CN104935209A - 一种压电式能量采集器及压电式能量采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电式能量采集器及压电式能量采集方法，该压电式能量采集器包括：振动台，固定连接第一横梁的第一端和第二横梁的第一端；第一横梁背离第二横梁的一侧上固定连接第一质量块，第一横梁背离第二横梁的一侧电连接第一压电层，第一压电层上固定第一金属电极，第二横梁背离所述第一横梁的一侧上固定连接第二质量块，第二横梁靠近第一横梁的一侧电连接第二压电层，第二压电层上固定连接第二金属电极，第一横梁电连接第一导线的第一端，第一导线的第二端连接第二金属电极；第一金属电极和负载的第一端通过第二导线连接；第二横梁电连接第三导线的第一端，第三导线的第二端连接负载的第二端。实施本发明，可以提高振动能的能量采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，具体涉及一种压电式能量采集器及压电式能量采集方法。
背景技术
在自然环境中，存在太阳能、风能、热能、机械能等不同的能源，这些能源都可以转化为电能，其中，振动能由于无处不在并且为绿色能源而成为了关注的热点，目前将振动能转换为电能主要方式是：通过线性谐振器采集与谐振器振动频率匹配的振动能，将其转换为电能。但是线性谐振器仅仅对处于谐振频率附近的振动能的采集效率高，一旦外界环境的振动频率偏离谐振频率时，能量采集效率较低。
发明内容
本发明实施例公开了一种压电式能量采集器及压电式能量采集方法，可以提高振动能的能量采集效率。
本发明实施例第一方面公开了一种压电式能量采集器，包括：
振动台(101)，固定连接第一横梁(102)的第一端和第二横梁(103)的第一端；
所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧上固定连接第一质量块(104)，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧电连接第一压电层(106)，所述第一压电层(106)上固定第一金属电极(108)，所述第二横梁(103)背离所述第一横梁(102)的一侧上固定连接第二质量块(105)，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧电连接第二压电层(107)，所述第二压电层(107)上固定连接第二金属电极(109)，所述第一横梁(102)电连接第一导线(110)的第一端，所述第一导线(110)的第二端连接所述第二金属电极(109)；
所述第一金属电极(108)和负载(113)的第一端通过第二导线(111)连接；所述第二横梁(103)电连接第三导线(112)的第一端，所述第三导线(112)的第二端连接所述负载(113)的第二端。
在本发明实施例第一方面的第一种可能的实现方式中，所述第一压电层(106)的材料包括无机压电材料或/和有机压电材料；或/和，
所述第二压电层(107)的材料包括无机压电材料或/和有机压电材料。
结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第二种可能的实现方式中，所述振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为螺纹连接；或/和，
所述振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为螺纹连接。
结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第三种可能的实现方式中，所述第一横梁(102)与所述第一质量块(104)通过粘合剂固定连接；或/和，
所述第二横梁(103)与所述第二质量块(105)通过粘合剂固定连接。
结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第四种可能的实现方式中，所述第一横梁(102)和所述第二横梁(103)均为导体。
结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第五种可能的实现方式中，所述第一横梁(102)和所述第二横梁(103)均为绝缘体，其中，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧通过第三金属电极(114)电连接所述第一压电层(106)，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧通过所述第三金属电极(114)电连接所述第一导线(110)的第一端，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧通过第四金属电极(115)电连接所述第二压电层(107)，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧通过所述第四金属电极(115)电连接第三导线(112)的第一端。
