CN102983781A - 一种压电振动俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电振动俘能器，包括：中央安装结构、四边支撑梁、压电层以及中央质量块；所述中央安装结构包含正方形托板和四个中心对称的安装臂；所述四边支撑梁分别由四个形状相同矩形金属梁制作，两端带有用来安装的安装孔；所述压电层由四个压电陶瓷薄片制作，分别粘贴在四个支撑梁上表面；所述中央质量块采用多层金属薄片叠合而成，安装在中央安装结构的正方形托板区域。本发明增大了中央质量块质量、合理安排了结构的布局以及改善了压电层应变分布；另外还提高了所设计的俘能器对振源的适应性，从而更加具有实用价值。

Description

一种压电振动俘能器

技术领域

本发明涉及一种用于采集环境中振动机械能并将其装换成电能的压电振动俘能器，特别是涉及采用多个弹性梁结构的压电振动俘能器。

背景技术

目前的压电振动俘能器主要采用单个等截面悬臂梁结构。这种压电振动俘能器由一端固定一端自由的悬臂梁构成，固定端连接环境振源，自由端安装质量块，质量块构成俘能结构。换能结构由悬臂梁以及粘贴在梁表面的压电材料构成。

上述等截面悬臂梁式压电振动俘能器存在以下问题：

1）等截面悬臂梁式俘能器梁表面压电层应变随着距固定端的距离增加而递减。这种应变分布决导致压电材料并不能充分的发挥其换能效果。

2）等截面悬臂梁式压电振动俘能器获得的外界输入功率P可以表示为质量块质量M的函数，表达式为：

$P=\frac{{\mathrm{MY}}^2{\mathrm{\ω}}_n^3}{4\mathrm{\ζ}}$

其中，Y是振源振幅，ω_n是俘能器谐振频率，ζ是系统阻尼比。对于确定的俘能器系统来说，谐振频率和阻尼比都为常值，振源振幅由外部因素决定，因此俘能器输入功率与等截面梁俘能器质量块是线性关系。但是由于等截面悬臂梁式俘能器应力在固定端较为集中，质量块质量过大时，可能会造成等截面悬臂梁式俘能器固定端断裂，质量块质量会受到一定的限制。

3）等截面悬臂梁式俘能器在输入振源频率偏离其谐振频率时，俘能器性能急剧下降，对振源的适应性较差。

4）根据对压电振动俘能器设计的需求，合理的压电振动俘能器俘能结构应该占据俘能器总体积的主要部分。等截面悬臂梁式俘能器的体积主要由其换能结构决定，并不是合理的俘能器模型。

5）等截面悬臂梁式俘能器质量块由单一的弹性悬臂梁支撑，这种弹性梁结构只能工作在谐振状态下才能获得较好的性能。采用柔性梁可以使俘能器摆脱谐振工作的限制，但是柔性梁将不能够支撑质量块，从而使等截面悬臂梁式俘能器无法工作。

发明内容

本发明就是为了有效解决上述问题，其目的是为了使压电层应变分布均匀，提高质量块质量以及其在压电振动俘能器总体积中的体积占有比；另外，还可以使俘能器具有较高的振源适应性。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种压电振动俘能器，包括：中央安装结构、中央质量块、四边支撑梁和压电层，所述中央安装结构由正方形质量块托板、四个安装臂以及安装臂夹板构成，四个安装臂分布在正方形质量块托板四周，均匀分布，每个安装臂上带有一个所述的安装臂夹板；所述中央质量块由单个或多个质量体组成，安装在中央安装结构的正方形托板上；所述四边支撑梁共有四个支撑梁，其中每个支撑梁的一端通过所述的安装臂安装到中央安装结构上，其中每个支撑梁的另一端与振动振源相连接；所述压电层为粘贴在每个支撑梁表面的压电陶瓷薄片，该薄片上具有引出电极，用来输出电荷。

优选的，所述的中央安装结构安装臂共有四个，整体构型为长方体薄片，分别分布在正方形质量块托板的外侧，并与正方形质量块托板有两条边重合，每个安装臂上带有安装孔，用来安装支撑梁结构。

优选的，安装臂夹板共有四个，并且与安装臂形状相同。

优选的，所述的四边支撑梁共有四个支撑梁，整体构型为细长的长方体金属片，并完全相同，每个支撑梁的一端带有安装孔，用来与安装臂进行安装，安装后四个支撑梁呈中心对称排列。

