CN104022685A - 可调频阵列式压电悬臂梁俘能器及可调频阵列式压电悬臂梁俘能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构紧凑的高能效的可调频阵列式压电悬臂梁俘能器，通过将复数个压电堆栈阵列式间隔分布在铝合金基板两相对侧面，并根据该压电堆栈的不同调频能力来实现频率的调整，进而使得俘能器的共振频率可以高能效地根据周围环境的振动频率自动调整。同时，本发明还提供了一种运用于上述压电俘能器的调频阵列式压电悬臂梁俘能方法，通过磁铁和霍尔传感器组合检测压电悬臂梁自由端的位置信息，并输入给控制电路，所述控制电路根据该位置信息计算得到复数个压电堆栈阵列的最新电场边界条件值，并发送控制信号给复数个压电堆栈阵列更新最新电场边界条件值。

Description

可调频阵列式压电悬臂梁俘能器及可调频阵列式压电悬臂梁俘能方法

技术领域

本发明涉及新能源和发电技术技术领域，具体涉及一种可调频阵列式压电悬臂梁俘能器及可调频阵列式压电悬臂梁俘能方法，用于低频、环境振动频率在一定范围内变动的振动能量收集。 

背景技术

近年来，随着低能耗便携式电子设备以及自供电传感器或传感器网络的发展，为这些低能耗电子系统供电成为一个备受关注的课题。为了克服用电池供电带来的电池寿命低、更换麻烦等问题，利用周围环境能量的俘能技术得到许多关注和发展。在振动能俘能领域，压电俘能技术因有着高转换效率、结构紧凑和便于与微纳技术结合等特点而特别被关注。大多数振动能俘能器都采用弹簧质量阻尼结构并使该结构的共振频率与俘能器周围环境振动的频率一致。只要这两个频率存在很小的偏差，俘能器产生的能量就会显著减小。然而在实际应用中，周围环境的振动频率通常不是恒定不变的单一频率，而是分布在一定的频率范围之内。为解决这一问题，宽频和自调频压电俘能技术被提出和研究。目前自调频俘能技术尚未成熟，存在驱动装置体积较大及调频环节耗能过大等主要问题。 

发明内容

解决上述技术问题，本发明提供了一种结构紧凑的高能效的可调频阵列式压电悬臂梁俘能器，通过将复数个压电堆栈阵列式间隔分布在铝合金基板两相对侧面，并根据该压电堆栈的不同调频能力来实现频率的调整，进而使得俘能器的共振频率可以高能效地根据周围环境的振动频率自动调整。 

同时，本发明还提供了一种运用于上述压电俘能器的调频阵列式压电悬臂梁俘能方法，通过磁铁和霍尔传感器组合检测压电悬臂梁自由端的振幅和频率信息，并输入给控制电路，所述控制电路根据该振幅和频率信息计算得到复数个压电堆栈阵列的最新电场边界条件值，并发送控制信号给复数个压电堆栈阵列更新最新电场边界条件值。 

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种可调频阵列式压电悬臂梁俘能器，包括底板、固定基座、盖板、壳体和悬臂梁，所述壳体为一罩状壳体，该壳体与底座固定连接，所述壳体与底座之间构成容纳空腔，所述固定基座设置在容纳空腔内并与底座固定连接，所述固定基座为L型基座，盖板固定在该L型基座上相对该直角一侧，所述悬臂梁一端夹设在L型基座和盖板之间，所述悬臂梁包括一铝合金基板，该铝合金基板上两相对侧面设有复数个压电堆栈，所述复数个压电堆栈阵列式间隔分布在铝合金基板两相对侧面。所述悬臂梁的另一自由端设有一磁铁，该壳体内部相对该磁铁位置处设有一霍尔传感器，壳体外部设有控制电路板，所述复数个压电堆栈通过导线与控制电路板电性连接，该控制电路具有电子开关分别控制该复数个压电堆栈开路或短路，所述霍尔传感器的输出信号与控制电路板电性连接。阵列式间隔分布使得每个压电堆栈具有不同的调频能力，便于频率的调整。 

进一步的，每一压电堆栈由多个压电片堆叠而成。每一压电堆栈中压电片的堆叠方式使每个压电片的极化方向与形变方向一致，每一压电堆栈工作在d33耦合模式，使得调频能力显著地超过d31耦合模式。 

进一步的，所述复数个压电堆栈通过复数导线与控制电路板电性连接，该复数导线彼此独立，互不相连。 

进一步的，所述复数个压电堆栈和铝合金基板之间设有绝缘粘合剂层。通过设置该绝缘粘合剂层，既能够实现压电堆栈和铝合金基板的快速链接，又能够有效绝缘，防止电荷泄漏。 

一种运用于上述压电俘能器的调频阵列式压电悬臂梁俘能方法，包括以下步骤： 

步骤1：磁铁和霍尔传感器检测压电悬臂梁自由端的位置信息，并将该位置信息发送给控制电路板，该控制电路板内部具有电压放大电路、采样电路和模数转换电路，依次对该位置信息进行电压放大、采样和模数转换，得到电压波形，处理后的电压波形为常见的简谐波信号；

