CN109495012A - 外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器，其结构是在基座设有高、矮两个立柱，高立柱分别固定有长、短两个悬臂梁，短悬臂梁位于长悬臂梁之上。长悬臂梁的上下端面对应设有两层PZT压电陶瓷，上下两个弹性球分别与上下两层压电陶瓷贴合。长悬臂梁的自由端以及矮立柱上部均设有永磁体，压电陶瓷设有导线用于将电信号传出。两个永磁体水平对中放置，同性磁极相对，并且两个永磁体之间的距离能够使长悬臂梁处于双稳状态。PZT压电陶瓷同时以两种模式工作，可增大输出电压，增强电能输出效果。尤其当在小强度激励下悬臂梁处于某一个势阱中工作时，借助弹性球的碰撞，可使***容易产生跃迁，有利于增强振动能量采集效果。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电，具体涉及一种将振动能量转换为电能的装置。
技术背景
近年来，微加工技术和微电子技术迅速进展，推动了无线传感、数据传输和微型医疗设备的发展，这些设备都需要为其提供电能。电池电源具有体积大、寿命有限、更换周期短的缺陷，难以满足设备微型化和长期不间断供电的需求。
环境中的振动无处不在，例如人体走路时的振动、汽车的振动、机器运转产生的振动等，这些振动均具有一定的能量。振动能量采集器就是一种可以将振动能转化为电能的装置，并且振动能量采集器相对于传统电池具有可自我维持供能、寿命长、适用范围广等优点。
压电式振动能量采集器利用材料的压电效应产生电能，压电晶体受到外界振动力的作用可引起内部电荷的流动，从而可以产生电信号或输出电能。例如PZT压电陶瓷具有(d31和d33)两种工作模式。d31模式是指外力作用方向正交于压电材料极化后产生的电场方向；d33模式是指外力的作用方向和产生的电场均沿着同一方向。由于d33模式的压电常数约为d31模式压电常数的两倍，因此在相同作用力下，d33模式的电能输出效果要比d31模式强。
悬臂梁作为工程中常见接收或产生振动的结构，可以产生最大的柔顺系数和挠度，具有较宽的动态范围和较低的谐振频率，并且拥有高灵敏度、低结构刚度、易加工等优点，所以悬臂梁结构成为压电式振动能量采集器的首选结构。
目前压电式悬臂梁振动能量采集器一般由基座、悬臂梁、PZT压电陶瓷、质量块、外部采集电路构成。悬臂梁固定在基座上，PZT压电陶瓷贴在悬臂梁的上下两面并与外部采集电路相连，质量块固定在悬臂梁的自由端用来降低结构的固有频率。常规非线性双稳压电式悬臂梁振动能量采集器将传统的线性压电式悬臂梁自由端的质量块用永磁体替代，同时在基座上也固定一块相同的永磁体，两块永磁体同性磁极相对，使二者相互排斥。通过调节两永磁体的间距可使悬臂梁处于双稳状态，即悬臂梁会在两个稳态势阱中来回振荡。常规非线性双稳压电式悬臂梁能量采集器虽然引入了非线性力，克服了(传统的线性压电式悬臂梁能量采集器)吸收能量频带范围窄的缺点，但其存在的问题是：(1)只利用了前述d31工作模式，电能输出相对较小；(2)在小强度激励下，由于激励力小于两永磁体间的排斥力，悬臂梁会在某一势阱中无法跃迁，影响机电能量转化效果。
发明内容
为了克服上述所存在的缺陷，本发明提出了一种外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器。
本发明的技术原理与方案是：外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器包括：基座、长短悬臂梁、上下层PZT压电陶瓷、弹簧、弹性绳、两个弹性球、两个永磁体、以及导线等。基座设有高、矮两个立柱，高立柱上下分别固定有长、短两个悬臂梁，短悬臂梁位于长悬臂梁之上。长悬臂梁的上下端面对应设有上下两层PZT压电陶瓷，上下两个弹性球分别与上下两层PZT压电陶瓷贴合。长悬臂梁的自由端设有第一永磁体，矮立柱上部设有第二永磁体，两层PZT压电陶瓷分别设有导线用于将电信号传出。
两个永磁体水平对中放置，同性磁极相对，并且两个永磁体之间的距离能够使长悬臂梁处于双稳状态。
两个弹性球可以激发PZT压电陶瓷作用力方向正交于压电材料极化后产生的电场方向；同时也可以激发PZT压电陶瓷作用力方向和产生的电场均沿着同一方向。
即：当悬臂梁振动时，一方面悬臂梁弯曲产生表面横向作用力，用以激发PZT压电陶瓷外力作用方向正交于压电材料极化后产生的电场方向(简称d31模式)；另一方面弹性球与PZT压电陶瓷的碰撞产生垂直于梁表面作用力，用以激发PZT压电陶瓷外力的作用方向和产生的电场均沿着同一方向(简称d33模式)。根据压电材料的压电效应，PZT压电陶瓷在两个模式状态工作时会引起其内部电荷的流动，从而产生电信号和输出电能。再通过整流和稳压电路，便可进行电能的输出和储存。弹性球可增大悬臂梁在小强度激励下跃迁的机率，从而增强振动能量采集效果。
本发明的特点和有益的效果在于：(1)PZT压电陶瓷同时以两种模式工作，可增大输出电压，增强电能输出效果。(2)当在小强度激励下悬臂梁处于某一个势阱中工作时，借助弹性球的碰撞，可使***容易产生跃迁，有利于增强振动能量采集效果。
附图说明
