CN101359882B - 谐振频率可调的压电振动能量收集装置 - Google Patents

谐振频率可调的压电振动能量收集装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐振频率可调的压电振动能量收集装置，属于能量转化与收集技术领域。该装置采用支撑基片作为振动结构，通过固定在其上的压电材料来收集振动能量。该装置采用固定的质量块和可动的质量块相结合的方式，在较大范围内简单、精确地调节装置的谐振频率，使其与环境振动保持机械谐振，以最大化振动能量收集能力。根据本发明实现的能量收集装置，能够在较大频率范围内适用于不同的振动环境，可与传感器等相结合，使传感器具有自供电的能力。

Description

谐振频率可调的压电振动能量收集装置
技术领域
本发明涉及能量转化与收集技术领域，尤其是一种谐振频率可调的压电振动能量收集装置。
背景技术
在现实生产、生活中，从建筑的环境监控，到各种机械的工作检测，都在使用各种传感器，包括无线传感器。在传感器的应用中，能量供应是其中的重要部分。然而，在一些应用环境下，由于更换不便或空间、数量等的限制而无法采用一般的电池等来供电，能量供应成为传感器应用中一个瓶颈。与此同时，许多应用环境都有不同程度的振动。因此，将工作环境固有的振动能量转化为电能的小型化能量收集器具有非常好的应用前景。
振动能量的收集可以通过形成带有压电材料的振动结构来实现。振动结构的相对运动会在压电材料中形成应力，进而将振动能量转化为电能。为收集到尽可能多的振动能量，应使振动结构尽可能地工作于谐振状态，即使振动结构的固有频率尽可能地接近环境固有振动的频率。然而，由于制造、操作等各种固有因素，这种“调谐”很难精确地进行。此外，振动能量的收集对频率的偏差是很敏感的，当振动结构不处于谐振状态时，结构的相对运动将迅速减小，导致收集到的振动能量也迅速减少。
因此，需要一种采用压电材料、谐振频率可调的能量收集装置。该装置具有较宽的频率调节范围，能够根据工作环境的需要来调节谐振频率。该装置可以最大化地从工作环境中收集振动能量，然后向传感器供电，进而使传感器拥有自供电能力。同时，由于具有较宽的频率调节范围，该装置可以在不做结构改变的情况下应用到不同的工作环境中。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种谐振频率可调的压电振动能量收集装置，从工作环境中收集振动能量，将振动能量转化成电能，然后向传感器供电，进而使传感器拥有自供电能力。
本发明的技术方案是：一种谐振频率可调的压电振动能量收集装置，其特征是所述装置包括：垫片，支撑基片，压电层，固定质量块和可动质量块；垫片将支撑基片固定，以使支撑基片随工作环境的振动而振动；固定质量块固定到支撑基片上；可动质量块固定到固定质量块上；可动质量块是表面有螺纹的柱状体，而固定质量块内部有与可动质量块表面螺纹相吻合的螺孔，并以此套合在一起；可动质量块通过拧动，调整其重心在支撑基片上的相对位置。
所述支撑基片为压电材料或者非压电材料；如果为非压电材料，其上固定至少一个压电层。
所述压电层为压电单晶、压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡或者聚偏氟乙烯压电膜。
所述固定质量块和所述可动质量块是铝、铜、不锈钢或者聚四氟乙烯。
所述可动质量块的密度比所述固定质量块的密度大。
所述固定质量块和所述可动质量块的中心线与所述支撑基片的中心线重合。
本发明的效果是：工作环境的振动带动所述装置的支撑基片振动，从而使支撑基片上的压电层在应力作用下产生电势，实现振动能量到电能的转化。同时，该装置通过固定质量块和可动质量块相结合的方式，能够在较大频率范围内、精确地调节该装置的固有频率，克服传统的装置无法精确调节谐振频率的问题，因此能够在不同的振动环境下最大化能量收集能力。
附图说明
图1是一个简单的谐振频率可调的压电振动能量收集装置的视图。
图2是本发明一个优选实施例的视图。
图3是本发明另一个优选实施例的视图。
图中：压电层1、支撑基片2、垫片3、振动平台4、固定质量块5、可动质量块6、固定螺钉7。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图2示出了根据本发明的一个优选实施例的装置。该装置的支撑基片2和压电层1通过垫片3固定在振动平台4上，进而从振动平台4中收集振动能量。垫片3可以是金属，或者其他硬度较大的材料，以允许支撑基片粘合于该垫片之上，并且厚度上要满足支撑基片2和振动平台4相对运动的要求，以避免支撑基片2和振动平台4相碰撞。支撑基片2的相对上下两侧固定压电层1。支撑基片2可以是塑料、金属或者其他非压电材料，以允许压电层1粘合于该支撑基片之上。工作环境的振动，会使支撑基片2带动压电层1发生相对运动而产生一定的弯曲，这使得压电层1处于应力下。应力导致电荷在压电层1中积累，并在压电层1中形成电势，从而实现振动能量到电能的转化。
