CN103023378B - 宽频带多方向振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及一种宽频带多方向振动能量采集器，属于新能源和发电技术领域。壳体由6块金属板和上盖板、下盖板构成，金属板上端和下端分别用直角型固定片和螺钉固定在上盖板和下盖板之间。所述的金属板设有用于固定压电振子的连接座，压电振子用螺钉固定在所述的连接座上；所述的压电振子由一个水平悬臂梁和两个垂直悬臂梁组成的T型结构，每个悬臂梁由金属基板和压电晶片粘接而成，水平悬臂梁的一端通过螺钉固定在金属板连接座上，另一端安装有金属质量块，两个垂直悬臂梁的一端固定在水平悬臂梁末端金属块上，另一端安装有磁铁；壳体的上盖板和下盖板上安装有磁铁；所述的两个垂直悬臂梁末端的磁铁和壳体上盖板、下盖板上的磁铁的同性磁极相对安装。优点在于：可实现宽频带、多方向及低频的振动能量采集。

Description

宽频带多方向振动能量采集器

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种宽频带多方向振动能量采集器，用于宽频带、多方向及低频的振动能量采集。

背景技术

为满足微小型低功耗电子产品和无线传感器网络节点的自供电需求，减少废弃电化学电池对环境的污染，基于压电、静电、磁电以及压电与磁电复合等原理的微型环境能量采集器的研究已成为国内外研究的热点。压电振动能量采集器由于具有结构简单、易于制作、易于小型化和集成化、且能量转换密度高等优点，具有广泛的应用前景，目前已逐步用于无线传感器网络、结构在线健康检测以及无线收发系统等领域。

国内外有较多的专利申请涉及压电振动能量采集器，典型的压电能量采集器结构主要是悬臂梁单晶片或悬臂梁双晶片压电振子，这些压电振子结构的谐振频带比较窄，难以获得较高的能量转换效率。为提高压电能量采集器的能量转换效率、增加压电能量采集器的有效频带宽度，目前出现了由多个压电振子构成能量采集器，如，中国发明专利201210088945.4提出了一种非接触激励的多维振动能量采集器，可实现任意方向、低频及大振幅的振动能量采集；中国发明专利201010601354.3提出了一种多个悬臂梁压电振子构成蒲公英状的能量采集器，可实现纵向振动和一个水平方向的振动能量采集；中国发明专利200810106046.6提出一种不同长度水平悬臂梁压电振子构成的宽频带压电能量采集器，等等。通常仅当压电振子谐振频率与环境振动频率一致时压电能量采集器的发电能力和能量转换效率达到最大，但事实上压电振子的谐振频率通常要高于环境振动频率，因此，直接利用压电振子采集环境振动能量的效果并不显著。为降低压电振子的谐振频率常用的方法是在压电振子末端安装质量块，该方法存在两个问题：1.当所安装的质量块较大时，压电振子产生的静态变形较大，在动态工作过程中会因变形过大而损坏；2.当所安装的质量较小时，对压电振子谐振频率的降低效果不明显，无法使得压电振子谐振频率与环境振动频率的相一致。另外，现有压电能量采集器对多方向振动源的响应能力不足，仅局限于对单一方向的振动能量采集。可见，工作频带窄、谐振频率高及振动能量采集方向单一是现有压电振动能量采集器的主要技术瓶颈。

发明内容

本发明提出一种宽频带多方向振动能量采集器，以解决现有压电能量采集装置工作频带窄、谐振频率高、无法采集多方向振动能量等问题。

本发明采用的实施方案是：壳体由6块金属板构成一个六面体，相邻两块金属板之间的夹角为120度，金属板上端和下端分别用直角型固定片和螺钉固定在上、下盖板之间。所述的金属板设有用于固定压电振子的连接座，压电振子用螺钉固定在所述的连接座上；所述的压电振子由一个水平悬臂梁和两个垂直悬臂梁组成T型结构，每个悬臂梁由金属基板和压电晶片粘接而成，水平悬臂梁的一端通过螺钉固定在金属板连接座上，另一端安装有金属质量块，两个垂直悬臂梁的一端固定在水平悬臂梁末端金属块上，另一端安装有磁铁；壳体的上盖板和下盖板上安装有磁铁；所述的两个垂直悬臂梁末端的磁铁和壳体上盖板、下盖板上的磁铁的同性磁极相对安装。

