CN104300831A - 一种悬臂耦合压电发电悬臂梁 - Google Patents

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吴越
涂前进
李新波
刘勇
陈松
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Abstract

本发明涉及一种悬臂耦合压电发电悬臂梁，包括：基座和至少三个长度各不相同的压电振子，其中：所述压电振子长度尺寸从小到大依次为第一压电振子、第三压电振子、第二压电振子；所述压电振子由弹性基板、压电薄片材料和自由端质量块组成；所述弹性基板表面粘贴有压电薄片材料，长度方向一端布置有自由端质量块，另一端与基座连接；所述第一压电振子、第二压电振子和第三压电振子自上而下相互平行安装在基座上；该装置作为发电器件，三个压电振子具有不同的共振频率，并且相互耦合实现多模态振动，拓宽了压电振子的共振频带宽度，实现与振动源频率的良好匹配，提高压电发电效率。

Description

一种悬臂耦合压电发电悬臂梁
技术领域
本发明属于小功率发电领域，具体涉及一种悬臂耦合压电发电悬臂梁。
背景技术
压电材料发现以来，其发电特性广泛用于各种特定场合，包括用其将应力转化为电能的性质形成的应变测试器件、直接用撞击压电材料产生瞬时高电压形成的各类点火器件和电子引信器件、利用压电陶瓷形成的压电悬臂梁弯曲发电供给各类电子器件所形成的电子供电器件等。而压电悬臂梁结构作为一种最简单的压电发电结构，已经得到了广泛的研究与应用，压电悬臂梁用于发电一般有两种工作状态，一种是工作在非共振频率下，由其受力产生的变形引起压电陶瓷产生应力与应变结合压电效应形成发电能力，另外一种是工作在其共振频率下，此时机械能转化为电能的效率大幅提高。但在一些特殊的场合下外界激励时刻发生变化，环境中的振动源振动频率往往不稳定。
对于单悬臂梁的压电振子不易实现与环境振动源振动频率的良好匹配，这将导致压电发电装置的能量转化效率低下。目前所存在的并列放置的多悬臂梁结构只是单纯的从个数上增加了悬臂梁数量，未能建立起各悬壁梁之间的联系，工作时只能保证个别悬臂梁达到最佳效果，这也导致压电发电装置的能量转化效率低下。因此，可以通过特殊悬臂梁参数及其布置方式的设计拓宽压电发电悬臂梁的共振频带宽度，实现装置与振动环境振动源频率的良好匹配，提高压电发电效率。
发明内容
为了解决目前多压电发电悬臂梁之间相互独立导致的悬臂梁利用效率不高所引起的压电发电装置能量转化效率低下的问题，提出了一种悬臂耦合压电发电悬臂梁结构，该悬臂耦合压电发电悬臂梁由基座和至少三个长度各不相同的压电振子组成，所述悬臂耦合压电发电悬臂梁的基座与振动源固定，当环境中的振动源振动频率较低时，所述第二压电振子趋于共振并激励第一压电振子和第三压电振子振动；当环境中的振动源振动频率较高时，所述第一压电振子趋于共振并激励第二压电振子振动进而激励第三压电振子振动；当环境中的振动源振动频率适中时，所述第三压电振子趋于共振并激励第二压电振子振动进而激励第一压电振子振动；三个压电振子具有不同的共振频率，并且相互耦合实现多模态振动，拓宽了压电振子的共振频带宽度，实现与振动源的频率匹配，提高了压电发电效率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一种悬臂耦合压电发电悬臂梁，包括基座和至少三个长度各不相同的压电振子，其中：
所述压电振子长度尺寸从小到大依次为第一压电振子、第三压电振子、第二压电振子；所述压电振子由弹性基板、压电薄片材料和自由端质量块组成；所述弹性基板表面粘贴有压电薄片材料，长度方向一端布置有自由端质量块，另一端与基座连接；所述第一压电振子、第二压电振子和第三压电振子自上而下相互平行安装在基座上；安装后所述第一压电振子上的自由端质量块与第二压电振子之间的间隙小于第一压电振子上的自由端质量块在第一压电振子共振条件下的振幅；安装后所述第二压电振子与第三压电振子上的自由端质量块之间的间隙小于第三压电振子上的自由端质量块在第三压电振子共振条件下的振幅，以保证各压电发电悬臂梁振动时相互影响，实现多悬臂梁之间的振动耦合。
所述压电振子采用由一片压电薄片材料粘贴在带有自由端质量块的弹性基板上形成的单晶片压电振子，或采用由两片压电薄片材料粘贴在带有自由端质量块的弹性基板两侧形成的双晶片压电振子，采用双晶片压电振子可以提高系统的发电能力。
工作时，悬臂耦合压电发电悬臂梁的基座与振动源固定，当环境中的振动源振动频率较低时，所述第二压电振子趋于共振并激励第一压电振子和第三压电振子振动；当环境中的振动源振动频率较高时，所述第一压电振子趋于共振并激励第二压电振子振动进而激励第三压电振子振动；当环境中的振动源振动频率适中时，所述第三压电振子趋于共振并激励第二压电振子振动进而激励第一压电振子振动。三个压电振子具有不同的共振频率，并且相互耦合实现多模态振动，拓宽了压电振子的共振频带宽度，实现与振动源的频率匹配，达到提高压电发电效率的目的。
附图说明
图1是本发明一种悬臂耦合压电发电悬臂梁结构示意图。
图2是本发明一种悬臂耦合压电发电悬臂梁的整机图。
具体实施方式
参照图1和图2，本发明的一种悬臂耦合压电发电悬臂梁是由基座1和至少三个长度各不相同的压电振子2构成，其中：
所述压电振子2长度尺寸从小到大依次为第一压电振子201、第三压电振子203、第二压电振子202；所述压电振子2由弹性基板21、压电薄片材料22和自由端质量块23组成；所述弹性基板21表面粘贴有压电薄片材料22，长度方向一端通过粘接的方式布置有自由端质量块23，另一端通过粘接的方式与基座1连接；所述第一压电振子201、第二压电振子202和第三压电振子203自上而下相互平行安装在基座4上；安装后所述第一压电振子201上的自由端质量块231与第二压电振子202之间的间隙小于第一压电振子201上的自由端质量块231在第一压电振子201共振条件下的振幅；安装后所述第二压电振子202与第三压电振子203上的自由端质量块233之间的间隙小于第三压电振子203上的自由端质量块233在第三压电振子203共振条件下的振幅。
所述压电振子2采用由一片压电薄片材料22粘贴在带有自由端质量块23的弹性基板21上形成的单晶片压电振子。
使用时，该装置布置在振动环境中，将基座4与振动源固定。

