CN104158439A - 基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

一种基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，由基座、能多方向振动的弹性机构Ⅰ、支撑座和多个换能单元组成；所述弹性机构Ⅰ的一端与基座上端面连接，弹性机构Ⅰ的另一端与支撑座下端面连接；换能单元设置于支撑座的上端面上，多个换能单元沿支撑座周向分布；所述换能单元的结构为：在支撑座上端面上设置压电薄膜，压电薄膜与支撑座表面围成封闭腔体，封闭腔体内放置有钢球，压电薄膜与钢球之间留有间隙。本发明的有益技术效果是：提出了一种能对多维振动能量进行全向、高效采集的新装置。

Description

基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器

技术领域

    本发明涉及一种能量采集器，尤其涉及一种基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器。

背景技术

在各种能量形式中，机械振动能量具有稳定、分布广泛和易于获取的优点，现有技术中，用于采集振动能量的手段主要有静电式、电磁式、磁电式和压电式四种，其典型方案如磁电式能量采集装置（中国发明专利CN102931877A、CN103560640A等）、静电式能量采集装置（中国发明专利CN101941671A、CN102522915A等）、电磁式能量采集装置（中国发明专利CN101860169A、CN102158039A、CN102158039A等）、压电式能量采集装置（中国发明专利CN103746602A、CN102185097A、CN10764532A等）；

现有技术存在的问题是：振动能量的产生存在随机性，其方向不确定，大多数情况下是多维的，而现有的振动能量采集方式的采集效率较低，无法做到对多维振动的全向采集。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其创新在于：所述多维宽带振动能量采集器由基座、能多方向振动的弹性机构Ⅰ、支撑座和多个换能单元组成；所述弹性机构Ⅰ的一端与基座上端面连接，弹性机构Ⅰ的另一端与支撑座下端面连接；换能单元设置于支撑座的上端面上，多个换能单元沿支撑座周向分布；所述换能单元的结构为：在支撑座上端面上设置压电薄膜，压电薄膜与支撑座表面围成封闭腔体，封闭腔体内放置有钢球，压电薄膜与钢球之间留有间隙。

前述方案的原理是：与现有器件的功能划分相似地，本发明的装置也由振动感知结构和换能单元两部分组成，其中，由基座、弹性机构Ⅰ和支撑座所组成的结构体即为振动感知结构，由压电薄膜、钢球和支撑座端面所组成的结构体即为换能单元，其基本原理是：当外部振动激励作用到基座上时，在弹性机构Ⅰ的传动作用下，支撑座就会发生振动，振动能量也随之被换能单元所采集；相比于现有的振动能量采集装置，本发明的创新性集中体现于两点，其一，对多维振动的全向感知，其二，在对多维振动进行全向感知的基础上，对多维振动的能量进行高效采集；具体来说，本发明是这样实现前述两点创新性的：针对第一点，本发明中采用了弹性机构Ⅰ来形成悬臂梁结构（弹性机构Ⅰ可采用弹簧或圆柱形的弹性杆），基于对弹性机构Ⅰ特性的认识，我们可以知道，当振动发生时，弹性机构Ⅰ可以对任意方向上的振动作出感知，从而实现对多维振动全向感知的目的；针对第二点，本发明中采用压电薄膜和支撑座端面来形成封闭腔体并内置钢球，由于钢球为球形结构，可以向任意方向滚动，这就很好的适应了振动的多向性，从而实现了对多维振动能量的高效采集；其中，换能单元的能量采集原理是：压电薄膜是工程领域中常见的、用于实现机械能与电能相互转换的功能材料，当钢球在支撑座端面的倾斜作用或碰撞作用下发生位移时，钢球就会挤压压电薄膜，压电薄膜随之发生形变并产生压电输出，本发明中将压电薄膜和支撑座端面创造性地结合为封闭腔体，实现对钢球的全向包裹，从而实现对多维振动能量的全向采集，大幅提高了能量采集效率。