本发明实施方式中，固定于壳体金属板连接座上的压电振子由一个水平悬臂梁和两个垂直悬臂梁组成T型结构。

本发明实施方式中，安装于每个金属板连接座上的压电振子数量分别为1个，总共有6个压电振子，每个压电振子可以采集垂直振动和任一水平方向振动能量，实现多方向采集的功能。

本发明实施方式中，每个T型压电振子中的两个垂直悬臂梁的长度是可以改变的，通过改变两个垂直悬臂梁的长度，使得T型压电振子的一阶模态频率和二阶模态频率之间的距离减小，两者串联起来实现宽频带的功能；此外，通过改变两垂直悬臂梁的长度，可以降低压电振子的谐振频率，使得压电振子谐振频率与环境振动频率相一致。

在本发明中，为增加压电振子的振动幅度、提高能量采集器的采集效率，在壳体的上盖板和下盖板以及每个T型压电振子中的两个垂直悬臂梁的末端都安装有一个磁铁，且两个垂直悬臂梁末端的磁铁和壳体上盖板、下盖板上的磁铁的同性磁极相对安装。在自然状态下，T型压电振子受到上、下两对磁铁排斥力而保持相对静止状态。当壳体受到外界任一方向振动时，T型压电振子的水平悬臂梁和两个垂直悬臂梁的受力状态和形状均发生改变，其主要表现为：1.水平悬臂梁和两个垂直悬臂梁在壳体振动时产生弯曲变形；2.弯曲变形使得垂直悬臂梁末端的磁铁与壳体盖板上的磁铁之间的距离和磁场力发生改变，在磁场力的排斥作用下，两个垂直悬臂梁的弯曲变形增加，由此引起水平悬臂梁的弯曲振动幅度也增大，从而提高压电振子的发电能力和转换效率。

本发明的特点及优势在于：1.利用6个T型压电振子均匀安装在壳体金属板上，可实现多方向的振动能量采集；2.改变T型压电振子中的两个垂直悬臂梁的长度可以降低压电振子的工作频率，可实现低频振动能量采集；3.改变T型压电振子中的两个垂直悬臂梁的长度可以减小压电振子一阶模态频率和二阶模态频率之间的距离，使两者串联起来实现宽频带能量采集的功能；4.压电振子工作时受磁场力的排斥作用，两个垂直悬臂梁和水平悬臂梁的变形增大，可提高压电振子的发电能力和转换效率。

附图说明

图1是本发明中能量采集器静止状态下的结构剖面示意图；

图2是图1的A-A剖面示意图；

图3是T型压电振子剖面示意图；

图4是本发明中能量采集器上下振动状态下某时刻的结构剖面示意图；

图5是本发明中能量采集器水平方向振动状态下某时刻的结构剖面示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，壳体1由6块金属板101、102、103、104、105、106构成一个六面体，相邻两块金属板之间的夹角为120度。金属板101、102、103、104、105、106分别通过其顶部的两个直角型固定片4和底部的两个直角型固定片10(1001、1002)以及螺钉7、8、13、14固定在上盖板5和下盖板11之间。金属板101、102、103、104、105、106中心分别设有一个用于固定T型压电振子3的连接座2，T型压电振子3通过螺钉9固定在连接座2上；T型压电振子3由一个水平悬臂梁301、两个垂直悬臂梁302、303、两个磁铁304、306和一个金属块305组成；水平悬臂梁301由金属基板30101和压电晶片30102粘接而成，其一端固定在连接座2上，另一端安装有金属块305；垂直悬臂梁302由金属基板30201和压电晶片30202粘接而成，其一端固定在金属块305的顶部，另一端安装有磁铁一304；垂直悬臂梁303由金属基板30301和压电晶片30302粘接而成，其一端固定在金属块305的底部，另一端安装有磁铁二306；上盖板5的底面安装有环形磁铁三6；下盖板11的顶面安装有环形磁铁四12；安装于压电振子垂直悬臂梁302末端的磁铁一304与安装在上盖板5底部的环型磁铁6的同性磁极相对安装；安装于压电振子垂直悬臂梁303末端的磁铁二306与安装在下盖板11顶部的环形磁铁12的同性磁极相对安装。

