CN103647475A - 一种宽频压电振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽频压电振动能量收集装置，包括至少为两个呈阵列分布的悬臂梁、质量块、碰撞尖端、固定支架、压电片和基底；悬臂梁的一端与固定支架连接，悬臂梁的自由端下表面固定有碰撞尖端；质量块与悬臂梁一一对应，并固定于悬臂梁的自由端；压电片位于基底表面；压电片设置有上电极和下电极；基底位于阵列分布的悬臂梁的正下方，且固定于固定支架上。通过利用阵列式悬臂梁把外界振动转变为悬臂梁对基底的机械撞击，使设置于基底表面的压电片产生形变，进而转化为电能形式输出。根据实际环境中的振动源频率范围，设计悬臂梁的个数和谐振频率，使阵列式悬臂梁的谐振频率范围覆盖环境中振动源频带宽度，实现宽频的能量收集。

Description

一种宽频压电振动能量收集装置

技术领域

本发明涉及一种能量收集装置，特别涉及一种压电振动能量收集装置。

背景技术

近年来，随着微电子技术和无线技术的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。无线传感器网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术，不仅在战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等军事领域具有重要应用和军事价值，而且在社会建设的各个层面和人们的日常生活当中也有重要应用，比如生活中桥梁、建筑物安全性实时监测等。通常情况下，这些无线传感网络节点设备都是依靠传统的电池来提供能量，如镍氢电池、锂聚合物电池等。传统电池存在一些缺点，一是供能寿命有限，不可循环利用，使用一段时间后需要更换或者充电，对于分布在气候恶劣或者遥远地区的无线传感器网络而言，这是个很严重的制约条件；二是相对于微型传感器其体积仍然较大，限制了微传感器的进一步小型化。为了解决这些问题，研究人员提出了可以实现从周围环境吸收能量的能量收集器，有效解决了电池寿命有限、更换不便的困难。

目前，能量收集器的类型主要有压电式、静电式以及电磁式，三者之中，压电式能量收集器通过吸收环境中普遍存在的振动能量输出电能，具有可实现循环利用，能与MEMS技术很好地集成、能量输出密度大、无需启动电源以及结构简单等优点，其结构类型有悬臂梁式、Cymbal式、堆叠式等，其中悬臂梁结构是压电能量收集器的主流结构。

当周围环境振动源的频率与能量收集器谐振频率一致时，压电振动能量收集器收集效率高；然而当周围环境振动源的频率偏离悬臂梁谐振频率时，输出能量会急剧减少，收集效率低。周围环境中的振动源都具有一定频带宽度，能量收集器也具有一定的频带宽度，但是能量收集器存在频带窄，不能完全覆盖环境中振动源频带宽度的问题，导致能量收集效率低，限制了收集器在宽频振动环境中的应用。因此如何拓宽能量收集器的频带宽度是发展能量收集器面临的主要技术挑战之一。

目前，为解决压电振动能量收集器能在宽频振动环境中工作的问题，国内外提出了各种各样的解决方案。比如2008年Challa等人提出的磁式悬臂梁能量收集器，在单臂梁的基础上分别在装置的顶端、底端和梁的自由端沿垂直方向固定磁铁，通过调节磁铁间的距离改变梁的固有频率来实现宽频的能量收集，但是每次改变磁铁间的距离需要花费一定的时间，不能适应频率变化快的环境，而且不易实现集成化、微型化。Shahruz在2006年设计的阵列式压电悬臂梁能量收集器，利用多个贴有压电片的悬臂梁采用阵列方式分布，每个悬臂梁具有不同的几何尺寸而具有不同的谐振频率，每个梁相当于一个电源，通过串联的连接方式输出能量来达到拓频的效果，其缺点是梁与梁之间串联或并联存在相位差而产生耦合干扰，能量收集效率低。2010年南京航空航天大学申请了一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置的专利（CN201010601354.3），其中装置结构包括多个具有不同谐振频率的悬臂梁，每个悬臂梁上贴有压电片，悬臂梁之间通过串联或并联连接方式输出能量，达到拓宽频带宽度的效果，但是也存在因串联或并联方式产生耦合干扰导致能量收集效率低的问题。2012年重庆大学申请的关于宽频带微型压电振动能量收集器专利（CN201210459561.9）同样存在因串联或并联方式产生耦合干扰导致能量收集效率低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种宽频压电振动能量收集装置，能够应用在一定频带宽度振动源的环境中，同时避免了多个悬臂梁因串联或并联方式存在相位差而产生耦合干扰和内阻增加等问题，高效率的将环境中的振动能量转换为电能，而且可以连续输出电能。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种宽频压电振动能量收集装置，包括悬臂梁、质量块、碰撞尖端、固定支架、压电片和基底。

所述悬臂梁至少为两个，呈阵列分布；所述悬臂梁的一端与所述固定支架连接，所述悬臂梁的自由端下表面固定有所述碰撞尖端；所述质量块与所述悬臂梁一一对应，并固定于所述悬臂梁的自由端；所述压电片位于所述基底表面；所述压电片设置有上电极和下电极；所述基底位于所述阵列分布的悬臂梁的正下方，且固定于所述固定支架上。