结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第六种可能的实现方式中，所述第一横梁(102)为导体，所述第二横梁(103)为绝缘体，其中，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧通过第四金属电极(115)电连接所述第二压电层(107)，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧通过所述第四金属电极(115)电连接第三导线(112)的第一端。
结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第七种可能的实现方式中，所述第一横梁(102)为绝缘体，所述第二横梁(103)为导体，其中，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧通过第三金属电极(114)电连接所述第一压电层(106)，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧通过所述第三金属电极(114)电连接所述第一导线(110)的第一端。
基于本发明实施例第一方面公开的任一种压电式能量采集器，本发明实施例第二方面公开了一种压电式能量采集方法，包括：
测量第一振动系统的第一固有频率；所述第一振动系统包括所述第一横梁(102)、所述第一质量块(104)以及所述第一压电层(106)；
测量第二振动系统的第二固有频率；所述第一振动系统包括所述第二横梁(103)、所述第二质量块(105)以及所述第二压电层(107)；
振动所述振动台(101)，测量所述振动台(101)的外加频率；
当所述振动台(101)的外加频率处于第一预设测量频率和第二预设测量频率之间时，测量所述负载(113)上的电压；其中，所述第一预设测量频率小于所述第一固有频率且小于所述第二固有频率；所述第二预设测量频率大于所述第一固有频率且大于所述第二固有频率；
计算所述负载(113)的均方根功率，得到所述负载(113)的均方根功率与外加频率的对应关系。
在本发明实施例第二方面的第一种可能的实现方式中，所述计算所述负载(113)的均方根功率，得到所述负载(113)的均方根功率与外加频率的对应关系，包括：
调整所述振动台(101)的振动加速度，计算所述负载(113)上在不同振动加速度下的均方根功率，得到在不同振动加速度下，所述负载(113)的均方根功率与外加频率的对应关系。
本发明实施例中，测量第一振动系统的第一固有频率；第一振动系统包括第一横梁(102)、第一质量块(104)以及第一压电层(106)；测量第二振动系统的第二固有频率；第一振动系统包括第二横梁(103)、第二质量块(105)以及第二压电层(107)；振动振动台(101)，测量振动台(101)的外加频率；当振动台(101)的外加频率处于第一预设测量频率和第二预设测量频率之间时，测量负载(113)上的电压；其中，第一预设测量频率小于第一固有频率且小于第二固有频率；第二预设测量频率大于第一固有频率且大于第二固有频率；计算负载(113)的均方根功率，得到负载(113)的均方根功率与外加频率的对应关系。实施本发明实施例，当测量频率处于第一固有频率和第二固有频率之间时，负载(113)的均方根功率较高，与单个振动系统相比，本发明实施例公开的双振动系统(包括第一振动系统和第二振动系统)可以拓宽能量采集的频带宽度，提高振动能的能量采集效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例公开的一种压电式能量采集器；
图2是本发明实施例公开的一种基于压电式能量采集器的压电式能量采集方法的流程图；
图3是本发明实施例公开的另一种基于压电式能量采集器的压电式能量采集方法的流程图；
图4是本发明实施例公开的一种均方根功率随外加频率变化的测试曲线图；
图5是本发明实施例公开的另一种均方根功率随外加频率变化的测试曲线图；
图6是本发明实施例公开的另一种均方根功率随外加频率变化的测试曲线图；
图7是本发明实施例公开的另一种均方根功率随外加频率变化的测试曲线图；
图8是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器；
图9是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器；
图10是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器；
图11是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器；
图12是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都应属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开一种压电式能量采集器及压电式能量采集方法，可以提高振动能的能量采集效率。以下分别进行详细说明。
