CN108712108A - 一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，所述装置包括：金属基座、多个压电能量采集器；所述压电能量采集器包括：金属基板、线性弹簧、金属质量块、压电陶瓷；所述金属基板位于所述金属基座的侧面，且所述金属基板与所述金属基座垂直；所述金属质量块位于所述金属基板的自由端，所述压电陶瓷位于所述金属基板的固定端的上表面和下表面；所述线性弹簧位于相邻两金属质量块之间。本发明中的上述装置能够克服单个压电振动能量采集器工作带宽窄的问题，提高振动能量采集器的能量采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术领域，特别是涉及一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置。
背景技术
压电振动能量采集器是一种将环境中的机械振动能采集并转换成电能的新型机电能量转换器件，可以用于对低功耗电子产品的供电。与线性压电振动能量采集器相比较，双稳态压电振动能量采集器具有更宽的工作频带宽和更高的能量采集效率。但其双稳态输出性能需要较大的外部环境激励强度，当环境激励强度较小，双稳态压电振动能量采集器作阱内的小幅值单稳态振动，这使双稳态压电振动能量采集器的输出大大降低。此外，单个双稳态压电振动能量采集器的工作频带通常无法完全覆盖环境振动中所包含的全部频率成分，当双稳态压电振动能量采集器的工作频率与环境振动频率不一致时，双稳态压电振动能量采集器的输出性能不是很理想。且，目前大部分双稳态压电振动能量采集器都是采用末端磁铁耦合型结构，这种结构在一些特殊环境中难以得到较好的应用，如强磁强环境、人体内部等等。
发明内容
本发明的目的是提供一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，以克服单个压电振动能量采集器工作频带窄的问题，提高振动能量采集的能量采集效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，所述装置包括金属基座和多个间隔设于所述金属基座侧面的压电能量采集器；
所述压电能量采集器包括：金属基板、线性弹簧、金属质量块、压电陶瓷；
所述金属基板的固定端固定于所述金属基座的侧面，且所述金属基板与所述金属基座垂直；所述金属质量块位于所述金属基板的自由端，所述压电陶瓷位于所述金属基板的固定端的上表面和下表面；所述线性弹簧设于相邻两压电能量采集器的所述金属质量块之间。
可选的，所述压电能量采集器通过螺栓固定在位于所述金属基座的侧面中心高度为50mm处。
可选的，所述所有压电能量采集器位于同一水平面上。
可选的，所述金属金属基座的材质为铝合金，尺寸为300×100×10mm3。
可选的，所述金属基板的材质为铝合金，尺寸为80×15×0.1mm3。
可选的，所述金属质量块的材质为铍青铜，尺寸为15×10×5mm3。
可选的，位于所述金属基板上表面的所述压电陶瓷与位于所述金属基板下表面的所述压电陶瓷的尺寸相同、极化方向相反，所述压电陶瓷通过环氧胶粘结在所述金属基板的上表面和下表面。
可选的，所述压电能量采集器具体包括5个，且等间距设置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，通过多个由末端线性弹簧耦合型结构的压电振动能量采集器水平并列固定在金属基座上，形成一个双稳态压电振动能量采集器阵列，多个双悬臂梁压电能量采集器的工作频带串联起来形成一个宽频窗口，可以克服单个线性压电振动能量采集器工作频带窄的问题，以此来提高振动能量采集的能量采集效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例双稳态压电振动能量采集器阵列装置结构示意图；
图2为本发明实施例双稳态压电振动能量采集器阵列装置俯视图；
图3为本发明实施例单个压电能量采集器结构示意图；
图4为本发明实施例双稳态压电振动能量采集器阵列装置与单个线性压电能量采集器的输出性能对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，以克服单个压电振动能量采集器工作频带窄的问题，提高振动能量采集的能量采集效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例双稳态压电振动能量采集器阵列装置结构示意图，如图1所示，所述装置包括：金属基座1、多个压电能量采集器；
所述压电能量采集器2包括：金属基板201、线性弹簧202、金属质量块203、压电陶瓷204；
所述压电陶瓷包括第一压电陶瓷2041、第二压电陶瓷2042；其中，第一压电陶瓷2041与所述第二压电陶瓷2042的尺寸相同、极化方向相反，且通过环氧胶粘结在所述金属基板201的上表面、下表面。
所述金属基板201位于所述金属基座1的侧面，且所述金属基板201与所述金属基座1垂直；所述压电陶瓷204位于所述金属基板201的固定端的上表面和下表面；所述金属质量块203位于所述金属基板201的自由端，所述线性弹簧202位于相邻两金属质量203块之间，所述线性弹簧202的刚度系数可调。
具体通过改变弹簧的粗细来调节刚度大小，调节弹簧的刚度可以改变采集器末端受到的非线性力，事项采集器的双稳态振动。
本发明中的所述压电能量采集器具体包括5个，且等间距设置，因此可以构成一个较宽的工作窗口。