T型压电振子垂直悬臂梁302、303的长度可以改变，以便实现低频宽带的功能。

在自然状态下，T型压电振子3受到磁铁对(304、6)和磁铁对(306、12)的排斥力而保持相对静止状态。当壳体1受到外界任一方向振动时，T型压电振子3的相对静止状态被破坏，压电振子的水平悬臂梁301和两个垂直悬臂梁302、303的受力状态和形状均发生改变。水平悬臂梁301和两个垂直悬臂梁302、303在壳体1振动时产生弯曲变形，使得垂直悬臂梁302末端的磁铁一304与上盖板5底面的环形磁铁三6以及垂直悬臂梁303末端的磁铁二306与下盖板顶面的环形磁铁四12之间的距离和磁场力发生改变，在磁场力的排斥作用下，垂直悬臂梁302、303的弯曲变形增加，由此引起水平悬臂梁301的弯曲振动幅度也增大，从而提高压电振子的发电能力和转换效率，实现机械振动能转换成电能。

如图4所示，壳体1的上下振动会破坏T型压电振子3与磁铁对(304、6)和磁铁对(306、12)的排斥力之间的相对平衡状态；壳体1上下振动时，安装于金属板上的T型压电振子3的水平悬臂梁301作上下弯曲振动，并引起垂直悬臂梁302、303作水平方向弯曲振动。当壳体1作向上振动时(如图4所示)，左边T型压电振子的水平悬臂梁301也向上弯曲振动，垂直悬臂梁302向左弯曲振动，其末端磁铁一304与上盖板5底面的环形磁铁6之间的距离减小，排斥力增加，增加的排斥力迫使垂直悬臂梁302继续向左弯曲变形；同时，垂直悬臂梁303向右作弯曲振动，其末端磁铁二306与下盖板11顶面的环形磁铁12之间的距离增大，排斥力减小，垂直悬臂梁303在减小的排斥力作用下会继续向右弯曲变形，但其变形量要小于垂直悬臂梁302的变形量。反之，当壳体1作向下振动时，左边T型压电振子的水平悬臂梁301也向下弯曲振动，垂直悬臂梁302向右弯曲振动，其末端磁铁一304与上盖板5底面的环形磁铁6之间的距离增大，排斥力减小，减小的排斥力迫使垂直悬臂梁302继续向左弯曲变形；同时，垂直悬臂梁303向左作弯曲振动，其末端磁铁二306与下盖板11顶面的环形磁铁12之间的距离减小，排斥力增大，垂直悬臂梁303在增大的排斥力作用下会继续向右弯曲变形，但其变形量要大于垂直悬臂梁302的变形量。通理，右边T型压电振子的振动变形和左边T型压电振子的振动变形是完全一致。