作为优选，所述质量块的质量不相同，具体质量根据实际环境中的振动源频率范围设置。

作为优选，所述悬臂梁的形状可以为矩形或梯形或曲线形。

作为优选，所述悬臂梁阵列分布的形状可以为矩形或方形或圆形或椭圆形。

作为优选，所述碰撞尖端距基底的距离可以根据实际环境中的振动源频率范围及振动强度进行设置。

作为优选，所述碰撞尖端的形状可以为锥形或圆柱形。

作为优选，所述所述压电片为至少一片。

作为优选，所述所述压电片位于所述基底的上表面或下表面。

作为优选，所述所述压电片位于所诉基底上表面和下表面。

作为优选，所述压电片之间采用串联或并联的连接方式输出能量。

作为优选，所述压电片的材料可选用压电陶瓷或氮化铝或氧化锌或PVDF。

作为优选，所述基底的材料可选用铜或铝或硅。

相对于现有技术，本发明提供的一种宽频压电振动能量收集装置具有以下优点和有益效果：

1.通过多梁与基底碰撞方式传递机械能，使基底发生形变，利用基底上的压电片进行能量收集，可以避免多个悬臂梁因串联或并联的连接方式存在相位差而产生耦合干扰和内阻增加等问题，从而提高能量收集的效率。

2.采用不同谐振频率的悬臂梁阵列，当振动源频率在悬臂梁谐振频率范围内变化时，总有一个或多个悬臂梁产生较大形变与下方的基底发生碰撞，避免了因调节谐振频率导致电压间断性输出的问题，可以得到连续输出的有效电压，更能适应频率变化快的振动环境。

3.由于每个碰撞尖端与基底的距离可以根据实际环境中的振动源频率范围及振动强度进行设置，比如通过设置可以使得每个处于谐振状态的悬臂梁通过碰撞尖端给基底带来的形变大致相同，使得在不同的共振频率下，压电片输出的电压始终是大致相同的，有稳压的效果。

4.本发明还具有易实现集成化和微型化的优点。

附图说明

图1是本发明优选实施例的三维结构示意图；

图2是本发明优选实施例的结构俯视图；

图3是本发明优选实施例的结构截面图；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

结合图1、图2和图3所示，本发明提供一种宽频压电振动能量收集装置，包括悬臂梁2、质量块1、碰撞尖端3、固定支架4、压电片5和基底6，本实施例中所述悬臂梁2优选为矩形、碰撞尖端3优选为锥形、基底6优选为圆形。

所述悬臂梁2的数量为六，呈圆形阵列分布；所述悬臂梁2的一端与所述固定支架4连接，所述悬臂梁2的自由端下表面固定有所述碰撞尖端3；所述质量块1为六个；所述质量块1与所述悬臂梁2一一对应，并固定于所述悬臂梁2的自由端；所述压电片5位于所述基底6的上表面；所述压电片5设置有上电极7和下电极8；所述基底位5于所述阵列分布的悬臂梁2的正下方，且固定于所述固定支架4上

所述质量块1具有不同的质量，可以根据实际环境中振动源频率变化范围进行匹配，获得不同的谐振频率。

所述碰撞尖端3固定在悬臂梁2自由端的下端，根据所述悬臂梁的谐振频率和振动强度调节每个碰撞尖端与所述基底的距离。

由于压电片不再串联于每条悬臂梁上，很好地解决了因为多个悬臂梁串联而产生的多余内阻以及电压耦合干扰，同时也避免了多个悬臂梁串联后，处于非谐振状态的悬臂梁上的压电片对于处于谐振状态的悬臂梁上的压电片所产生的抑制作用，提高了能量收集效率。

当悬臂梁受到外界激励产生振动时，通过碰撞尖端向基底传递机械能，基底带动压电片发生形变从而产生电能，通过压电片上的上下电极输出能量。由于设置了多条悬臂梁，每条悬臂梁的谐振频率均不相同，这样就使得所述宽频压电振动能量收集装置在一个比较宽的频率范围内都能保证至少有一个悬臂梁发生共振而向基底传递机械能。避免了因调节谐振频率导致电压间断性输出的问题，可以得到连续输出的有效电压，更能适应频率变化快的振动环境。

由于每个碰撞尖端与基底的距离可以根据实际环境中的振动源频率范围及振动强度进行设置，达到所需的输出电压。比如通过设置可以使得每个处于谐振状态的悬臂梁通过碰撞尖端给基底带来的形变大致相同，使得在不同的共振频率下，压电片输出的电压始终是大致相同的，有稳压的效果。

综上所述，本发明提出的宽频压电振动能量收集装置，能收集环境中具有一定频带宽度振动源的能量，有效拓宽了工作频率宽度，同时提高了能量收集效率，而且易实现微型化、集成化，扩宽了适用范围，增强了实用性。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (12)

1.一种宽频压电振动能量收集装置，包括悬臂梁、质量块、碰撞尖端、固定支架、压电片和基底；

所述悬臂梁至少为两个，呈阵列分布；所述悬臂梁的一端与所述固定支架连接，所述悬臂梁的自由端下表面固定有所述碰撞尖端；所述质量块与所述悬臂梁一一对应，并固定于所述悬臂梁的自由端；所述压电片位于所述基底表面，所述压电片设置有上电极和下电极；所述基底位于所述阵列分布的悬臂梁的正下方，且固定于所述固定支架上。

2.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述质量块的质量不相同，具体质量根据实际环境中的振动源频率范围设置。

3.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁的形状可以为矩形或梯形或曲线形。

4.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁阵列分布的形状可以为矩形或方形或圆形或椭圆形。

5.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述碰撞尖端距基底的距离可以根据实际环境中的振动源频率范围及振动强度进行设置。

6.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述碰撞尖端的形状可以为锥形或圆柱形。

7.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片的数量为至少一片。

8.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片位于所述基底的上表面或下表面。

9.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片位于所述基底的上表面和下表面。

10.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片之间采用串联或并联的连接方式输出能量。

11.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片的材料可选用压电陶瓷或氮化铝或氧化锌或PVDF。

12.根据权利要求1所述的一种宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述基底的材料可选用铜或铝或硅。

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