CN102013837B - 蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置 - Google Patents
蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102013837B CN102013837B CN2010106013543A CN201010601354A CN102013837B CN 102013837 B CN102013837 B CN 102013837B CN 2010106013543 A CN2010106013543 A CN 2010106013543A CN 201010601354 A CN201010601354 A CN 201010601354A CN 102013837 B CN102013837 B CN 102013837B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vibration energy
- ceramic piece
- fixed
- vibration
- multiaspect
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 17
- 241000245665 Taraxacum Species 0.000 claims description 12
- 235000005187 Taraxacum officinale ssp. officinale Nutrition 0.000 claims description 12
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Vibration Prevention Devices (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，包括多面球状支撑体、振动基座和至少两个悬臂梁，振动基座固定于多面球状支撑体的表面，各悬臂梁沿不同方向固定于多面球状支撑体的表面；所述悬臂梁包括弹性金属导电薄片、上层压电陶瓷片、下层压电陶瓷片和质量块，弹性金属导电薄片的固定端固定于多面球状支撑体的表面，而质量块设于弹性金属导电薄片的自由端，上层压电陶瓷片和下层压电陶瓷片分别同向贴附于弹性金属导电薄片的上表面和下表面。此装置无论振动方向如何改变或者在存在多方向、多频率振动的情况下，都能够较高效率地收集到振动能量。
Description
技术领域
本发明属于能源和电子技术领域，特别涉及一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置。
背景技术
环境污染和能源短缺是当今世界各国面临的一大难题，由此造成的环境恶化和能源危机逐渐开始影响经济发展和人们生活。迫于此压力，各国科技工作者开始了寻找和开发新能源的探索。振动作为人们日常生活中的常见现象，由于其具有较高的能量密度，其潜在的能量价值已引起越来越多的科技研究者的关注和思考。压电材料作为一种智能材料，具有正压电效应和逆压电效应，利用其正压电效应可以将机械能转化为电能，而利用其逆压电效应可以将电能转化为机械能，于是人们想到了利用其正压电效应来实现其发电这一思路。
利用压电材料采集环境振动能量这一技术方案，理论上其供电寿命仅取决于组成压电振动能量收集装置的各元器件的寿命，没有额外消耗能源，清洁环保，是一种典型的“绿色”技术。基于此，目前，出现了各种样式的压电振动能量收集装置，如悬臂梁结构、Cymbal结构、叠堆形结构等，纵观压电振动能量收集技术的发展现状，上述压电振动能量收集装置收集的振动能量主要是单方向的，其使用场合对环境振动方向的选择性很强，在存在各种方向随机振动的情况下，上述能量收集装置收集的能量将非常有限。很强的方向选择性带来的另一问题是，在安装压电振动能量收集装置时，必须事先预知环境的振动方向，这有时候需要专业技术人员才能完成，即是在安装时考虑到主要的环境振动方向，一旦环境发生变化，该压电振动能量收集装置的性能将大幅下降，限制了其大众化的推广使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其可弥补现有压电振动能量收集技术中压电振动能量收集装置只能敏感某个固定方向振动、收集环境振动的频带窄、能量收集效率低等缺陷，无论振动方向如何改变或者在存在多方向、多频率振动的情况下，都能够较高效率地收集到振动能量。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：
一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，包括多面球状支撑体、振动基座和至少两个悬臂梁，振动基座固定于多面球状支撑体的表面，各悬臂梁沿不同方向固定于多面球状支撑体的表面；所述悬臂梁包括弹性金属导电薄片、上层压电陶瓷片、下层压电陶瓷片和质量块，弹性金属导电薄片的固定端固定于多面球状支撑体的表面，而质量块设于弹性金属导电薄片的自由端，上层压电陶瓷片和下层压电陶瓷片分别同向贴附于弹性金属导电薄片的上表面和下表面。
上述多面球状支撑体的表面开设螺纹孔，振动基座固定于该螺纹孔中。
上述多面球状支撑体的表面沿不同方向设置凹形槽，各悬臂梁分别固定于凹形槽中。
上述各悬臂梁的质量块的质量为相同或不同。
上述弹性金属导电薄片为矩形、梯形或阶梯形形状。
上述上、下层压电陶瓷片为矩形或梯形形状，且沿厚度方向极化。
采用上述方案后，本发明通过设置多面球状支撑体，并在多个方向分别设置悬臂梁，增强在使用过程中的适应性，在不知道环境振动方向和振动频率的情况下，也可以安装使用，环境振动方向的变化对其影响很小；另外，还可将各悬臂梁的固有频率设置为不同，从而具有不同的谐振频率点，在一定宽度的频带范围内都可以较高效率地收集振动能量。
附图说明
图1是本发明中悬臂梁的结构示意图；
图2是本发明的整体俯视图；
图3是本发明的剖视图。
具体实施方式
结合图2和图3所示，本发明提供一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，包括多面球状支撑体1、振动基座2和至少两个悬臂梁3，下面分别介绍。