具体的，所述压电能量采集器通过螺栓固定在位于所述金属基座中心高度为H处，H＝50mm。
具体的，所述所有压电能量采集器位于同一水平面上。
具体的，所述金属金属基座的材质为铝合金，尺寸为300×100×10mm3。
具体的，所述金属基板的材质为铝合金，尺寸为80×15×0.1mm3。
具体的，所述金属质量块的材质为铍青铜，尺寸为15×10×5mm3。
本发明中的所述压电能量采集器的材质(如，密度、弹性模量)、长度和宽度完全相同，厚度可以不完全相同，由于厚度可以不完全相同，因此可以保证采集器的谐振频率不完全相同。
具体的，本发明中的所述压电能量采集器包括5个，分别为第一压电能量采集器2、第二压电能量采集器3、第三压电能量采集器4、第四压电能量采集器5、第五压电能量采集器6。
其中，第一压电能量采集器2中的金属基板的尺寸为80×15×0.1mm3，所述第二压电能量采集器3中的金属基板的尺寸为80×15×0.15mm3，所述第三压电能量采集器4中的金属基板的尺寸为80×15×0.25mm3，所述第四压电能量采集器5中的金属基板的尺寸为80×15×0.3mm3。
图2为本发明实施例双稳态压电振动能量采集器阵列装置的俯视图，相邻两压电能量采集器之间的距离为40mm。
第一压电能量采集器2和第五压电能量采集器6是单线性弹簧耦合型双稳态能量采集器；第二压电能量采集器3、第三压电能量采集器4、第四压电能量采集器5是双线性弹簧耦合型双稳态能量采集器；通过改变五个压电能量采集器的结构尺寸(如长度、宽度和厚度)，进而改变每个压电能量采集器的谐振工作频带；通过将五个压电能量采集器的谐振工作频带串联起来可以形成一个较宽的工作窗口，达到拓展能量采集器的工作频带目的；通过调节各能量采集器之间的水平间距和线性弹簧的刚度系数，进而改变悬臂梁压电振荡器末端受到的非线性作用力，使***表现出线性或非线性振荡特性，产生双稳态振动，实现高效的能量采集。
图3为本发明实施例单个压电能量采集器结构示意图，如图3和表1所示表1为本发明实施例第一压电能量采集器至第五压电能量采集器的尺寸参数，其中L表示金属基板的长度，Lp为压电陶瓷的长度，b为金属基板的宽度，hp为压电陶瓷的厚度，hs为金属基板的厚度。
表1 单位(mm)
| L | Lp | b | hs | hp | |
| 第一采集器 | 80 | 12 | 15 | 0.10 | 0.5 |
| 第二采集器 | 80 | 12 | 15 | 0.15 | 0.5 |
| 第三采集器 | 80 | 12 | 15 | 0.20 | 0.5 |
| 第四采集器 | 80 | 12 | 15 | 0.25 | 0.5 |
| 第五采集器 | 80 | 12 | 15 | 0.30 | 0.5 |
图4为本发明实施例双稳态压电振动能量采集器阵列装置与单个线性压电能量采集器的输出性能对比图；如图3所示所述双稳态压电振动能量采集器阵列装置的工作频带，较单个线性采集器的工作频带有很大的拓展，且出现了明显的跳跃现象。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，其特征在于，所述装置包括金属基座和多个间隔设于所述金属基座侧面的压电能量采集器；
所述压电能量采集器包括：金属基板、线性弹簧、金属质量块、压电陶瓷；
所述金属基板的固定端固定于所述金属基座的侧面，且所述金属基板与所述金属基座垂直；所述金属质量块位于所述金属基板的自由端，所述压电陶瓷位于所述金属基板的固定端的上表面和下表面；所述线性弹簧设于相邻两压电能量采集器的所述金属质量块之间。
2.根据权利要求1所述的一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，其特征在于，所述压电能量采集器通过螺栓固定在位于所述金属基座的侧面中心高度为50mm处。
3.根据权利要求1所述的一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，其特征在于，所述所有压电能量采集器位于同一水平面上。
4.根据权利要求1所述的一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，其特征在于，所述金属金属基座的材质为铝合金，尺寸为300×100×10mm3。
5.根据权利要求1所述的一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，其特征在于，所述金属基板的材质为铝合金，尺寸为80×15×0.1mm3。
6.根据权利要求1所述的一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，其特征在于，所述金属质量块的材质为铍青铜，尺寸为15×10×5mm3。
7.根据权利要求1所述的一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，其特征在于，位于所述金属基板上表面的所述压电陶瓷与位于所述金属基板下表面的所述压电陶瓷的尺寸相同、极化方向相反，所述压电陶瓷通过环氧胶粘结在所述金属基板的上表面和下表面。
8.根据权利要求1所述的一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置，其特征在于，所述压电能量采集器具体包括5个，且等间距设置。
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