CN110649836A - 一种全向宽频带大功率的纵向阵列式俘能装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种全向宽频带大功率的纵向阵列式俘能装置，包括装置外壳和纵向阵列非线性简支板压电梁，所述纵向阵列非线性简支板压电梁组设置有若干组，所述装置外壳内表面的左右两侧均固定连接有夹持组件，所述纵向阵列非线性简支板压电梁的一端与夹持组件相连接，所述纵向阵列非线性简支板压电梁组呈现交叉形式排布。本发明通过装置外壳、非线性质量部、夹持组件、L型连接板、T型连接板、压电片和压电梁的配合，实现了采集频带宽，环境适应能力强且低频率低振幅振动环境下全方向能量采集，该压电振动俘能装置主要用于微电子、无线网络等领域，具有装置结构空间体积小、结构简单、成本低廉、压电梁刚度小、输出功率大，使用寿命长，工作稳定等优点。
Description
技术领域
本发明属于压电振动能量俘获技术领域，具体涉及一种纵向阵列式和全向宽频带大功率的压电俘能装置。
背景技术
随着微电子、无线网络、MEMS等低耗能产品的应用迅速发展，传统的以化学电池为其主要的供能方式存在质量大，体积大，供能寿命有限，污染环境等弊端，且长期工作需要更换电池，否则可能会引起数据丢失或数据损坏等局限性。振动能量在我们日常生活中无处不在，且压电振动能量俘获装置具有寿命长、输出能量密度大等优势，压电材料制成的振动俘能器具有结构简单易于加工、无需外部电源、便于实现小型化和集成化等诸多优点，因此振动能量采集技术具有广阔前景，成为国内外学者研究热点。
国内外学者针对压电能量俘能器的研究,更多的是对于压电双晶悬臂梁型结构的探究,这种结构往往工作频带较窄、能量采集效率较低，因此实现宽频带、低幅振动全向高效采集的功能是我们发明装置的改进重点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种全向宽频带大功率的纵向阵列式俘能装置，具备结构紧凑、刚度小、拓宽频带和低幅振动全向高效采集等优点，解决了现有的振动俘能器存在的结构空间体积较大、能量密度低、采集带宽小、采集维度单一和低振幅环境下能量采集效率低等问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种全向宽频带大功率的纵向阵列式俘能装置，包括装置外壳和纵向阵列非线性简支板压电梁组，所述纵向阵列非线性简支板压电梁组设置有若干组，所述装置外壳内表面的左右两侧均固定连接有夹持组件，所述纵向阵列非线性简支板压电梁的一端与夹持组件相连接，所述纵向阵列非线性简支板压电梁组呈现交叉形式排布，所述置外壳为方形透明壳体，且采用亚克力材料；
所述纵向阵列非线性简支板压电梁组包括顶部阵列简支板压电梁、中间阵列简支板压电梁、底部阵列简支板压电梁、L型连接板、T型连接板和非线性质量部，所述顶部阵列简支板压电梁、中间阵列简支板压电梁、底部阵列简支板压电梁均包括压电片和压电梁，且组成部件、材质、数量均相同；
所述顶部阵列简支板压电梁、中间阵列简支板压电梁、底部阵列简支板压电梁的一端均完全固定在夹持组件之间，顶部阵列简支板压电梁、底部阵列简支板压电梁的另一端连接L型连接板的一端，且与顶部位置和底部位置的压电梁的连接方式为铰接，与中间位置的压电梁的连接方式为滑槽连接，中间阵列简支板压电梁的另一端与T型连接板的一端相连接，且与顶部位置和底部位置的压电梁连接方式为铰接，与中间位置压电梁连接方式为滑槽连接。
进一步的，所述非线性质量部包括弹簧、主质量块和副质量块，所述主质量块通过胶水粘结于L型连接板的一侧，所述副质量块为方形，且相邻副质量块之间采用弹簧连接，相邻副质量块与L型连接板、T型连接板之间用弹簧连接，所述主质量块每个均2克，副质量块每个均1.5克。
进一步的，所述夹持组件包括螺栓紧固件和夹板，所述螺栓紧固件设置有若干组，且螺栓紧固件依次贯穿活动连接夹板，所述螺栓紧固件均采用标准件，夹板采用亚克力材料，且尺寸可根据实际应用需求进行选取。
