CN103888023A - 一种压电发电悬臂梁机构 - Google Patents

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吴越
杨志刚
陈龙
李新波
张东伟
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本发明涉及一种压电发电悬臂梁机构，包括：基座（1）、弹性基板（2）、压电材料薄片（3）、质量块（4）和导线，其中弹性基板（2）一端与基座（1）连接，压电材料薄片（3）与弹性基板（2）层合，质量块（4）布置在弹性基板（2）远离基座（1）的一端；所述压电材料薄片（3）表面布置有电极（31）和电极（32），且电极（31）和电极（32）之间布置电极分割线（33），所述电极分割线（33）由沿着悬臂梁从基座（1）指向分布质量（4）方向的中线上未布置电极的区域形成；所述质量块（4）对称于电极分割线（33）分布布置；构成一种具有多模态特性的压电悬臂梁发电机构，具有宽频特性。

Description

一种压电发电悬臂梁机构
技术领域
本发明涉及一种压电发电悬臂梁机构，尤其涉及一种利用压电悬臂梁的多变形模态压电发电机构。
背景技术
用于收集随机振动能量的压电悬臂梁发电装置最基本结构如图1所示，由基座1，弹性基板2，压电陶瓷晶片3和集中质量块4构成，基座的振动带动系统振动，引起压电悬臂梁弯曲，压电陶瓷产生应变与应力，通过压电特性将应力转化为两电极间的电压，形成发电能力，再通过收集电路对所产生的电能进行收集。这种发电装置存在一个最优的工作频率，即系统的一阶弯曲振动模态固有频率。为了构建宽频的压电发电装置，也有一些新的结构被提出，如：用多个具有不同固有频率的悬臂梁构成复合式的发电装置，这类新结构都具有比较复杂的结构，并未从根本上增加单个压电悬臂梁的频宽；另一种新的形式是利用同一压电悬臂梁的多阶弯曲振动，增加系统的共振频率点个数以优化系统的频率特性，而该方法所用的各阶弯曲振动固有频率相互耦合无法进行独立的设计与控制，发电效果的实际增强并不明显。特别是在低频条件下，由于系统的共振频率的频宽随着固有频率的降低而减小，频宽对压电悬臂梁发电应用的限制表现的更加明显。
发明内容
为了克服现有压电悬臂梁发电机构在低频工作条件下频宽小不能充分利用振动能量的不足，提出一种可将压电悬臂梁的弯曲模态和扭转模态固有频率解耦的双惯性压电悬臂梁机构，将压电悬臂梁的弯曲振动固有频率与扭转运动固有频率依次调整，以将两模态的固有频率布置在所需的频率范围内，增强压电悬臂梁机构的总体频宽。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明双惯性多模态压电悬臂梁发电装置，包括基座、弹性基板、压电材料薄片、两个相同的质量块，其中基座与振动源连接，弹性基板的一端固定在基座上，弹性基板的另一端布置有两个质量块，压电材料薄片层合在弹性基板的表面。
所述的压电陶瓷薄片表面电极分割成两个区域，电极分割线是基板沿着从基座指向质量块方向的中线。
所述的两个质量块质量中心的连线与上述分割电极的电极分割线垂直。
所述的弹性基板是压电陶瓷的一个电极，可以由导体构成，当由非导体构成时，其表面要层合导体材料作为电极。
工作时所述基座直接与振动源作用产生随机振动，基座带动弹性基板运动，在质量块惯性的作用下，弹性基板发生沿着弹性基板从基座指向质量块方向的弯曲变形或扭转变形，引起层合在弹性基板上的压电材料薄片内部产生应变和应力，在压电材料的压电效应作用下，压电材料薄片表面分布的两个电极与基板之间分别产生电压。在弯曲模态下，两侧电极的变形方向相同，两电极与基板间的电压方向相同；在扭转模态下，两侧电极的变形方向不同，两电极与基板间的电压方向也不同，此时如没有电极分割线将压电材料薄片上的电极分为两个部分，电极的两个区域所产生的电压和电量相互抵消不能形成发电能力。
本发明机构可以对扭转模态与弯曲模态固有频率解耦调整，首先通过调整所述质量块的质量将系统的弯曲模态固有频率调整到所需的区间；再调整两质量块之间的距离，改变绕两质量块共同质量中心的惯性矩的大小，可实现扭转模态固有频率的调整，增加质量块之间距离可增加惯性矩，扭转模态固有频率降低，减小质量块之间距离可减小惯性矩，扭转模态固有频率升高。
本发明专利的有益效果是：可以利用单一的压电悬臂梁结构实现弯曲模态和扭转模态两种振动形式能量的收集，且在两种模态固有频率时都会出现能量转化效果明显增强的频率区间。
附图说明
图1为最基本的集中质量块式悬臂梁发电装置示意图。
图2为本专利的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施实例对本发明结构及原理做进一步详细描述。
参照图2，本发明的双惯性多模态压电悬臂梁发电机构由一个与振动源直接作用的基座1作为系统的动力输入端，用金属材料构成的弹性基板2一端粘接在基座1上，另一端分布有2组质量块4通过粘接层41与弹性基板2连接，压电材料薄片3粘接在弹性基板的表面，压电材料薄片3上包括对称布置的电极31和电极32，两个电极31和电极32间的分隔线33是沿着悬臂梁从基座1指向分布质量4方向的中线，在电极31上焊接有导线51，电极32上焊接有导线52，基板2上焊接有导线53。
工作时，基座1获得环境中振动源的激励产生随机振动，弹性基板2与基座固定的一端随基座运动，结合分布式质量块4的惯性作用，弹性基板2发生弹性变形，带动粘接在弹性基板2表面的压电材料薄片3使之发生弹性变形，压电材料薄片3内部产生应变和应力，在压电效应的作用下于电极31、电极32与基板2之间产生电压，且通过导线51、导线53和导线52、导线53分别输出，形成发电能力。
当基座1在外界随机振动激励下整体发生垂直于基板2布置方向的运动时，系统产生以弯曲模态为主的振动，在接近弯曲模态固有频率时振动能量转换效率增加，当基座1在外界随机振动条件下沿着基板2布置方向的两端位移相反时，系统发生以扭转模态为主的振动，在接近扭转模态固有频率时振动能量转换效率增加。由于基座1受到的是随机振动的激励，因此系统工作在弯曲振动模态和扭转振动模态的几率相近，因此该系统在上述两种模态的固有频率附近都有振动能量转化效率增加的特性，即本实施方式具有两个最优工作频率区间，实现与以往单纯利用系统弯曲振动模态的压电悬臂梁发电装置相比增大带宽的效果。