多面球状支撑体1的一个表面开设有螺纹孔11，而其表面还沿不同方向设有至少两个凹形槽12，在本实施例中选用二十六面体，其在一个表面开设螺纹孔，而其余25个表面上各设有一个凹形槽。
振动基座2与多面球状支撑体1固定，具体而言是固定于其螺纹孔11中，所述的振动基座2用以固定在振动体上，从而将本发明固定在振动环境中。
悬臂梁3的数目可根据实际情况进行选择，如在本实施例中选用25个，分别固定于多面球状支撑体1各表面的凹形槽12中，配合图1所示，本实施例中的悬臂梁3包括弹性金属导电薄片31、上层压电陶瓷片32、下层压电陶瓷片33和质量块34，其中，弹性金属导电薄片31可为矩形、梯形或阶梯形形状，且不同方向上的形状、尺寸可以为相同或不同，其固定端固定于凹形槽12中；上层压电陶瓷片32和下层压电陶瓷片33分别同向贴附于弹性金属导电薄片31的上表面和下表面，用以借助正压电效应将机械能转化为电能，所述的上、下层压电陶瓷片32、33可为矩形或梯形形状，且沿厚度方向极化，且不同悬臂梁3上的压电陶瓷片的形状可以为相同或不同；质量块34设于弹性金属导电薄片31的自由端，用以降低悬臂梁3整体振动的固有频率，需要说明的是，悬臂梁3振动的固有频率与外界环境无关，仅取决于弹性金属导电薄片31的尺寸大小以及质量块34的质量；在本实施例中，各质量块34的质量可各不相同，以获得不同的谐振频率。
本实施例在工作时，将装置置于某一具有多个频率、多个方向的复杂振动环境中，并借助振动基座2加以固定；环境中的振动将诱发装置中的n个悬臂梁产生不同方向、不同频率的谐振，弹性金属导电薄片31将产生交替变化的弯曲变形，从而使得粘贴在弹性金属导电薄片31上的上层压电陶瓷片32和下层压电陶瓷片33产生交替变化的弯曲变形，根据压电材料的正压电效应，在上层压电陶瓷片32和下层压电陶瓷片33的正、负电极面上产生正、负相反的电荷，即实现了由机械能到电能的转换；另外，由于粘贴时上层压电陶瓷片32和下层压电陶瓷片33的极化方向相反，因而在上层压电陶瓷片32的上电极面和下层压电陶瓷片33的下电极面将产生相同符号的电荷。由于本实施例的各个悬臂梁3布置在沿多面球状支撑体1表面的不同方向和位置，因而不同方向的振动均能够被感知。又由于各悬臂梁3上的质量块34有不同的质量，故每个悬臂梁3有不同的谐振频率，从而实现不同频率外界振动能量的收集。由此可见，本发明实现了多方向、宽频带的压电振动能量收集。
需要说明的是，本发明可广泛应用于野外通讯与传感网络设备、环境与气候变化的监测控制、建筑物（如桥梁、楼房等）和大型机械（如飞行器、轮船等）的结构健康监测等需要能源自给的领域，其中的多个悬臂梁结构可用微细加工技术，如表面微加工技术和体微加工技术加工制作，以实现与微机电系统的集成；同时也可以采用传统加工工艺方法，如切割、焊接等，制成大尺寸结构，以增大发电量。
综上所述，本发明提出的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，能感知任意方向的环境振动，工作频带宽，可以吸收环境中的不同方向、多个频率的机械振动分量，发电量较单一悬臂梁结构明显增大，有效拓宽了该压电振动能量收集装置的使用范围，增强了其实用性。
以上仅为本发明例示，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在于：包括多面球状支撑体、振动基座和至少两个悬臂梁，振动基座固定于多面球状支撑体的表面，各悬臂梁沿不同方向固定于多面球状支撑体的表面；所述悬臂梁包括弹性金属导电薄片、上层压电陶瓷片、下层压电陶瓷片和质量块，弹性金属导电薄片的固定端固定于多面球状支撑体的表面，而质量块设于弹性金属导电薄片的自由端，上层压电陶瓷片和下层压电陶瓷片分别同向贴附于弹性金属导电薄片的上表面和下表面。
2.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在于：所述多面球状支撑体的表面开设螺纹孔，振动基座固定于该螺纹孔中。
3.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在于：所述多面球状支撑体的表面沿不同方向设置凹形槽，各悬臂梁分别固定于凹形槽中。
4.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在于：所述各悬臂梁的质量块的质量为相同或不同。
5.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在于：所述弹性金属导电薄片为矩形或梯形形状。
6.如权利要求1所述的蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，其特征在于：所述上、下层压电陶瓷片为矩形或梯形形状，且沿厚度方向极化。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2010106013543A CN102013837B (zh) | 2010-12-23 | 2010-12-23 | 蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2010106013543A CN102013837B (zh) | 2010-12-23 | 2010-12-23 | 蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102013837A CN102013837A (zh) | 2011-04-13 |
| CN102013837B true CN102013837B (zh) | 2012-08-08 |
Family
ID=43843891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2010106013543A Expired - Fee Related CN102013837B (zh) | 2010-12-23 | 2010-12-23 | 蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102013837B (zh) |