进一步的，所述压电片采用PZT-5H压电陶瓷片，结构尺寸为40×15×0.2mm，所述压电片的两极面均焊接有导线，所述压电梁采用H60黄铜片材料，结构尺寸为50×15×0.2mm，所述压电片通过导电胶水粘结于压电梁上表面。
本发明的有益效果如下。
1、本发明结构空间体积小、结构简单、成本低廉、易于加工、压电梁刚度小、输出功率大。
2、本发明可实现低频率低振幅振动环境下全方向能量采集。
3、本发明装置采集频带宽，环境适应能力强。
4、本发明装置使用寿命长，工作稳定可靠。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构仰视图；
图3为本发明的纵向阵列非线性简支板压电梁组示意图；
图4为本发明的纵向阵列非线性简支板压电梁组仰视图；
图5为本发明的顶部阵列简支板压电梁半剖示意图。
图中：1装置外壳，2纵向阵列非线性简支板压电梁组，3夹持组件，4顶部阵列简支板压电梁，5中间阵列简支板压电梁，6底部阵列简支板压电梁，7L型连接板，8T型连接板，9非线性质量部，10主质量块，11弹簧，12副质量块，13螺栓紧固件，14夹板，15压电片，16压电梁，17铰接，18滑槽连接。
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。
如图1-5所示，本发明的具体实施方式包括：一种全向宽频带大功率的纵向阵列式俘能装置，包括装置外壳1和纵向阵列非线性简支板压电梁组2，纵向阵列非线性简支板压电梁组2设置有若干组，装置外壳1内表面的左右两侧均固定连接有夹持组件3，纵向阵列非线性简支板压电梁组2的一端与夹持组件3相连接，纵向阵列非线性简支板压电梁组2呈现交叉形式排布，置外壳为方形透明壳体，且采用亚克力材料；
纵向阵列非线性简支板压电梁组2包括夹持组件3、顶部阵列简支板压电梁4、中间阵列简支板压电梁5、底部阵列简支板压电梁6、L型连接板7、T型连接板8和非线性质量部9，顶部阵列简支板压电梁4、中间阵列简支板压电梁5、底部阵列简支板压电梁6均包括压电片15和压电梁16，且组成部件、材质、数量均相同；
顶部阵列简支板压电梁4、中间阵列简支板压电梁5、底部阵列简支板压电梁6的一端均完全固定在夹持组件3之间，顶部阵列简支板压电梁4、底部阵列简支板压电梁6的另一端连接L型连接板7的一端，且与顶部位置和底部位置的压电梁16的连接方式为铰接17，与中间位置的压电梁16的连接方式为滑槽连接18，中间阵列简支板压电梁5的另一端与T型连接板8的一端相连接，且与顶部位置和底部位置的压电梁16连接方式为铰接17，与中间位置压电梁16连接方式为滑槽连接18。
非线性质量部9包括弹簧11、主质量块10和副质量块12，主质量块10通过胶水粘结于L型连接板7的一侧，副质量块12为方形，且相邻副质量块12之间采用弹簧11连接，相邻副质量块12与L型连接板7、T型连接板8之间用弹簧11连接，主质量块10每个均2克，副质量块12每个均1.5克。
夹持组件3包括螺栓紧固件13和夹板14，螺栓紧固件13设置有若干组，且螺栓紧固件13依次贯穿活动连接夹板14，螺栓紧固件13均采用标准件，夹板14采用亚克力材料，且尺寸可根据实际应用需求进行选取。
压电片15采用PZT-5H压电陶瓷片，结构尺寸为40×15×0.2mm，压电片15的两极面均焊接有导线，压电梁16采用H60黄铜片材料，结构尺寸为50×15×0.2mm，压电片15通过导电胶水粘结于压电梁16上表面。
工作时：将此阵列式压电俘能装置的装置外壳1固定于低频低幅全向振动源上，此阵列式压电俘能装置随着振源在空间任意方向振动时，支撑弹簧11在主质量块10和副质量块12的摆动作用下产生沿着支撑弹簧11轴向的分力，从而带动纵向阵列简支板压电梁16做非线性全方向振动，其中，顶部阵列简支板压电梁4、中间阵列简支板压电梁5和底部阵列简支板压电梁6的连接端采用铰接17和滑槽连接18相结合替代了传统的全部固接连接方式，大大减小了振动中纵向阵列简支板压电梁16的结构刚度，经实验验证非线性质量部9对振动具有放大作用，压电梁16铰接17和滑槽连接18相结合的方式增强了结构对地府振动的响应灵敏度。
