CN115473455A - 一种基于对称式多层压电超材料的减振和发电双功能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于对称式多层压电超材料的减振和发电双功能装置，首先利用压电超材料的带隙特性对弯曲振动进行减振，在带隙范围内弹性波存在衰减或不能通过结构，能量更多的被压电局域振子结构所吸收。同时，将能量收集电路引入到超材料的压电局域振子结构中，可将局域在压电局域振子中的能量进行收集，并用于对微电子产品进行电能供应。而超材料结构本身包含了许多用于收集能量的共振元素，具有一定的结构优势，是振动能量收集器的理想选择。本发明是采用超材料的减振技术与压电能量转换技术相结合，将压电局域振子吸振和压电能量收集双功能集成到一个压电单元中，最终实现压电超材料在振动环境中的减振和宽频发电双功能效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种减振和发电双功能装置，更具体的说是一种适用于在振动噪声环境中利用超材料电磁谐振带隙原理的宽频减振及发电双重功能装置，属于减振降噪、微电源、新能源技术等领域。
背景技术
近年来，微机电***、电子网络技术和无线传感技术的快速发展，对人类科技技术进步和生产力的提高起到了巨大的推动作用。目前，无线传感网络技术已经广泛的应用在机械结构(如发动机、涡轮机、风机等)、大型设备(如冷却塔、热交换器、核反应堆、压力容器等)、基础设施(如桥梁、公路、铁路、建筑等)和环境监测(水质监测、森林火灾预警、气候、海洋)等方面。而监测这些设备或环境的各类参数(如温度、压力、应力、湿度、加速度等)需要大量的传感器节点，并且每个传感器节点均需要提供一定的电能。目前，传感器节点大多采用化学电池供电，但节点的使用寿命与容量有限的电池之间的存在着一些矛盾。一方面这一类网络中的传感器节点往往尺寸较小，无法配置大容量的电池，这就导致节点的使用寿命受到了制约；另一方面，频繁的更换电池也为网络的维护带来了巨大的工作量，间接提升了网络部署的成本。因此发展新型的微电源技术十分重要。
现有的能量收集转换技术中，压电能量收集技术表现出诸多优势，如：无需外加激励电压、输出电压高、体积小、功率密度高和易于微型化的优点。此外，压电能量收集技术主要基于压电材料的发电装置依靠机械振动发电，其所产生的电力能满足微功耗***的要求，并且所利用的振动源无处不在、应用不受场地限制、伸缩性及活动性强等优点，因此振动发电装置成为解决微电源问题的重要途径。然而，目前诸多压电振动发电装置面临“共振频率单一、发电频带过窄、发电效率低”的问题。为解决上述问题，常常通过主动控制来扩大发电频带以及自适应控制来调节装置的自身固有频率从而适应环境振动频率的变化。然而以上两种方式都需要引入外部电能才能实现控制，并且自身耗能也较大，往往导致入不敷出。
此外，上述工业机械结构在工作状态下本体结构往往也存在较为强烈的振动问题，不仅对结构本身起到一定的影响，同时对周围环境也存在着一定的噪声污染。因此对于结构本体的振动抑制也是一项重要的技术指标。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上技术问题而提供了一种超材料结构，该结构可以同时实现振动抑制及能量收集双重功能，并对无线传感器等微电子产品供应能量，是一种利用工作环境中机械弯曲振动发电的压电发电装置。方案主要利用超材料减振技术和压电能量收集技术相结合，将压电局域振子吸振和压电能量收集双功能集成到一个压电单元中，因此无需额外再引入能量收集转换装置。通过“压电局域振子”在基体上的周期性排布，在产生弯曲振动带隙的同时进而有效拓宽发电频带的带宽，提高装置的发电效率，进而实现振动抑制和能量收集双重功能。
本发明的目的是这样实现的：包括呈一维排列或二维排列的、由压电单元构成的双功能结构，压电单元包括夹芯层、设置在夹芯层上下两端的上下覆盖层、分别对称设置在上下覆盖层上的压电堆叠材料，压电堆叠材料与外接分流电感电路通过压电层表面电极相连，组成压电局域振子。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.夹心层采用环氧树脂或有机玻璃的非金属材料。
2.上下覆盖层材料是金属材料，可为铝；上下覆盖层通过粘结的工艺方式粘结在夹心层上下端。
3.压电堆叠材料为多层压电陶瓷或压电薄膜的压电材料进行堆叠而成，每层压电片表面镀银电极，相邻压电片极化方向相反。
4.一维排列构成梁结构；二维排列构成板结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先是局域共振频率方便通过电路调节并且不破坏原有的基体结构，规避了机械振子带隙不可调节的不足；相比于机械振子超材料，压电超材料的双功能模型更为简便，由于压电局域振子吸振和压电能量收集双功能集成到一个压电单元中，因此无需额外再引入能量收集转换装置；相对于传统压电超材料，在同等电学参数下，本发明提出的多层堆叠压电超材料可以产生更低频率谐振带隙。并且带隙的中心频率随压电片堆叠层数的增加而降低，同时也能够获得更低频段内的良好的发电性能。进而将压电超材料梁/板的双功能应用范围拓展到了更低频段，同时也规避了传统压电超材料采用大电感元件来降低谐振频率的弊端；最后本发明中采用被动控制技术来实现电磁谐振特性，由于外接负载对带隙的带边效应有明显的抑制，因而可以获得宽频的减振和发电效果，进而避免使用主动控制来实现宽频的不足。