请参阅图1，图1是本发明实施例公开的一种压电式能量采集器。如图1所示，本实施例中所描述的压电式能量采集器，包括：
振动台(101)，固定连接第一横梁(102)的第一端和第二横梁(103)的第一端；
第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧上固定连接第一质量块(104)，第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧电连接第一压电层(106)，第一压电层(106)上固定第一金属电极(108)，第二横梁(103)背离第一横梁(102)的一侧上固定连接第二质量块(105)，第二横梁(103)靠近第一横梁(102)的一侧电连接第二压电层(107)，第二压电层(107)上固定连接第二金属电极(109)，第一横梁(102)电连接第一导线(110)的第一端，第一导线(110)的第二端连接第二金属电极(109)；
第一金属电极(108)和负载(113)的第一端通过第二导线(111)连接；第二横梁(103)电连接第三导线(112)的第一端，第三导线(112)的第二端连接负载(113)的第二端。
本发明实施例中，振动台是任何可以振动的装置，可以用来承载和固定重物，振动台与第一横梁的连接方式可以是凹槽连接，也可以是螺纹连接，也可以是焊接等固定连接方式。第一横梁包括第一端和第二端，第一横梁的第一端与振动台固定连接，第二横梁包括第一端和第二端，第二横梁的第一端与振动台固定连接。第一压电层和第二压电层均为绝缘体，第一金属电极固定在第一压电层上作为导电介质，第二金属电极固定在第二压电层上作为导电介质。第一横梁和第二横梁可以为金属基板。第一金属电极可以为金属铜片，优选的，第一金属电极的金属铜片面积大于第一压电层面积的一半，第一金属电极的金属铜片长度小于或等于第一压电层的长度且第一金属电极的金属铜片宽度小于或等于第一压电层的宽度，以使第一金属电极的金属铜片与第一压电层的接触面积尽可能大；第二金属电极可以为金属铜片，优选的，第二金属电极的金属铜片面积大于第二压电层面积的一半，第二金属电极的金属铜片长度小于或等于第二压电层的长度且第二金属电极的金属铜片宽度小于或等于第二压电层的宽度，以使第二金属电极的金属铜片与第二压电层的接触面积尽可能大。
需要说明的是，由于压电层的极化方向在制造压电层时可以进行设定，在本发明实施例中，设定第一压电层和第二压电层的极化方向相同，如图1所示，举例来说，当第一压电层(106)受到垂直于第一压电层(106)的压力，且第二压电层(107)受到垂直于第二压电层(107)的压力时，第一压电层(106)与第二压电层(107)表面均产生电荷，此时第一压电层(106)上表面产生的电荷极性与第二压电层(107)上表面产生的电荷极性相同，第一压电层(106)下表面产生的电荷极性与第二压电层(107)下表面产生的电荷极性相同，即第一压电层(106)和第二压电层(107)的极化方向相同。当第一压电层(106)和第二压电层(107)的极化方向相同时，保证负载(113)上的电压最大，能够最大化将振动能转化为电能，提高振动能的能量采集效率。
优选的，第一横梁与第二横梁平行相对，第一横梁的长度方向和宽度方向与水平面平行。
在一些可行的实施方式中，第一压电层(106)的材料包括无机压电材料或/和有机压电材料；或/和，
第二压电层(107)的材料包括无机压电材料或/和有机压电材料。
本发明实施例中，无机压电材料可以为锆钛酸铅陶瓷(PZT)、钛酸铅(PbTiO3)钛酸钡陶瓷(BaTiO3)、氮化铝陶瓷(AlN)、氧化锌(ZnO)，硫化镉(CdS)，铌酸钾钠陶瓷(Na1-xKx)NbO3，钛酸钡(BaTiO3)，石英晶体(SiO2)，锗酸铋(Bi12GeO20),磷酸二氢钾(KH2PO4)，铌酸锂(LiNbO3)，钽酸锂(LiTaO3)，铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15)，铌酸锶钡(Sr1-xBaxNb2O6)，铌酸钾锂(K3Li2Nb5O15)氧化铍(BeO)等，有机压电材料可以为聚偏氟乙烯(PVDF)，聚氟乙烯(PVF)，聚氯乙烯(PVC)。第一压电层的材料可以为无机压电材料中的一种或多种、有机压电材料中的一种或多种、或者无机压电材料中的一种或多种与有机压电材料中的一种或多种的压电复合材料，第二压电层的材料可以为无机压电材料中的一种或多种、有机压电材料中的一种或多种、或者无机压电材料中的一种或多种与有机压电材料中的一种或多种的压电复合材料。
在一些可行的实施方式中，优选的，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为螺纹连接；或/和，振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为螺纹连接。