步骤2：控制电路根据该电压波形，计算出该波形的频率和波峰电压值，所得频率即为悬臂梁振动频率；

步骤3：每隔时间T进行判定，T取值300-400S，若振动幅度≥振动幅度阈值，该振动幅度阈值为1mm，则判定悬臂梁处于共振状态，启动休眠程序，否则判定悬臂梁偏离共振状态，则执行步骤4；

步骤4：根据步骤2中计算得到的的频率值查表2获得相对应的控制状态码，输出状态码后即可实现对压电片组的电场边界条件控制；

步骤5：每个压电片组两端由一个电子开关控制其开/短路状态，该电子开关根据控制器输出电压的高低进行开/短路操作，当控制电压为低电平时，电子开关断开，压电片组两端处于开路状态；当控制电压为高电平时，电子开关闭合，压电片组两端处于短路状态；

步骤6：控制程序结束后，进入休眠，重复执行步骤3。

本发明的可调频阵列式压电悬臂梁俘能器通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点： 

1、用压电堆栈的阵列式分布，通过改变其电场边界条件改变压电悬臂梁的共振频率，实现调频目的；

2、采用压电堆栈的d33耦合模式，使压电悬臂梁获得较大的共振频率变化范围；

3、改变电场边界条件可以是对压电堆栈两个电极进行短路/开路状态设置，也可以对压电堆栈两个电极进行电压差设置或阻抗设置，实现节能式频率调整，提高俘能效率；

4、压电堆栈既是俘能器件又是调频器件，结构紧凑。

本发明的可调频阵列式压电悬臂梁俘能方法，通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点： 

当底座振动频率在原来频率的70%至130%范围内变化时，可改变俘能器中部分压电堆栈的电场边界条件，进而调整压电悬臂梁的固有频率使之与底座振动频率吻合，提高俘能输出。改变电场边界条件可以是简单地使用电子开关对压电堆栈两极进行短路/开路状态设置，也可以对压电堆栈两极进行电压差连接。控制电路板对压电悬臂梁的振幅和频率进行间歇性检测，减少控制电路板所需要的能耗。

附图说明

图1是本发明中一个较佳实例中压电悬臂梁静态时的结构示意图； 

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。 

作为一个具体的实施例，如图1所示，本发明的一种可调频阵列式压电悬臂梁俘能器，包括底座11、固定基座8、盖板10、壳体和悬臂梁，所述壳体为一罩状壳体，该壳体与底座固定连接，具体的，壳体5通过螺钉安装在底座11上，所述壳体与底座之间构成容纳空腔，所述固定基座8设置在容纳空腔内并与底座固定连接，具体地，固定基座8通过螺钉安装在底座11上，所述固定基座8为L型基座8，盖板固定在该L型基座上相对该直角一侧，所述悬臂梁一端夹设在L型基座和盖板之间，固定基座8并与盖板10组合使用进行夹持该悬梁臂9。所述悬臂梁9包括一铝合金基板9，该铝合金基板9上两相对侧面设有复数个压电堆栈6，所述复数个压电堆栈和铝合金基板之间设有绝缘粘合剂层。通过设置该绝缘粘合剂层，既能够实现压电堆栈和铝合金基板的快速链接，又能够有效绝缘，防止电荷泄漏。所述悬臂梁的另一自由端设有一磁铁，该磁铁3通过粘合层4与所述可调频阵列式压电悬臂梁9自由端粘合。该壳体内部相对该磁铁位置处设有一霍尔传感器2，该霍尔传感器2通过螺钉安装在壳体5内侧，壳体外部设有控制电路板，所述复数个压电堆栈通过导线与控制电路板电性连接，该导线彼此独立，互不相连，所述霍尔传感器的输出信号与控制电路板电性连接，且该壳体上设有一通孔用于走导线和信号连接线。 

压电堆栈6与铝合金基板9之间用绝缘粘合层7隔绝，防止电荷泄漏。使用时，当底座11随主体结构沿垂直悬臂梁平面方向振动时，压电悬臂梁9跟随其做振动，同时拉伸/挤压压电堆栈6使其产生形变，压电堆栈6两端面通过压电效应产生电能。当底座11振动频率等于压电悬臂梁9固有频率时，压电悬臂梁9产生共振，压电堆栈6形变量最大，获得最大电能输出；当底座11振动频率在压电悬臂梁9固有频率的70%至130%范围内变化时，通过控制电路板1的检测、控制电路改变压电堆栈6的电场边界条件，进而调整压电悬臂梁9的固有频率使之与底座11振动频率吻合，获得最大电能输出。磁铁3和霍尔传感器2组合使用对压电悬臂梁9自由端的位置进行检测，并输出检测信号至控制电路板1。控制电路板1对压电悬臂梁9的振幅和频率进行间歇性检测，根据检测数据确定控制方案，控制改变各压电堆栈6的电场边界状态。 