优选的，所述的压电层为比支撑梁尺寸略小的压电陶瓷薄片，共有四个，并且大小相同，采用固化剂粘贴在支撑梁表面。

优选的，中央质量块采用多层质量薄片叠合而成，每片形状大小与中央安装结构正方形托板区域面积相同，采用密度较大的材料制作。

优选的，四边支撑梁被中央安装结构安装臂及安装臂夹板夹持安装。

优选的，四边支撑梁分布在中央质量块的四周，紧密排列，以减小整个结构的体积。

本发明的原理如下：

一种压电振动俘能器，包括：中央安装结构、四个安装臂夹板、四个支撑梁、四个压电陶瓷薄片和中央质量块；所述中央安装结构由带有矩形安装臂的正方形托板组成，四个矩形安装臂左侧边与正方形其中一边重合，伸出正方外并呈中心对称排列。所述四个安装臂夹板分别由四个带有安装孔的长方形金属薄组成，分别用来进行四个四边支撑梁的夹持安装；所述四个四边支撑梁采用矩形结构，梁的一端安装到中央安装结构的安装臂上，另一端与环境振源相连接；所述四个压电陶瓷薄片分别为矩形压电陶瓷材料，采用固化剂粘贴在四个支撑梁表面，四个薄片大小相同；所述中央质量块采用单一或多层结构设计，安装在中央安装结构正方形区域。

除压电陶瓷薄片外，整个结构采用金属材料制作，四边支撑梁采用弹性度较好的金属材料制作，中央安装结构采用刚度较高的金属材料制作，中央质量块采用密度较大的金属材料制作。

所述中央安装结构通过安装臂及安装夹板来安装四边支撑梁结构，安装之后四个支撑梁呈中心对称排列。这种安装结构使四个梁之间存在相互作用力，从而改善受力时梁表面的应变分布情况。

所述安装臂夹板上带有与支撑梁以及安装臂相同的安装孔，构成俘能器时，采用螺钉进行固定安装，以保证支撑梁在反复振动时不会从安装孔处发生断裂。

所述四个四边支撑梁大小相同，并具有一定的厚度，从而保证在反复振动过程中，压电陶瓷薄片不会因为出现过大的应变而造成断裂。

所述四个压电陶瓷薄片分别粘贴在四个支撑梁靠近固定端的位置，从而可以在振动时获得较大的应变。压电陶瓷薄片在反复振动过程中不断产生电荷，并通过压电陶瓷薄片的两个引出电极输出。

所述中央质量块通过安装孔安装在中央安装结构上，由多层质量薄片叠合而成，通过增减质量薄片的数量可以实现中央质量块质量的调节，从而间接实现整个结构的固有频率调节。

所述中央质量块质量应该在支撑梁的应力许可范围之内，否则在振动时容易造成四边支撑梁出现过大应力，形成不可逆形变。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明通过采用多个支撑梁结构来支撑中央质量块，由于四个支撑梁结构之间具有相互作用的力的关系，在振动时四个粘贴在支撑梁表面的压电陶瓷薄片应变分布较为均匀，能够提高压电陶瓷薄片的换能能力。

（2）、本发明中四个支撑梁表面应变分布均匀的特性决定该俘能器可以采用更大的质量块作为俘能结构，从而使俘能器从外界获得更多的振动能量输入。

（3）、本发明四个支撑梁结构分布在中央质量块的四个侧面，支撑梁结构占据整个俘能器体积的很小部分，中央质量块占据主要部分，布局合理，更加接近压电振动俘能器理想模型。

（4）、本发明所设计的压电振动俘能器在偏离谐振状态时，俘能器输出性能下降较为缓慢，具有更好的振源适应性。

（5）、本发明中的四个支撑梁结构可以采用柔性梁制作，由于四个支撑梁共同支撑中央质量块，可以使该俘能器采用柔性梁时依然可以工作，并且可以摆脱谐振工作状态的限制。

附图说明

图1为本发明压电振动俘能器结构顶视图；

图2为本发明压电振动俘能器结构侧视图；

图3为本发明的中央安装结构1的顶视图；

图4为本发明的中央安装结构安装臂夹板5的顶视图；

图5为本发明的四边支撑梁2A—2D任一边支撑梁的顶视图；

图6为本发明的中央质量块4的顶视图；

图7为本发明进行振动能量采集时的示意图。

符号说明：

1为中央安装结构；

2A—2D为四边支撑梁；

3A—3D为压电层；

4为中央质量块；

5为安装臂夹板；

6A-6D为外界振动激励。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1与图2所示，本发明的压电振动俘能器组成结构按标记顺序依次为：中央安装结构1、四边支撑梁2A-2D、压电层3A-3D和中央质量块4、安装臂夹板5。四个支撑梁的一端被中央安装结构安装臂与安装臂夹板夹持安装，中央质量块安装到中央安装结构正方形托板上，压电层粘贴在支撑梁表面。压电层上下两个面上带有引出电极，用来输出电荷。

如图3所示，为中央安装结构1的顶视图。其中11-14分别为四个安装臂，15为正方形质量块托板区域。四个安装臂分别分布在正方形质量块托板的四周，呈中心对称排列，其左侧边分别与正方形质量块托板的一个边重合。四个安装臂上分别带有安装孔，安装孔数量可以为2个或多个，用来安装支撑梁。