本发明实施例中，第一种实施方式中，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为螺纹连接，并且振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为螺纹连接；第二种实施方式中，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为螺纹连接，振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为焊接连接；第三种实施方式中，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为焊接连接，振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为螺纹连接；第四种实施方式中，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为螺纹连接，振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为凹槽连接；第五种实施方式中，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为凹槽连接，振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为螺纹连接；
可选的，第六种实施方式中，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为焊接连接，并且振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为焊接连接；第七种实施方式中，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为凹槽连接，并且振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为凹槽连接；第八种实施方式中，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为焊接连接，振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为凹槽连接；第九种实施方式中，振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为凹槽连接，振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为焊接连接。
在一些可行的实施方式中，优选的，第一横梁(102)与第一质量块(104)通过粘合剂固定连接；或/和，第二横梁(103)与第二质量块(105)通过粘合剂固定连接。
本发明实施例中，第一种实施方式中，第一横梁(102)与第一质量块(104)通过粘合剂固定连接；并且第二横梁(103)与第二质量块(105)通过粘合剂固定连接；第二种实施方式中，第一横梁(102)与第一质量块(104)通过粘合剂固定连接；或者第二横梁(103)与第二质量块(105)通过粘合剂固定连接。
可选的，第一横梁(102)与第一质量块(104)通过螺纹固定连接；或/和，第二横梁(103)与第二质量块(105)通过螺纹固定连接。
可选的，第一横梁(102)与第一质量块(104)通过焊接固定连接；或/和，第二横梁(103)与第二质量块(105)通过焊接固定连接。
可选的，第一横梁(102)与第一质量块(104)通过凹槽固定连接；或/和，第二横梁(103)与第二质量块(105)通过凹槽固定连接。
在一些可行的实施方式中，优选的，第一横梁(102)和第二横梁(103)均为导体。
本发明实施例中，第一横梁(102)和第二横梁(103)可以均为不锈钢钢片。
请参阅图10，图10是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器，如图10所示，本实施例中所描述的压电式能量采集器，包括：
振动台(101)，固定连接第一横梁(102)的第一端和第二横梁(103)的第一端；
第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧上固定连接第一质量块(104)，第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧电连接第一压电层(106)，第一压电层(106)上固定第一金属电极(108)，第二横梁(103)背离第一横梁(102)的一侧上固定连接第二质量块(105)，第二横梁(103)靠近第一横梁(102)的一侧电连接第二压电层(107)，第二压电层(107)上固定连接第二金属电极(109)，第一横梁(102)电连接第一导线(110)的第一端，第一导线(110)的第二端连接第二金属电极(109)；