支撑基片2和压电层1还包括在其上的固定质量块5和可动质量块6，以调节支撑基片2的谐振频率。可动质量块6是表面有螺纹的柱状体，而固定质量块5内部有与可动质量块6表面螺纹相吻合的螺孔，并通过固定螺钉7将固定质量块5和可动质量块6完全固定住，进而避免可动质量块6松动。也可以通过粘合剂或焊接法将固定质量块5和可动质量块6固定住，避免可动质量块6松动。固定质量块5粘合在支撑基片2和压电层1上，可以是在末端，也可以不是。可动质量块6通过拧动，可以调整其重心在支撑基片2上的相对位置。固定质量块5和可动质量块6可以是铝、铜、不锈钢等金属，可动质量块6的密度比固定质量块5的密度大一些，以有效地细调支撑基片2的谐振频率。在可动质量块6和固定质量块5的共同作用下，支撑基片2的谐振频率可以在较大范围内精确地调节。
图3示出了根据本发明的另一个优选实施例的装置。该装置的支撑基片2和压电层1的两端通过垫片3固定在振动平台4上，进而从振动平台4中收集振动能量。垫片3可以是金属，或者其他硬度较大的材料，以允许支撑基片粘合于两垫片之上，并且厚度上要满足支撑基片2和振动平台4相对运动的要求，以避免支撑基片2和振动平台4相碰撞。支撑基片2的相对两侧固定压电层1。支撑基片2可以是塑料、金属或者其他非压电材料，以允许压电层1粘合于该支撑基片2上。工作环境的振动，会使支撑基片2带动压电层1发生相对运动而产生一定的弯曲，这使得压电层1处于应力下。应力导致电荷在压电层1中积累，并在压电层1中形成电势，从而实现振动能量到电能的转化。
支撑基片2和压电层1还包括在其上的固定质量块5和可动质量块6，以调节支撑基片2的谐振频率。可动质量块6是表面有螺纹的柱状体，而固定质量块5内部有与可动质量块6表面螺纹相吻合的螺孔，并以此套合在一起。通过固定螺钉7将固定质量块5和可动质量块6完全固定住，进而避免可动质量块6松动。也可以通过粘合剂或焊接法将固定质量块5和可动质量块6固定住，避免可动质量块6松动。固定质量块5粘合在支撑基片上，可以是支撑基片除了固定端的任何位置。可动质量块6通过拧动，可以调整其重心在支撑基片上的相对位置。固定质量块5和可动质量块6可以是铝、铜、不锈钢等金属，可动质量块6的密度比固定质量块5的密度大一些，以有效地细调支撑基片的谐振频率。在固定质量块5和可动质量块6的共同作用下，支撑基片的谐振频率可以在较大范围内精确地调节。
应该清楚地理解，压电层1对应于压电单晶、压电陶瓷、锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTiO3)、聚偏氟乙烯(PVDF)压电膜或其他具有压电性质的材料。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种谐振频率可调的压电振动能量收集装置，其特征是所述装置包括：垫片，支撑基片，压电层，固定质量块和可动质量块；垫片将支撑基片固定，以使支撑基片随工作环境的振动而振动；固定质量块固定到支撑基片上；可动质量块固定到固定质量块上；可动质量块是表面有螺纹的柱状体，而固定质量块内部有与可动质量块表面螺纹相吻合的螺孔，并以此套合在一起；可动质量块通过拧动，调整其重心在支撑基片上的相对位置。
2.根据权利要求1所述的谐振频率可调的压电振动能量收集装置，其特征是所述支撑基片为压电材料或者非压电材料；如果为非压电材料，其上固定至少一个压电层。
3.根据权利要求1所述的谐振频率可调的压电振动能量收集装置，其特征是所述压电层是压电单晶、压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡或者聚偏氟乙烯压电膜。
4.根据权利要求1所述的谐振频率可调的压电振动能量收集装置，其特征是所述固定质量块和所述可动质量块是铝、铜、不锈钢或者聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的谐振频率可调的压电振动能量收集装置，其特征是所述可动质量块的密度比所述固定质量块的密度大。
6.根据权利要求1所述的谐振频率可调的压电振动能量收集装置，其特征是所述固定质量块和所述可动质量块的中心线与所述支撑基片的中心线重合。
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