本案例中，纵向阵列简支板压电梁组2数量为四组，其阵列数量可根据应用场景适当调整，其中可通过调整非线性质量部9中主质量块10和副质量块12的质量大小适当调节振动俘能装置的工作频带范围和输出功率，用于不同环境下的振动能量收集。
以上所述，仅为本发明的较佳具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，凡在本发明的精神的原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应视为侵犯本发明的保护范围，因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种全向宽频带大功率的纵向阵列式俘能装置，包括装置外壳(1)和纵向阵列非线性简支板压电梁组(2)，其特征在于：所述纵向阵列非线性简支板压电梁组(2)设置有若干组，所述装置外壳(1)内表面的左右两侧均固定连接有夹持组件(3)，所述纵向阵列非线性简支板压电梁(16)的一端与夹持组件(3)相连接，所述纵向阵列非线性简支板压电梁组(2)呈现交叉形式排布，所述置外壳为方形透明壳体，且采用亚克力材料；
所述纵向阵列非线性简支板压电梁组(2)包括顶部阵列简支板压电梁(4)、中间阵列简支板压电梁(5)、底部阵列简支板压电梁(6)、L型连接板(7)、T型连接板(8)和非线性质量部(9)，所述顶部阵列简支板压电梁(4)、中间阵列简支板压电梁(5)、底部阵列简支板压电梁(6)均包括压电片(15)和压电梁(16)，且组成部件、材质、数量均相同；
所述顶部阵列简支板压电梁(4)、中间阵列简支板压电梁(5)、底部阵列简支板压电梁(6)的一端均完全固定在夹持组件(3)之间，顶部阵列简支板压电梁(4)、底部阵列简支板压电梁(6)的另一端连接L型连接板(7)的一端，且与顶部位置和底部位置的压电梁(16)的连接方式为铰接(17)，与中间位置的压电梁(16)的连接方式为滑槽连接(18)，中间阵列简支板压电梁(5)的另一端与T型连接板(8)的一端相连接，且与顶部位置和底部位置的压电梁(16)连接方式为铰接(17)，与中间位置压电梁(16)连接方式为滑槽连接(18)。
2.根据权利要求1所述的一种全向宽频带大功率的纵向阵列式俘能装置，其特征在于：所述非线性质量部(9)包括弹簧(11)、主质量块(10)和副质量块(12)，所述主质量块(10)通过胶水粘结于L型连接板(7)的一侧，所述副质量块(12)为方形，且相邻副质量块(12)之间采用弹簧(11)连接，相邻副质量块(12)与L型连接板(7)、T型连接板(8)之间用弹簧(11)连接，所述主质量块(10)每个均2克，副质量块(12)每个均1.5克。
3.根据权利要求1所述的一种全向宽频带大功率的纵向阵列式俘能装置，其特征在于：所述夹持组件(3)包括螺栓紧固件(13)和夹板(14)，所述螺栓紧固件(13)设置有若干组，且螺栓紧固件(13)依次贯穿活动连接夹板(14)，所述螺栓紧固件(13)均采用标准件，夹板(14)采用亚克力材料，且尺寸可根据实际应用需求进行选取。
4.根据权利要求1所述的一种全向宽频带大功率的纵向阵列式俘能装置，其特征在于：所述压电片(15)采用PZT-5H压电陶瓷片，结构尺寸为40×15×0.2mm，所述压电片(15)的两极面均焊接有导线，所述压电梁(16)采用H60黄铜片材料，结构尺寸为50×15×0.2mm，所述压电片(15)通过导电胶水粘结于压电梁(16)上表面。
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