附图说明
图1是基于弯曲振动带隙的一维压电超材料双功能梁三维模型图；
图2a和图2b分别是基于弯曲振动带隙的二维压电超材料双功能板三维模型图及主视图；
图3是压电局域振子单胞结构示意图；
图中：1.夹心层，2.上下覆盖层，3.压电堆叠材料，4.外接分流电路。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1-图3，本发明采取了如下的技术方案：
本发明的目的是这样实现的：首先利用压电超材料的带隙特性对弯曲振动进行减振，在带隙范围内弹性波存在衰减或不能通过结构，能量更多的被压电局域振子结构所吸收。同时，将能量收集电路引入到超材料的压电局域振子结构中，可将局域在压电局域振子中的能量进行收集，并用于对微电子产品进行电能供应。而超材料结构本身包含了许多用于收集能量的共振元素，具有一定的结构优势，是振动能量收集器的理想选择。本发明是采用超材料的减振技术与压电能量转换技术相结合，将压电局域振子吸振和压电能量收集双功能集成到一个压电单元中，最终实现压电超材料在振动环境中的减振和宽频发电双功能效果。
方案一：一维压电超材料双功能梁结构，其中包括基体梁夹芯层1、上下覆盖层2，压电堆叠材料3及外接分流电路4。
方案二：二维压电超材料双功能板结构，其中包括基体板夹芯层1、上下覆盖层2，压电堆叠材料3及外接分流电路4。
基体梁/板用于与振动环境中的机座相连接，或者直接作为机座。因为高强度、低重量的夹层结构能够承载大弯曲载荷同时能实现轻量化特性，为此本发明中基体梁/板采用三明治型夹心结构。其中夹心层1采用环氧树脂或有机玻璃等非金属材料，上下覆盖层2材料为铝等金属材料，上下覆盖层2通过粘结等合理工艺方式粘结在夹心层1上；压电堆叠材料3为多层压电陶瓷或压电薄膜等压电材料进行堆叠而成，此外每层压电片表面镀银电极。同样，压电堆叠材料3通过粘结等合理工艺方式周期性的(且上下对称)粘结在基体梁上。压电堆叠材料3与外接分流电感电路4通过压电层表面电极相连，组成压电局域振子。为实现超材料压电局域振子的周期性，所有外接分流电路采用相同的电感元件。为降低谐振带隙的中心频率，每对压电双晶片采用并联连接模式，因此，相邻压电片极化方向相反(如图3中箭头方向所示)。压电局域振子与基体梁/板等的结构尺寸和超材料的周期数目可以根据需要进行调整，该装置将机械弯曲振动转化为电能后，通过整流器处理用于储存或者供能。
本发明中包括夹心层1、上下覆盖层2、压电材料3、外接分流电感电路4。
实际使用时应考虑到以下几种因素。
⑴.压电局域振子结构。根据不同工况对于工作频率的需求，可以改变压电局域振子结构，例如针对压电片的堆叠层数及电感参数进行调节。
⑵.基体梁/板及压电局域振子的材料。根据工作环境不同，基体梁/板及压电局域振子的组成材料可以选择不同的材料。
⑶.超材料梁/板的周期数。根据几何尺寸要求、振动衰减量及发电量大小等可以调整超材料的周期数目。
应该说明的是以上实施例仅用以说明本发明而非限制，本发明也并不仅限于上述举例。一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (6)
1.一种基于对称式多层压电超材料的减振和发电双功能装置，其特征在于：包括呈一维排列或二维排列的、由压电单元构成的双功能结构，压电单元包括夹芯层、设置在夹芯层上下两端的上下覆盖层、分别对称设置在上下覆盖层上的压电堆叠材料，压电堆叠材料与外接分流电感电路通过压电层表面电极相连，组成压电局域振子。
2.根据权利要求1所述的一种基于对称式多层压电超材料的减振和发电双功能装置，其特征在于：夹心层采用环氧树脂或有机玻璃的非金属材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于对称式多层压电超材料的减振和发电双功能装置，其特征在于：上下覆盖层材料是金属材料，可为铝；上下覆盖层通过粘结的工艺方式粘结在夹心层上下端。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于对称式多层压电超材料的减振和发电双功能装置，其特征在于：压电堆叠材料为多层压电陶瓷或压电薄膜的压电材料进行堆叠而成，每层压电片表面镀银电极，相邻压电片极化方向相反。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于对称式多层压电超材料的减振和发电双功能装置，其特征在于：一维排列构成梁结构；二维排列构成板结构。
6.根据权利要求4所述的一种基于对称式多层压电超材料的减振和发电双功能装置，其特征在于：一维排列构成梁结构；二维排列构成板结构。
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