第一金属电极(108)和负载(113)的第一端通过第二导线(111)连接；第二横梁(103)电连接第三导线(112)的第一端，第三导线(112)的第二端连接负载(113)的第二端；
第一横梁(102)和第二横梁(103)均为绝缘体，其中，第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧通过第三金属电极(114)电连接第一压电层(106)，第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧通过第三金属电极(114)电连接第一导线(110)的第一端，第二横梁(103)靠近第一横梁(102)的一侧通过第四金属电极(115)电连接第二压电层(107)，第二横梁(103)靠近第一横梁(102)的一侧通过第四金属电极(115)电连接第三导线(112)的第一端。
本发明实施例中，第一金属电极位于第一压电层的上方，第三金属电极位于第一压电层的下方且连接第一横梁；第二金属电极位于第二压电层的上方，第四金属电极位于第二压电层的下方且连接第二横梁。
其中，第三金属电极可以为金属铜片，优选的，第三金属电极的金属铜片面积大于第一压电层面积的一半，第三金属电极的金属铜片长度小于或等于第一压电层的长度且第三金属电极的金属铜片宽度小于或等于第一压电层的宽度，以使第三金属电极的金属铜片与第一压电层的接触面积尽可能大；第四金属电极可以为金属铜片，优选的，第四金属电极的金属铜片面积大于第二压电层面积的一半，第四金属电极的金属铜片长度小于或等于第二压电层的长度且第四金属电极的金属铜片宽度小于或等于第二压电层的宽度，以使第四金属电极的金属铜片与第二压电层的接触面积尽可能大。
本发明实施例中，设定第一压电层和第二压电层的极化方向相同，如图10所示，举例来说，当第一压电层(106)受到垂直于第一压电层(106)的压力，且第二压电层(107)受到垂直于第二压电层(107)的压力时，第一压电层(106)与第二压电层(107)表面均产生电荷，此时第一压电层(106)上表面产生的电荷极性与第二压电层(107)上表面产生的电荷极性相同，第一压电层(106)下表面产生的电荷极性与第二压电层(107)下表面产生的电荷极性相同，即第一压电层(106)和第二压电层(107)的极化方向相同。当第一压电层(106)和第二压电层(107)的极化方向相同时，保证负载(113)上的电压最大，能够最大化将振动能转化为电能，提高振动能的能量采集效率。
请参阅图11，图11是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器，如图11所示，本实施例中所描述的压电式能量采集器，包括：
振动台(101)，固定连接第一横梁(102)的第一端和第二横梁(103)的第一端；
第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧上固定连接第一质量块(104)，第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧电连接第一压电层(106)，第一压电层(106)上固定第一金属电极(108)，第二横梁(103)背离第一横梁(102)的一侧上固定连接第二质量块(105)，第二横梁(103)靠近第一横梁(102)的一侧电连接第二压电层(107)，第二压电层(107)上固定连接第二金属电极(109)，第一横梁(102)电连接第一导线(110)的第一端，第一导线(110)的第二端连接第二金属电极(109)；
第一金属电极(108)和负载(113)的第一端通过第二导线(111)连接；第二横梁(103)电连接第三导线(112)的第一端，第三导线(112)的第二端连接负载(113)的第二端；
第一横梁(102)为导体，第二横梁(103)为绝缘体，其中，第二横梁(103)靠近第一横梁(102)的一侧通过第四金属电极(115)电连接第二压电层(107)，第二横梁(103)靠近第一横梁(102)的一侧通过第四金属电极(115)电连接第三导线(112)的第一端。
本发明实施例中，第二金属电极位于第二压电层的上方，第四金属电极位于第二压电层的下方且连接第二横梁。
其中，第四金属电极可以为金属铜片，优选的，第四金属电极的金属铜片面积大于第二压电层面积的一半，第四金属电极的金属铜片长度小于或等于第二压电层的长度且第四金属电极的金属铜片宽度小于或等于第二压电层的宽度，以使第四金属电极的金属铜片与第二压电层的接触面积尽可能大。
本发明实施例中，设定第一压电层和第二压电层的极化方向相同，如图11所示，举例来说，当第一压电层(106)受到垂直于第一压电层(106)的压力，且第二压电层(107)受到垂直于第二压电层(107)的压力时，第一压电层(106)与第二压电层(107)表面均产生电荷，此时第一压电层(106)上表面产生的电荷极性与第二压电层(107)上表面产生的电荷极性相同，第一压电层(106)下表面产生的电荷极性与第二压电层(107)下表面产生的电荷极性相同，即第一压电层(106)和第二压电层(107)的极化方向相同。当第一压电层(106)和第二压电层(107)的极化方向相同时，保证负载(113)上的电压最大，能够最大化将振动能转化为电能，提高振动能的能量采集效率。