如图4所示，为安装臂夹板5顶视图。安装臂夹板与安装臂形状大小相同，并带有大小和位置都相同的安装孔。安装臂夹板与安装臂配合，分别用来对四个支撑梁进行夹持安装。

如图5所示，为支撑梁顶视图。支撑梁的一端带有与安装臂以及安装臂夹板相同的安装孔，通过三个结构的安装孔，可以采用螺钉对安装臂、支撑梁以及安装臂夹板进行固定安装。

如图6所示，为中央质量块薄片顶视图。中央质量块薄片采用大密度材料制作，每片厚度为1mm，片上带有2个安装孔。中央质量块薄片形状与中央安装结构正方形托板区域相同。多层质量块薄片层叠组成质量块，通过安装孔可以将质量块安装到正方形托板区域。

如图7所示，为本发明压电振动俘能器进行机械振动能量采集的示意图。图中6A-6D为形式完全相同的外界振动激励，由同一振源为俘能器提供。在俘能时，振动激励沿支撑梁平面垂线方向加载，俘能器跟随振源产生振动，由于中央质量块4具有较大的惯性，振动时会造成四周支撑梁2A-2D的弯曲变形，此时支撑梁表面压电层3A-3D出现应变，设支撑梁长度为L，支撑梁上某点距离固支端的距离用x表示，则应变表达式为：

$\mathrm{\ϵ}\left(x\right)=-L_0\frac{{\∂}^2{w}_{\mathrm{ref}}(x,t)}{{\∂x}^2}$

其中，ε(x)为压电层所产生的应变；L₀为应变位置距支撑梁中性轴的距离；w_ref(x,t)为中央质量块振动时的瞬时位移，与时间t有关。

每一个压电层由于应变而产生电荷，并通过引出电极输出电能，输出电压表达式为：

$V\left(\frac{x}{L}\right)=g_{31}\mathrm{E\ϵ}\left(\frac{x}{L}\right)L_b$

其中，L_b为压电层长度，g₃₁为压电材料压电电压常数，E为支撑梁弹性模量。

经过反复振动，每个压电层上下两个电极交替出现高电势，经过外部整流电路和储能电路可以将输出电能存储，从而实现对振动能量的采集。四个压电层电极可以分别采用串联与并联的方式进行电荷输出。

输出电能为交流形式，可采用目前常用的一般整流电路或者同步整流电路进行整流，整流之后可以将输出电能存储在普通电容、超级电容或者充电电池中。可以通过采用外部能量管理电路对能量进行分配，将能量传递给外部负载。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种压电振动俘能器，其特征在于：包括：中央安装结构（1）、中央质量块（4）、四边支撑梁（2A-2D）和压电层（3A-3D），所述中央安装结构（1）由正方形质量块托板(15)、四个安装臂（11-14）以及安装臂夹板（5）构成，四个安装臂（11-14）分布在正方形质量块托板(15)四周，均匀分布，每个安装臂上带有一个所述的安装臂夹板（5）；所述中央质量块（4）由单个或多个质量体组成，安装在中央安装结构（1）上；所述四边支撑梁（2A-2D）共有四个支撑梁，其中每个支撑梁的一端通过所述的安装臂安装到中央安装结构上，其中每个支撑梁的另一端与振动振源相连接；所述压电层为粘贴在每个支撑梁表面的压电陶瓷薄片，该薄片上具有引出电极，用来输出电荷。

2.根据权利要求1所述的压电振动俘能器，其特征在于：所述的中央安装结构安装臂共有四个，整体构型为长方体薄片，分别分布在正方形质量块托板(15)的外侧，并与正方形质量块托板有两条边重合，每个安装臂上带有安装孔，用来安装支撑梁结构。

3.根据权利要求1或2所述的压电振动俘能器，其特征在于：安装臂夹板（5）共有四个，并且与安装臂形状相同。

4.根据权利要求1或2所述的压电振动俘能器，其特征在于：所述的四边支撑梁共有四个支撑梁，整体构型为细长的长方体金属片，并完全相同，每个支撑梁的一端带有安装孔，用来与安装臂进行安装，安装后四个支撑梁呈中心对称排列。

5.根据权利要求1或2所述的压电振动俘能器，其特征在于：所述的压电层为比支撑梁尺寸略小的压电陶瓷薄片，共有四个，并且大小相同，采用固化剂粘贴在支撑梁表面。

6.根据权利要求1或2所述的压电振动俘能器，其特征在于：中央质量块采用多层质量薄片叠合而成，每片形状大小与中央安装结构正方形托板区域面积相同，采用密度较大的材料制作。

7.根据权利要求1或2所述的压电振动俘能器，其特征在于：四边支撑梁被中央安装结构安装臂及安装臂夹板夹持安装。

8.根据权利要求1或2所述的压电振动俘能器，其特征在于：四边支撑梁分布在中央质量块的四周，紧密排列，以减小整个结构的体积。

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