优选地，所述支撑座的截面为圆形，弹性机构Ⅰ与支撑座同轴设置。

为了增加弹性机构Ⅰ形变时的振动幅度，本发明还作了如下改进：所述支撑座的外周面上连接有多个质量块，多个质量块沿支撑座周向均匀分布。

在前述质量块方案的基础上，为了更进一步地增加弹性机构Ⅰ振动幅度，本发明还作了如下改进：所述质量块和支撑座之间通过能多方向振动的弹性机构Ⅱ连接。

优选地，所述质量块的数量与换能单元的数量相同。

优选地，所述质量块在支撑座周向上的位置与换能单元错位设置。

优选地，所述压电薄膜为半球面形，压电薄膜与支撑座表面围成的封闭腔体为半球形。

优选地，所述弹性机构Ⅰ为弹簧或圆柱形的弹性杆。

优选地，所述弹性机构Ⅱ为弹簧或圆柱形的弹性杆。

本发明的有益技术效果是：提出了一种能对多维振动能量进行全向、高效采集的新装置。

附图说明

图1、本发明的结构示意图一；

图2、换能单元截面结构示意图；

图3、本发明的结构示意图二（图3与图1的不同之处在于：图1中的弹性机构Ⅰ和弹性机构Ⅱ均采用弹簧实现，图3中的弹性机构Ⅰ和弹性机构Ⅱ均采用圆柱形的弹性杆实现；另外，弹簧和弹性杆可混用在结构体中，鉴于附图中已示出了本发明的基本原理，故未针对弹簧和弹性杆混用时的结构制作示意图）；

图中各个标记所对应的名称分别为：基座1、弹性机构Ⅰ2、支撑座3、换能单元4、压电薄膜4-1、钢球4-2、质量块5、弹性机构Ⅱ6。

具体实施方式

一种基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其创新在于：所述多维宽带振动能量采集器由基座1、能多方向振动的弹性机构Ⅰ2、支撑座3和多个换能单元4组成；所述弹性机构Ⅰ2的一端与基座1上端面连接，弹性机构Ⅰ2的另一端与支撑座3下端面连接；换能单元4设置于支撑座3的上端面上，多个换能单元4沿支撑座3周向分布；所述换能单元4的结构为：在支撑座3上端面上设置压电薄膜4-1，压电薄膜4-1与支撑座3表面围成封闭腔体，封闭腔体内放置有钢球4-2，压电薄膜4-1与钢球4-2之间留有间隙。

进一步地，所述支撑座3的截面为圆形，弹性机构Ⅰ2与支撑座3同轴设置。

进一步地，所述支撑座3的外周面上连接有多个质量块5，多个质量5块沿支撑座3周向均匀分布。

进一步地，所述质量块5和支撑座3之间通过能多方向振动的弹性机构Ⅱ6连接。

进一步地，所述质量块5的数量与换能单元4的数量相同（本发明的附图中示出了质量块5和换能单元4的数量均为3个时的结构示例）。

进一步地，所述质量块5在支撑座3周向上的位置与换能单元4错位设置。

进一步地，所述压电薄膜4-1为半球面形，压电薄膜4-1与支撑座3表面围成的封闭腔体为半球形。

进一步地，所述弹性机构Ⅰ2为弹簧或圆柱形的弹性杆。

进一步地，所述弹性机构Ⅱ6为弹簧或圆柱形的弹性杆。

Claims (9)

1.一种基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其特征在于：所述多维宽带振动能量采集器由基座（1）、能多方向振动的弹性机构Ⅰ（2）、支撑座（3）和多个换能单元（4）组成；所述弹性机构Ⅰ（2）的一端与基座（1）上端面连接，弹性机构Ⅰ（2）的另一端与支撑座（3）下端面连接；换能单元（4）设置于支撑座（3）的上端面上，多个换能单元（4）沿支撑座（3）周向分布；所述换能单元（4）的结构为：在支撑座（3）上端面上设置压电薄膜（4-1），压电薄膜（4-1）与支撑座（3）表面围成封闭腔体，封闭腔体内放置有钢球（4-2），压电薄膜（4-1）与钢球（4-2）之间留有间隙。

2.根据权利要求1所述的基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其特征在于：所述支撑座（3）的截面为圆形，弹性机构Ⅰ（2）与支撑座（3）同轴设置。

3.根据权利要求2所述的基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其特征在于：所述支撑座（3）的外周面上连接有多个质量块（5），多个质量（5）块沿支撑座（3）周向均匀分布。

4.根据权利要求3所述的基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其特征在于：所述质量块（5）和支撑座（3）之间通过能多方向振动的弹性机构Ⅱ（6）连接。

5.根据权利要求4所述的基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其特征在于：所述质量块（5）的数量与换能单元（4）的数量相同。

6.根据权利要求5所述的基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其特征在于：所述质量块（5）在支撑座（3）周向上的位置与换能单元（4）错位设置。

7.根据权利要求1所述的基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其特征在于：所述压电薄膜（4-1）为半球面形，压电薄膜（4-1）与支撑座（3）表面围成的封闭腔体为半球形。

8.根据权利要求1所述的基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其特征在于：所述弹性机构Ⅰ（2）为弹簧或圆柱形的弹性杆。

9.根据权利要求4所述的基于压电薄膜的多维宽带振动能量采集器，其特征在于：所述弹性机构Ⅱ（6）为弹簧或圆柱形的弹性杆。