请参阅图12，图12是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器，如图12所示，本实施例中所描述的压电式能量采集器，包括：
振动台(101)，固定连接第一横梁(102)的第一端和第二横梁(103)的第一端；
第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧上固定连接第一质量块(104)，第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧电连接第一压电层(106)，第一压电层(106)上固定第一金属电极(108)，第二横梁(103)背离第一横梁(102)的一侧上固定连接第二质量块(105)，第二横梁(103)靠近第一横梁(102)的一侧电连接第二压电层(107)，第二压电层(107)上固定连接第二金属电极(109)，第一横梁(102)电连接第一导线(110)的第一端，第一导线(110)的第二端连接第二金属电极(109)；
第一金属电极(108)和负载(113)的第一端通过第二导线(111)连接；第二横梁(103)电连接第三导线(112)的第一端，第三导线(112)的第二端连接负载(113)的第二端；
第一横梁(102)为绝缘体，第二横梁(103)为导体，其中，第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧通过第三金属电极(114)电连接第一压电层(106)，第一横梁(102)背离第二横梁(103)的一侧通过第三金属电极(114)电连接第一导线(110)的第一端。
本发明实施例中，第一金属电极位于第一压电层的上方，第三金属电极位于第一压电层的下方且连接第一横梁。
其中，第三金属电极可以为金属铜片，优选的，第三金属电极的金属铜片面积大于第一压电层面积的一半，第三金属电极的金属铜片长度小于或等于第一压电层的长度且第三金属电极的金属铜片宽度小于或等于第一压电层的宽度，以使第三金属电极的金属铜片与第一压电层的接触面积尽可能大。
本发明实施例中，设定第一压电层和第二压电层的极化方向相同，如图12所示，举例来说，当第一压电层(106)受到垂直于第一压电层(106)的压力，且第二压电层(107)受到垂直于第二压电层(107)的压力时，第一压电层(106)与第二压电层(107)表面均产生电荷，此时第一压电层(106)上表面产生的电荷极性与第二压电层(107)上表面产生的电荷极性相同，第一压电层(106)下表面产生的电荷极性与第二压电层(107)下表面产生的电荷极性相同，即第一压电层(106)和第二压电层(107)的极化方向相同。当第一压电层(106)和第二压电层(107)的极化方向相同时，保证负载(113)上的电压最大，能够最大化将振动能转化为电能，提高振动能的能量采集效率。
请参阅图2，图2是本发明实施例公开的一种基于压电式能量采集器的压电式能量采集方法的流程图。如图2所示，本实施例中所描述的压电式能量采集方法，包括：
S201、测量第一振动系统的第一固有频率；第一振动系统包括第一横梁、第一质量块以及第一压电层。
本发明实施例中，第一横梁本身有一个固有频率，第一横梁、第一质量块以及第一压电层组成的第一振动系统也有一个固有频率，由于第一振动系统的第一固有频率的平方与整个系统的质量成反比例关系，第一振动系统的固有频率小于第一横梁的固有频率，可以通过改变第一质量块的质量来调节第一振动系统的固有频率。第一振动系统的固有频率可以通过扫频测得，具体来说，可以通过测量第一振动系统在不同外加频率下的振幅，将第一振动系统的振幅最大值所对应的外加频率作为第一振动系统的固有频率。
S202、测量第二振动系统的第二固有频率；第一振动系统包括第二横梁、第二质量块以及第二压电层。
本发明实施例中，第二横梁本身有一个固有频率，第二横梁、第二质量块以及第二压电层组成的第二振动系统也有一个固有频率，由于第二振动系统的第二固有频率的平方与整个系统的质量成反比例关系，第二振动系统的固有频率小于第二横梁的固有频率，可以通过改变第二质量块的质量来调节第二振动系统的固有频率。第二振动系统的固有频率可以通过扫频测得，具体来说，可以通过测量第二振动系统在不同外加频率下的振幅，将第二振动系统的振幅最大值所对应的外加频率作为第二振动系统的固有频率。
可以通过调整第一质量块的质量来调整第一振动系统的第一固有频率，可以通过调整第二质量块的质量来调整第二振动系统的第二固有频率。优选的，可以通过调整第一固有频率和第二固有频率，使得第一计算值与第二计算值的比值小于20％，其中，第一计算值为第一固有频率与第二固有频率之差的绝对值，第二计算值为第一固有频率与第二固有频率之和。第一计算值与第二计算值的比值小于20％时，第一振动系统和第二振动系统的耦合作用较强，在外加频率处于第一固有频率和第二固有频率之间，能量采集器有较高的均方根功率输出；当第一计算值与第二计算值的比值大于20％时，会导致第一振动系统和第二振动系统的耦合作用变弱，在外加频率处于第一固有频率和第二固有频率之间时，无法保证能量采集器有较高的均方根功率的输出，导致能量采集效率较低。