附图1为本发明的结构原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。需要说明的是，尽管说明书附图对实施例进行了描述，但是本发明并不局限于所述的具体实施方式，实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以改变各组成部分的材料和尺寸参数，这些均属于本发明的保护范围之内。
本发明在常规非线性双稳压电式悬臂梁振动能量采集器的基础上外加了弹性球部分，其技术结构是：基座设有高、矮两个立柱，高立柱1-1上下分别固定有长、短两个悬臂梁，悬臂梁一端固定，另一端悬空，悬空的一端也称为自由端。短悬臂梁2-1位于长悬臂梁2-2之上。长悬臂梁的上下端面对应设有上下两层PZT压电陶瓷，上下两个弹性球分别与上下两层PZT压电陶瓷贴合。长悬臂梁的自由端设有第一永磁体3-1，矮立柱1-2上部设有第二永磁体3-2，两层PZT压电陶瓷分别设有导线4用于将电信号传出。
上部弹性球5-1通过弹性绳6贴合于上层PZT压电陶瓷7-1，弹性绳的一端与短悬臂梁自由端固定；另一端与上部弹性球固定。
下部弹性球5-2通过弹簧8支撑贴合于下层PZT压电陶瓷7-2，弹簧的一端与下部弹性球固定；另一端与基座底端固定。
上层PZT压电陶瓷的初始状态与上部弹性球处于临界贴合接触，下层PZT压电陶瓷的初始状态与下部弹性球亦处于临界贴合接触。
第一永磁体与第二永磁体水平对中放置，同性磁极相对，并且两个永磁体之间的距离能够使长悬臂梁处于双稳状态。
两个弹性球可以激发PZT压电陶瓷作用力方向正交于压电材料极化后产生的电场方向；同时也可以激发PZT压电陶瓷作用力方向和产生的电场均沿着同一方向。
上部弹性球与短悬臂梁通过弹性绳相连接；下部弹性球与基座通过弹簧相连接。上层PZT压电陶瓷和下层PZT压电陶瓷以胶接的形式固定在长悬臂梁的上下两侧。两根导线通过焊锡焊接在上下层PZT压电陶瓷上，并与外部采集电路相连。短悬臂梁和长悬臂梁与基座的连接方式为沟槽连接，两个永磁铁体积大小相同，并且均以胶接的形式固定在长悬臂梁的自由端以及基座矮立柱的上部，同性磁极相对。第一永磁体的S极在左、N极在右；第二永磁体粘贴在基座右侧的矮立柱上，永磁体的N极在左、S极在右。
作为优选实施例，主要组成部分的材料与尺寸参数是：短悬臂梁、长悬臂梁材料为高弹性的矽钢；短悬臂梁尺寸参数为：长21mm(包括固定在基座内部长度4mm)，宽6mm，厚0.2mm。长悬臂梁尺寸参数为：长(包括固定在基座内部长度4mm)58mm，宽6mm，厚0.2mm。
上下层PZT压电陶瓷的材料为PZT-5A，尺寸参数为：长43mm，宽6mm，厚0.3mm。
永磁铁的材料为铁氧体磁铁，尺寸参数为：6mm，宽6mm，高6mm。
弹性球的材料为合成橡胶，其直径为6mm；弹性绳的内心材料为乳胶丝，外层材料为涤纶，其直径为1mm，长20mm(不包括与弹性球和上悬臂梁连接的长度)。
弹簧的材料为碳素弹簧钢，弹簧丝直径为1mm，弹簧中径为6mm，弹簧圈数为10圈。
Claims (6)
1.外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器，包括基座、长短悬臂梁、上下层PZT压电陶瓷、弹簧、弹性绳、两个弹性球、两个永磁体、以及导线，其特征是：基座设有高、矮两个立柱，高立柱(1-1)上下分别固定有长、短两个悬臂梁，短悬臂梁(2-1)位于长悬臂梁(2-2)之上，长悬臂梁的上下端面对应设有上下两层PZT压电陶瓷，上下两个弹性球分别与上下两层PZT压电陶瓷贴合，长悬臂梁的自由端设有第一永磁体(3-1)，矮立柱(1-2)上部设有第二永磁体(3-2)，两层PZT压电陶瓷分别设有导线(4)用于将电信号传出。
2.根据权利要求1所述的外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器，其特征是：所述上部弹性球(5-1)通过弹性绳(6)贴合于所述的上层PZT压电陶瓷(7-1)，弹性绳的一端与所述短悬臂梁自由端固定；另一端与上部弹性球固定。
3.根据权利要求1所述的外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器，其特征是：所述下部弹性球(5-2)通过弹簧(8)支撑贴合于所述下层PZT压电陶瓷(7-2)，弹簧的一端与下部弹性球固定；另一端与所述基座底端固定。
4.根据权利要求1所述的外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器，其特征是：所述上层PZT压电陶瓷的初始状态与所述上部弹性球处于临界贴合接触，下层PZT压电陶瓷的初始状态与所述下部弹性球亦处于临界贴合接触。
5.根据权利要求1所述的外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器，其特征是：所述第一永磁体与第二永磁体水平对中放置，同性磁极相对，并且两个永磁体之间的距离能够使所述长悬臂梁处于双稳状态。
6.根据权利要求1所述的外加弹性球的双稳压电式悬臂梁振动能量采集器，其特征是：所述两个弹性球可以激发PZT压电陶瓷作用力方向正交于压电材料极化后产生的电场方向；同时也可以激发PZT压电陶瓷作用力方向和产生的电场均沿着同一方向。
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