Families Citing this family (29)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102833657A (zh) * | 2011-06-14 | 2012-12-19 | 庆良电子股份有限公司 | 能量转换模块 |
| CN102790548B (zh) * | 2012-07-18 | 2015-01-21 | 天津大学 | 双稳态复合悬臂梁压电发电装置 |
| CN102790547B (zh) * | 2012-07-18 | 2015-08-05 | 天津大学 | 双稳态双悬臂梁压电发电装置 |
| CN102931340B (zh) * | 2012-11-15 | 2015-05-06 | 重庆大学 | 宽频带微型压电振动能量收集器及其制作方法 |
| CN103731065B (zh) * | 2013-12-13 | 2015-08-26 | 东南大学 | 基于振动发电的自供电型无线隧道健康监测装置 |
| US9484523B2 (en) | 2014-09-24 | 2016-11-01 | Beijing University Of Technology | Bistable piezoelectric cantilever vibration energy generator based on spherical composite structure and partial separation of different layers |
| CN104270032B (zh) * | 2014-09-24 | 2017-11-21 | 北京工业大学 | 双稳态球面复合悬臂梁压电发电装置 |
| CN104879269A (zh) * | 2015-04-27 | 2015-09-02 | 合肥工业大学 | 一种漂浮式压电海洋波浪能发电装置 |
| CN104935209B (zh) * | 2015-06-10 | 2018-05-15 | 南方科技大学 | 一种压电式能量采集器及压电式能量采集方法 |
| US10463864B2 (en) * | 2015-09-15 | 2019-11-05 | The Regents Of The University Of Michigan | Energy harvesting for leadless pacemakers |
| CN105841801B (zh) * | 2016-04-27 | 2019-04-09 | 扬州大学 | 一种水面波传感器测量装置 |
| CN105958865B (zh) * | 2016-06-21 | 2018-03-09 | 南京邮电大学 | 基于等腰梯形悬臂梁的压电‑电磁俘能装置 |
| CN106094501A (zh) * | 2016-07-15 | 2016-11-09 | 江苏海事职业技术学院 | 一种运动发电型计步手表 |
| CN106208808B (zh) * | 2016-07-18 | 2018-01-02 | 辽宁工程技术大学 | 一种基于人耳骨链式传导的噪音发电装置及方法 |
| CN106253746B (zh) * | 2016-08-26 | 2018-06-01 | 合肥工业大学 | 一种双稳态压电式多方向流体能收集装置 |
| CN106787946B (zh) * | 2017-03-07 | 2019-01-18 | 长安大学 | 基于三维超材料的路面振动能量回收发电装置及方法 |
| CN107191312B (zh) * | 2017-06-19 | 2023-10-27 | 苏州大学 | 一种波浪能发电设备 |
| CN107218171B (zh) * | 2017-06-19 | 2023-10-27 | 苏州大学 | 一种波浪能收集装置 |
| CN107196554A (zh) * | 2017-07-03 | 2017-09-22 | 南京邮电大学 | 一种基于压电陶瓷的分形结构振动换能器及其制造方法 |
| CN108258935B (zh) * | 2018-04-03 | 2023-06-23 | 浙江海洋大学 | 一种波浪能发电装置 |
| CN108506418B (zh) * | 2018-06-25 | 2020-12-22 | 北京无线电测量研究所 | 一种多自由度悬臂梁式宽带吸振器 |
| CN109889095A (zh) * | 2019-03-18 | 2019-06-14 | 温州大学 | 一种交通荷载作用下悬臂式压电转换装置 |
| CN110022086A (zh) * | 2019-03-18 | 2019-07-16 | 温州大学 | 一种轨道交通电能采集方法及其装置 |
| CN109861584B (zh) * | 2019-04-09 | 2024-02-09 | 苏州市职业大学 | 一种收集手臂摆动能量的发电装置 |
| CN110138272A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-16 | 安徽理工大学 | 一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器 |
| CN110333445A (zh) * | 2019-07-25 | 2019-10-15 | 山东科技大学 | 一种平面型多频拾振俘能实验装置及其使用方法 |
| CN111555660B (zh) * | 2020-05-27 | 2021-07-06 | 苏州维格纳信息科技有限公司 | 一种蒲公英状压电振动能量收集装置 |
| CN112878115B (zh) * | 2021-01-13 | 2022-11-29 | 北京铁科特种工程技术有限公司 | 一种智能骨料及多频谐振网络层 |
| CN113026437B (zh) * | 2021-03-29 | 2022-09-20 | 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所 | 铁路路桥过渡段磁电耦合非线性减振发电粗颗粒装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101257266A (zh) * | 2008-01-14 | 2008-09-03 | 大连理工大学 | 硅基压电悬臂梁式微型发电装置 |