S203、振动振动台，测量振动台的外加频率。
本发明实施例中，振动振动台时，振动方向垂直于第一横梁的长度方向和宽度方向，且垂直于第二横梁的长度方向和宽度方向。
当振动台振动时，第一压电层受到第一横梁的挤压，在第一压电层上表面产生一定数量的电荷，且在第一压电层下表面对应产生数量相同且极性相反的电荷，第一压电层下表面对应产生数量相同且极性相反的电荷转移到第一横梁上，这样，第一振动系统就构成了第一个电压源；同理，当振动台振动时，第二压电层受到第二横梁的挤压，在第二压电层上表面产生一定数量的电荷，且在第二压电层下表面对应产生数量相同且极性相反的电荷，第二压电层下表面对应产生数量相同且极性相反的电荷转移到第二横梁上，这样，第二振动系统就构成了第二个电压源。第一振动系统和第二振动系统通过第一导线连接，这样，第一电压源和第二电压源实现了串联，相较于单个振动系统，在双振动系统中，负载上的电压也会相应的增加，从而负载上的均方根功率也会增加，从而提高了能量采集效率。
S204、当振动台的外加频率处于第一预设测量频率和第二预设测量频率之间时，测量负载上的电压；其中，第一预设测量频率小于第一固有频率且小于第二固有频率；第二预设测量频率大于第一固有频率且大于第二固有频率。
本发明实施例中，当振动台的外加频率为第一固有频率时，第一振动系统与振动台发生共振，此时，第一振动系统将振动能转化为电能的效率最高；当振动台的外加频率为第二固有频率时，第二振动系统与振动台发生共振，此时第二振动系统将振动能转化为电能的效率最高。第一预设测量频率小于第一固有频率且小于第二固有频率，第二预设测量频率大于第一固有频率且大于第二固有频率，当外加频率处于第一预设测量频率和第二预设测量频率之间时，测量负载上的电压。在某一个外加频率下，负载上的电压随着该外加频率对应的周期，会发生规律性的变化，在该外加频率的周期时间内，可以通过测量负载上的电压的有效值计算负载的均方根功率。
S205、计算负载的均方根功率，得到负载的均方根功率与外加频率的对应关系。
本发明实施例中，负载的均方根功率P＝U2 rms.(R+r)/R，其中，P为均方根功率(单位为瓦，W)，R为外加负载(单位为欧姆，Ω),r为测试仪器内阻(单位为欧姆，Ω)，Urms为外加负载上的电压有效值(单位为伏特，V)，在某一个外加频率下，该外加频率对应的有效电压值Urms可以通过检测在该外加频率对应的周期内，N个不同时刻的电压的均方根值求得，其中：
U1、U2、U3…UN为在该外加频率对应的周期内的N个不同时刻时，负载上的电压。
在不同的外加频率下，可以测量负载上的电压有效值，根据测量负载上的电压有效值，可以计算负载的均方根功率，从而得到负载的均方根功率与外加频率的对应关系。
本发明实施例中，首先，针对图1所示的压电式能量采集器，将第一导线(110)断开，移除第二振动系统，使得振动台上只有第一振动系统和负载连接，并将第一导线(110)连接第一横梁和负载的第二端，第二导线(111)连接第一金属电极和负载的第一端，如图8所示，图8是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器，基于图8所示的能量采集器，测量第一振动系统的第一固有频率。
其次，针对图1所示的压电式能量采集器，移除第一振动系统，使得振动台上只有第二振动系统和负载连接，并将第一导线(110)连接第二金属电极和负载的第一端，第三导线(112)连接第二横梁和负载的第二端，如图9所示，图9是本发明实施例公开的另一种压电式能量采集器，基于图9所示的能量采集器，测量第二振动系统的第二固有频率。
举例来说，基于图8所示的能量采集器，若设置第一质量块的质量为3.75克，测得第一振动系统的第一固有频率为19.7赫兹，如图4所示，图4是本发明实施例公开的一种均方根功率随外加频率变化的测试曲线图，图4是在振动加速度为1g(g为重力加速度)时，负载的均方根功率随外加频率变化的测试曲线图。图4中的横坐标为振动台的外加频率，单位为赫兹(Hz)，纵坐标为负载上的均方根功率，单位为微瓦(μW)，其中，图4针对第一振动系统，基于图8所示的能量采集器，测试负载在不同外加频率下的均方根功率得到第一振动系统的均方根功率随外加频率变化的测试曲线图，从图4中可以看出，第一振动系统的第一固有频率为19.7赫兹，负载上的均方根功率仅仅在外加频率处于19赫兹到21赫兹之间均维持在较高的水平。