本发明提供了一种运用于上述压电俘能器的调频阵列式压电悬臂梁俘能方法，包括以下步骤： 

步骤1：磁铁和霍尔传感器检测压电悬臂梁自由端的位置信息，并将该位置信息发送给控制电路板，该控制电路板内部具有电压放大电路、采样电路和模数转换电路，依次对该位置信息进行电压放大、采样和模数转换，得到电压波形，处理后的电压波形为常见的简谐波信号。

步骤2：控制电路根据该电压波形，计算出该波形的频率和波峰电压值，所得频率即为悬臂梁振动频率，波峰电压值可根据匹配关系表查表1得到悬臂梁的实际振动幅度大小。表1如下： 

步骤3：每隔时间T进行判定，T取值300-400S，若振动幅度≥振动幅度阈值，该振动幅度阈值为1mm，则判定悬臂梁处于共振状态，启动休眠程序，否则判定悬臂梁偏离共振状态，则执行步骤4；

判断振幅大于1mm，则是通过判定波峰电压值是否大于9F来实现的，1mm对应的波峰电压值为十六进制数9F，则将控制器检测得到的波峰电压值与9F做比较，若大于等于，则休眠，重复步骤3，若小于，则启动控制程序，进入步骤4；

步骤4：根据步骤2中计算得到的的频率值查表2获得相对应的控制状态码，输出状态码后即可实现对压电片组的电场边界条件控制。表2如下所示：

表2

步骤5：每个压电片组两端由一个电子开关控制其开/短路状态，该电子开关根据控制器输出电压的高低进行开/短路操作。当控制电压为低电平时（即为0），电子开关断开，压电片组两端处于开路状态；当控制电压为高电平时（即为1），电子开关闭合，压电片组两端处于短路状态。控制程序结束后，进入休眠，重复步骤3。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种可调频阵列式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：包括底板、固定基座、盖板、壳体和悬臂梁，所述壳体为一罩状壳体，该壳体与底座固定连接，所述壳体与底座之间构成容纳空腔，所述固定基座设置在容纳空腔内并与底座固定连接，所述固定基座为L型基座，盖板固定在该L型基座上相对该直角一侧，所述悬臂梁一端夹设在L型基座和盖板之间，所述悬臂梁包括一铝合金基板，该铝合金基板上两相对侧面设有复数个压电堆栈，所述复数个压电堆栈阵列式间隔分布在铝合金基板两相对侧面；

所述悬臂梁的另一自由端设有一磁铁，该壳体内部相对该磁铁位置处设有一霍尔传感器，壳体外部设有控制电路板，所述复数个压电堆栈通过导线与控制电路板电性连接，该控制电路具有电子开关分别控制该复数个压电堆栈开路或短路，所述霍尔传感器的输出信号与控制电路板电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种可调频阵列式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：每一压电堆栈由多个压电片堆叠而成，每一压电堆栈中压电片的堆叠方式使每个压电片的极化方向与形变方向一致。

3.根据权利要求1所述的一种可调频阵列式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述复数个压电堆栈通过复数导线与控制电路板电性连接，该复数导线彼此独立，互不相连。

4.根据权利要求1所述的一种可调频阵列式压电悬臂梁俘能器，其特征在于：所述复数个压电堆栈和铝合金基板之间设有绝缘粘合剂层。

5.一种运用于权利要求1至5的压电俘能器的调频阵列式压电悬臂梁俘能方法，其特征在于：

步骤1：磁铁和霍尔传感器检测压电悬臂梁自由端的位置信息，并将该位置信息发送给控制电路板，该控制电路板内部具有电压放大电路、采样电路和模数转换电路，依次对该位置信息进行电压放大、采样和模数转换，得到电压波形，处理后的电压波形为常见的简谐波信号；

步骤2：控制电路根据该电压波形，计算出该波形的频率和波峰电压值，所得频率即为悬臂梁振动频率；

步骤3：每隔时间T进行判定，T取值300-400S，若振动幅度≥振动幅度阈值，该振动幅度阈值为1mm，则判定悬臂梁处于共振状态，启动休眠程序，否则判定悬臂梁偏离共振状态，则执行步骤4；

步骤4：根据步骤2中计算得到的的频率值查表2获得相对应的控制状态码，输出状态码后即可实现对压电片组的电场边界条件控制；

步骤5：每个压电片组两端由一个电子开关控制其开/短路状态，该电子开关根据控制器输出电压的高低进行开/短路操作，当控制电压为低电平时，电子开关断开，压电片组两端处于开路状态；当控制电压为高电平时，电子开关闭合，压电片组两端处于短路状态；

步骤6：控制程序结束后，进入休眠，重复执行步骤3。