| CN101262189A (zh) * | 2008-04-18 | 2008-09-10 | 南京航空航天大学 | 收集弯曲振动能量的压电式发电机 |
| CN101572506A (zh) * | 2009-06-02 | 2009-11-04 | 杭州电子科技大学 | 悬臂梁振动式铁电发电装置 |
| CN101764531A (zh) * | 2010-01-28 | 2010-06-30 | 南京航空航天大学 | 多工作模态压电发电机及其发电方法 |
| CN101783615A (zh) * | 2009-10-26 | 2010-07-21 | 杭州电子科技大学 | 基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07107752A (ja) * | 1993-09-30 | 1995-04-21 | Mitsuteru Kimura | 圧電発電装置 |
| JPH1056784A (ja) * | 1996-08-08 | 1998-02-24 | Seiko Epson Corp | 発電装置および電子機器 |
| KR100837926B1 (ko) * | 2006-12-06 | 2008-06-13 | 현대자동차주식회사 | 압전체를 이용하는 전원발생장치 |
-
2010
- 2010-12-23 CN CN2010106013543A patent/CN102013837B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101257266A (zh) * | 2008-01-14 | 2008-09-03 | 大连理工大学 | 硅基压电悬臂梁式微型发电装置 |
| CN101262189A (zh) * | 2008-04-18 | 2008-09-10 | 南京航空航天大学 | 收集弯曲振动能量的压电式发电机 |
| CN101572506A (zh) * | 2009-06-02 | 2009-11-04 | 杭州电子科技大学 | 悬臂梁振动式铁电发电装置 |
| CN101783615A (zh) * | 2009-10-26 | 2010-07-21 | 杭州电子科技大学 | 基于海浪能捕获的海上仪器仪表供电装置 |
| CN101764531A (zh) * | 2010-01-28 | 2010-06-30 | 南京航空航天大学 | 多工作模态压电发电机及其发电方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102013837A (zh) | 2011-04-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102013837B (zh) | 蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置 | |
| CN203896222U (zh) | 基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置 | |
| WO2016173151A1 (zh) | 一种用于振动能量回收的压电振荡器结构 | |
| CN101272109A (zh) | 一种宽频带压电振动发电装置 | |
| CN205377711U (zh) | 一种全方向压电发电装置 | |
| CN103746604A (zh) | 一种基于横振带隙的声子晶体发电装置 | |
| CN204906229U (zh) | 一种树状多模态压电发电装置 | |
| CN203278697U (zh) | 一种宽频带多方向振动能量采集器 | |
| CN106899234A (zh) | 一种压电式多向振动能量收集装置 | |
| CN103414379A (zh) | 基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器 | |
| CN103701364A (zh) | 一种风致振动宽频带压电发电装置 | |
| CN106685263B (zh) | 基于模态分离技术的带宽可调n×3点阵式振动能量采集器 | |
| CN203645578U (zh) | 一种风致振动宽频带压电发电装置 | |
| CN104270032A (zh) | 双稳态球面复合悬臂梁压电发电装置 | |
| WO2019137037A1 (zh) | 一种基于机械诱导的宽频俘能器 | |
| CN103701363B (zh) | 一种多方向压电-电磁复合式振动能量收集装置 | |
| CN108712108A (zh) | 一种双稳态压电振动能量采集器阵列装置 | |
| CN104022687B (zh) | 基于自激振动机理的多方向宽频带振动能量收集装置 | |
| CN103762892B (zh) | 一种基于扭振带隙的声子晶体发电装置 | |
| Wang et al. | Design and analysis of a hollow triangular piezoelectric cantilever beam harvester for vibration energy collection | |
| CN111049426A (zh) | 一种压电式多方向、宽频带振动能量收集装置 | |
| CN106856381B (zh) | 一种集束型双稳态弯曲双叉悬臂梁压电能量收集装置 | |
| CN112187098A (zh) | 一种多方向宽频带压电能量收集器 | |
| CN105515442B (zh) | 一种臼型压电俘能器 | |
| CN104022686B (zh) | 一种冲击式压电振动能量收集装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120808 Termination date: 20141223 |
|
| EXPY | Termination of patent right or utility model |