如图5所示，壳体1在水平方向的振动会破坏T型压电振子3与磁铁对(304、6)和磁铁对(306、12)的排斥力之间的相对平衡状态；壳体1水平振动时，安装于金属板上的T型压电振子3的水平悬臂梁301作上下弯曲振动，并引起垂直悬臂梁302、303作水平方向弯曲振动。当壳体1作向右水平振动时(如图5所示)，左边T型压电振子的水平悬臂梁301作向下弯曲振动，垂直悬臂梁302向右弯曲振动，其末端磁铁一304与上盖板5底面的环形磁铁6之间的距离增大，排斥力减小，减小的排斥力迫使垂直悬臂梁302继续向右弯曲变形；同时，垂直悬臂梁303向左作弯曲振动，其末端磁铁二306与下盖板11顶面的环形磁铁12之间的距离减小，排斥力增大，垂直悬臂梁303在增大的排斥力作用下会继续向左弯曲变形，但其变形量要大于垂直悬臂梁302的变形量。右边T型压电振子的振动变形和左边T型压电振子的振动变形是完全相反的，即水平悬臂梁301向上弯曲振动，垂直悬臂梁302向右弯曲振动，其末端磁铁一304与上盖板5底面的环形磁铁6之间的距离减小，排斥力增大，增大的排斥力迫使垂直悬臂梁302继续向右弯曲变形；同时，垂直悬臂梁303向左作弯曲振动，其末端磁铁二306与下盖板11顶面的环形磁铁12之间的距离增大，排斥力减小，垂直悬臂梁303在减小的排斥力作用下会继续向左弯曲变形，但其变形量要小于垂直悬臂梁302的变形量。

当壳体1作向左水平振动时，左边T型压电振子的水平悬臂梁301作向上弯曲振动，垂直悬臂梁302向左弯曲振动，其末端磁铁一304与上盖板5底面的环形磁铁6之间的距离减小，排斥力增大，增大的排斥力迫使垂直悬臂梁302继续向左弯曲变形；同时，垂直悬臂梁303向右作弯曲振动，其末端磁铁二306与下盖板11顶面的环形磁铁12之间的距离增大，排斥力减小，垂直悬臂梁303在减小的排斥力作用下会继续向左弯曲变形，但其变形量要小于垂直悬臂梁302的变形量。右边T型压电振子的振动变形和左边T型压电振子的振动变形是完全相反的，即水平悬臂梁301向下弯曲振动，垂直悬臂梁302向左弯曲振动，其末端磁铁一304与上盖板5底面的环形磁铁6之间的距离增大，排斥力减小，减小的排斥力迫使垂直悬臂梁302继续向左弯曲变形；同时，垂直悬臂梁303向右作弯曲振动，其末端磁铁二306与下盖板11顶面的环形磁铁12之间的距离减小，排斥力增大，垂直悬臂梁303在增大的排斥力作用下会继续向右弯曲变形，但其变形量要大于垂直悬臂梁302的变形量。

Claims (3)

1.宽频带多方向振动能量采集器，其特征在于：由6个T型结构悬臂梁压电振子均匀固定在一个六面体空心棱柱金属壳体的内壁构成；所述的T型结构悬臂梁压电振子由一个水平的压电单晶片悬臂梁和两个垂直的压电单晶片悬臂梁组成，水平悬臂梁的一端通过螺钉固定在金属板连接座上，另一端安装有金属质量块，两个垂直悬臂梁的一端固定在水平悬臂梁末端金属块上，另一端安装有磁铁；壳体的上盖板和下盖板安装有磁铁。

2.根据权利要求1所述的宽频带多方向振动能量采集器，其特征在于：每个T型结构悬臂梁压电振子中的两个垂直悬臂梁的长度是可以改变的，通过改变两个垂直悬臂梁的长度，使得压电振子的一阶模态频率和二阶模态频率之间的距离减小，两者串联起来实现宽频带的功能；此外，通过改变两垂直悬臂梁的长度，可以实现压电振子工作频率的调谐，使得压电振子谐振频率与环境振动频率相一致。

3.根据权利要求1所述的宽频带多方向振动能量采集器，其特征在于：壳体的上盖板底面安装有一个环形磁铁，环形磁铁的N极与上垂直悬臂梁末端磁铁的N极相对，构成同极性相对安装形式；壳体的下盖板顶面安装有另一环形磁铁，环形磁铁的N极与下垂直悬臂梁末端磁铁的N极相对，构成同极性相对安装形式；在磁场排斥力的作用下，垂直悬臂梁和水平悬臂梁的变形增大，可提高压电振子的发电能力。