的镍。低频悬臂梁模块23是由固定在悬臂梁上的压电片和粘贴在压电片两个侧面的电极复合而成。为了提高能量收集装置的收集效率，压电片采用压电系数d33较高的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷；为了减少不必要的功率损耗，电极材料采用导电性能良好的石墨烯，并用导电性能良好、电阻率低的铜线接入外电路中。低频悬臂梁模块23可以粘贴在悬臂梁的上表面、下表面或上下表面均粘贴，为了降低低频振荡体2的谐振频率，本实例中采用悬臂梁的上表面粘贴一个低频悬臂梁模块23，形成单晶压电阵子。由于低频振荡体2与高频振荡体3间隔较小，振荡过程中其间的气体就会表现出阻尼效应，对于低频振荡体2，其振动频率较低，更多地受到滑膜阻尼的影响。沿垂直于低频簧片22板面方向，低频振荡体2上设置有贯穿低频质量块21和低频簧片22的多个菱形通孔，组成通孔阵列，用以减少滑膜阻尼，提高能量收集装置的收集效率。为了方便压缩弹簧4的固定，低频质量块23顶部与压缩弹簧4的各个连接处开有圆柱形凹槽，凹槽位置需精准控制，凹槽半径与压缩弹簧4的外径大小相等。
参照图4，高频簧片32由中心承载段、周边固定段和连接承载段与固定段的四个双悬臂梁组成，本实例中高频簧片32采用磷青铜板材。通过在板材上设置四个关于高频簧片32中心旋转对称且均匀排布的第二缺口，相邻第二缺口之间设置有第三缺口，使得各第三缺口与其相邻的第二缺口之间形成关于簧片中心旋转对称且均匀分布的双悬臂梁。为了保证高频振荡体3工作时结构的稳定性，本实例中，高频振荡体3的悬臂梁选用双直梁。高频质量块31固定在高频簧片32的中心承载段，且高频质量块31的截面与高频簧片32中心承载段的形状一致，本实例中，高频质量块31采用硅，用以调整高频振荡体3的谐振频率。高频悬臂梁模块33是由固定在双悬臂梁上的压电片和粘贴在压电片两个侧面的电极复合而成。为了提高能量收集器的收集效率，压电片采用压电系数较高的钛酸铋钠基无铅压电陶瓷；为了减少不必要的功率损耗，电极材料采用导电性能良好的石墨烯，并用导电性能良好、电阻率低的铜线接入外电路中。高频悬臂梁模块33可以粘贴在悬臂梁的上表面、下表面或上下表面均粘贴，为了提高高频振荡体3的输出功率，本实例中采用悬臂梁的上表面和下表面均粘贴一个高频悬臂梁模块33，形成双晶压电阵子。由于低频振荡体2与高频振荡体3间隔较小，振荡过程中其间的气体就会表现出阻尼效应，对于高频振荡体3，其振动频率较高，更多地受到压膜阻尼的影响。沿垂直于高频簧片32板面方向，高频振荡体2上设置有贯穿高频质量块31和高频簧片32的圆形通孔，组成通孔阵列，用以减少压膜阻尼，提高能量收集装置的收集效率。为了方便压缩弹簧4的固定，高频簧片32底部与压缩弹簧4连接处粘贴贴有圆柱形凸片，凸片位置需精准控制，凸片的半径与压缩弹簧4的内径大小相等。
本实例中，将低频质量块21运用AB胶固定在低频簧片22中心位置，将低频悬臂梁模块23运用AB胶固定在低频簧片22的悬臂梁上，此时完成对低频振荡体的组装。将高频质量块31运用AB胶固定在高频簧片32中心位置，将高频悬臂梁模块33运用AB胶固定在高频簧片32的悬臂梁上，此时完成对高频振荡体的组装。将低频簧片22的周边通过AB胶夹持在中心支架12和底部支架13之间，在低频质量块21顶部的凹槽处装上压缩弹簧。然后，将高频簧片32的周边通过AB胶固定在中心支架12上，需要注意的是注意把粘贴在高频簧片32的凸片与压缩弹簧对准。最后，通过AB胶把高频簧片32与顶部支架牢固地粘贴在一起。为了更好地传递机械能，本实例中，低频质量块21和高频质量块31沿垂直于板面方向的中轴线重合。
本发明工作原理如下：
在受到垂直于低频簧片22和高频簧片32板面方向的环境低频振动的激励下，低频簧片22和高频簧片32产生偏离平衡位置的振动。由于低频振荡体2与环境振动匹配，因而与高频簧片32相比，低频簧片22将产生更大幅值的形变。压缩弹簧4可作为能量缓冲器，将低频振荡体2的振动能存储为势能，并释放给高频振荡体3，使得高频簧片32形变增大，从而实现了频率升频转换的效果。同时由于低频振荡体2与高频振荡体3的耦合作用，拓宽了各自收集能量的频带宽度。最后，低频悬臂梁模块23和高频悬臂梁模块33分别发生形变产生电能，并通过导线将电能输出到外电路。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，包括支架和振荡体，其特征在于：
所述支架，由自上而下依次层叠的顶部支架(1a)、中间支架(1b)和底部支架(1c)组成，该三个支架均采用带有贯穿上下端面腔体的立体结构；
所述振荡体包括低频振荡体(2)和高频振荡体(3)：
所述低频振荡体(2)，包括低频质量块(21)、低频簧片(22)和低频悬臂梁模块(23)；所述低频簧片(22)由中心承载段、周边固定段和连接承载段与固定段的三个以上悬臂梁组成，所述三个以上悬臂梁关于簧片中心旋转对称且均匀分布，所述低频悬臂梁模块(23)粘贴在悬臂梁上；
所述高频振荡体(3)，包括高频质量块(31)、高频簧片(32)和高频悬臂梁模块(33)；所述高频簧片(32)由中心承载段、周边固定段和连接承载段与固定段的三个以上双悬臂梁组成，所述三个以上双悬臂梁关于簧片中心旋转对称且均匀分布，所述高频悬臂梁模块(33)粘贴在双悬臂梁上；
所述低频簧片(22)的周边固定段夹持在中间支架(1b)和底部支架(1c)之间，低频质量块(21)固定在低频簧片(22)的中心承载段上，高频簧片(32)的周边固定段夹持在顶部支架(1a)和中间支架(1b)之间，高频质量块(31)固定在高频簧片(32)的中心承载段上，低频质量块(21)和高频簧片(32)之间通过至少三个压缩弹簧(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，其特征在于，所述低频悬臂梁模块(23)和高频悬臂梁模块(33)，均由压电片和粘贴在压电片两个侧面的电极复合而成。
3.根据权利要求2所述的一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片采用钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，所述电极采用石墨烯。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，其特征在于，所述低频振荡体(2)，其上沿垂直于低频簧片(22)板面方向设置有贯穿低频质量块(21)和低频簧片(22)的多个菱形通孔，组成通孔阵列，用以减少滑膜阻尼。
5.根据权利要求1所述的一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，其特征在于，所述高频振荡体(3)，其上沿垂直于高频簧片(32)板面方向设置有贯穿高频质量块(31)和高频簧片(32)的多个圆形通孔，组成通孔阵列，用以减少压膜阻尼。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁为曲梁，用以通过降低低频振荡体(2)的谐振频率，实现对环境振动谐振频率的匹配。
7.根据权利要求1所述的一种超宽带高能效压电振动能量收集装置，其特征在于，所述双悬臂梁为双直梁，用以提高高频振荡体(3)结构的稳定性。
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