Claims (3)

1.一种压电发电悬臂梁机构，包括：基座（1）、弹性基板（2）、压电材料薄片（3）、质量块（4）和导线，其中弹性基板（2）一端与基座（1）连接，压电材料薄片（3）与弹性基板（2）层合，质量块（4）布置在弹性基板（2）远离基座（1）的一端；
所述弹性基板（2）为导体材料或表面层合导电层的绝缘材料；所述压电材料薄片（3）表面布置有电极（31）和电极（32），且电极（31）和电极（32）之间布置电极分割线（33），所述电极分割线（33）由沿着悬臂梁从基座（1）指向分布质量（4）方向的中线上未布置电极的区域形成；所述质量块（4）对称于电极分割线（33）分布布置；
导线（51）与电极（31）连接；导线（52）与电极（32）连接；导线（53）与基板（2）连接；导线（51）和导线（53）接入能量转换和储存电路；导线（52）和导线（53）接入能量转换和储存电路。
2.根据权利要求1所述的压电发电悬臂梁机构，其特征在于：所述分布质量（4）可布置在弹性基板（2）的一侧表面上，也可以同时布置在弹性基板（2）的两侧表面上。
3.根据权利要求1所述的压电发电悬臂梁机构，其特征在于：所述压点材料薄片（3）可以是一片布置在弹性基板（2）的一侧表面，也可以是两片分别布置在弹性基板（2）的两侧表面。
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