Claims (2)

1.一种悬臂耦合压电发电悬臂梁，包括：基座(1)和至少三个长度各不相同的压电振子(2)，其中：所述压电振子(2)长度尺寸从小到大依次为第一压电振子(201)、第三压电振子(203)、第二压电振子(202)；所述压电振子(2)由弹性基板(21)、压电薄片材料(22)和自由端质量块(23)组成；所述弹性基板(21)表面粘贴有压电薄片材料(22)，长度方向一端布置有自由端质量块(23)，另一端与基座(1)连接；所述第一压电振子(201)、第二压电振子(202)和第三压电振子(203)自上而下相互平行安装在基座(4)上；安装后所述第一压电振子(201)上的自由端质量块(231)与第二压电振子(202)之间的间隙小于第一压电振子(201)上的自由端质量块(231)在第一压电振子(201)共振条件下的振幅；安装后所述第二压电振子(202)与第三压电振子(203)上的自由端质量块(233)之间的间隙小于第三压电振子(203)上的自由端质量块(233)在第三压电振子(203)共振条件下的振幅。
2.根据权利要求1所述的悬臂耦合压电发电悬臂梁，其特征在于：所述压电振子(2)采用由一片压电薄片材料(22)粘贴在带有自由端质量块(23)的弹性基板(21)上形成的单晶片压电振子，或采用由两片压电薄片材料(22)粘贴在带有自由端质量块(23)的弹性基板(21)两侧形成的双晶片压电振子。
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