又举例来说，基于图9所示的能量采集器，若设置第二质量块的质量为1.7克，测得第二振动系统的第二固有频率为24赫兹，如图5所示，图5是本发明实施例公开的另一种均方根功率随外加频率变化的测试曲线图，图5是在振动加速度为1g(g为重力加速度)时，负载的均方根功率随外加频率变化的测试曲线图。图5中的横坐标为振动台的外加频率，单位为赫兹(Hz)，纵坐标为负载上的均方根功率，单位为微瓦(μW)，其中，图5针对第二振动系统，基于图9所示的能量采集器，测试负载在不同外加频率下的均方根功率得到第二振动系统的均方根功率随外加频率变化的测试曲线图，从图5中可以看出，第二振动系统的第二固有频率为24赫兹，负载上的均方根功率仅仅在外加频率处于23赫兹到26赫兹之间均维持在较高的水平。
又举例来说，基于图1所示的压电式能量采集器，设置第一质量块的质量为3.75克，测得第一振动系统的第一固有频率为19.7赫兹，设置第二质量块的质量为1.7克，测得第二振动系统的第二固有频率为24赫兹。振动振动台时，测试负载在第一预设测量频率和第二预设测量频率之间的均方根功率，其中，第一预设测量频率小于第一固有频率且小于第二固有频率；第二预设测量频率大于第一固有频率且大于第二固有频率。如图6所示，图6是本发明实施例公开的另一种均方根功率随外加频率变化的测试曲线图，图6是在振动加速度为1g(g为重力加速度)时，负载的均方根功率随外加频率变化的测试曲线图。图6中的横坐标为振动台的外加频率，单位为赫兹(Hz)，纵坐标为负载上的均方根功率，单位为微瓦(μW)，其中，图6针对第一振动系统和第二振动系统，是基于图1所示的压电式能量采集器进行测量得到的。从图6中可以明显的看出，负载上的均方根功率在外加频率处于22赫兹到32赫兹之间均维持在较高的水平，与单个振动系统相比，本发明实施例中的双振动系统可以拓宽能量采集的频带宽度，提高能量采集效率。
本发明实施例中，测量第一振动系统的第一固有频率；第一振动系统包括第一横梁、第一质量块以及第一压电层；测量第二振动系统的第二固有频率；第一振动系统包括第二横梁、第二质量块以及第二压电层；振动振动台，测量振动台的外加频率；当振动台的外加频率处于第一预设测量频率和第二预设测量频率之间时，测量负载上的电压；其中，第一预设测量频率小于第一固有频率且小于第二固有频率；第二预设测量频率大于第一固有频率且大于第二固有频率；计算负载的均方根功率，得到负载的均方根功率与外加频率的对应关系。实施本发明实施例，可以拓宽能量采集的频带宽度，提高振动能的能量采集效率。
请参阅图3，图3是本发明实施例公开的另一种基于压电式能量采集器的压电式能量采集方法的流程图。如图3所示，本实施例中所描述的压电式能量采集方法，包括：
S301、测量第一振动系统的第一固有频率；第一振动系统包括第一横梁、第一质量块以及第一压电层。
S302、测量第二振动系统的第二固有频率；第一振动系统包括第二横梁、第二质量块以及第二压电层。
S303、振动振动台，测量振动台的外加频率。
S304、当振动台的外加频率处于第一预设测量频率和第二预设测量频率之间时，测量负载上的电压；其中，第一预设测量频率小于第一固有频率且小于第二固有频率；第二预设测量频率大于第一固有频率且大于第二固有频率。
S305、调整振动台的振动加速度，计算负载上在不同振动加速度下的均方根功率，得到在不同振动加速度下，负载方根功率与外加频率的对应关系。
本发明实施例中，振动加速度与振幅成正比关系，与角频率的平方成正比关系，振动加速度a＝A*(2π*f)2，其中，a为振动加速度，单位为g(g为重力加速度)，A为振动幅度，f为振动频率。通过调整振动台的振动加速度，可以计算负载上在不同振动加速度下的均方根功率，从而得到在不同振动加速度下，负载方根功率与外加频率的对应关系。
举例来说，如图7所示，图7是本发明实施例公开的另一种均方根功率随外加频率变化的测试曲线图，图7中的横坐标为振动台的外加频率，单位为赫兹(Hz)，纵坐标为负载上的均方根功率，单位为微瓦(μW)，其中，图7针对第一振动系统和第二振动系统，是基于图1所示的压电式能量采集器在不同振动加速度下进行测量得到的，图1所示的压电式能量采集器中，设置第一质量块的质量为3.75克，测得第一振动系统的第一固有频率为19.7赫兹，设置第二质量块的质量为1.7克，测得第二振动系统的第二固有频率为24赫兹。图7中包含三条曲线，最上面的曲线，对应的振动加速度为1g，在任一外加频率下，其均方根功率最大；中间的曲线，对应的振动加速度为0.5g，在任一外加频率下，其均方根功率居中；最下面的曲线，对应的振动加速度为0.3g，在任一外加频率下，其均方根功率最小。从图7可以看出，振动加速度越大，负载上的均方根功率越大，图7中能量采集效率最高的曲线对应的振动加速度为1g。
本发明实施例中，步骤S301～步骤S304可以参阅图2所示的步骤S201～步骤S204，本发明实施例不再赘述。
本发明实施例中，测量第一振动系统的第一固有频率；第一振动系统包括第一横梁、第一质量块以及第一压电层；测量第二振动系统的第二固有频率；第一振动系统包括第二横梁、第二质量块以及第二压电层；振动振动台，测量振动台的外加频率；当振动台的外加频率处于第一预设测量频率和第二预设测量频率之间时，测量负载上的电压；其中，第一预设测量频率小于第一固有频率且小于第二固有频率；第二预设测量频率大于第一固有频率且大于第二固有频率；调整振动台的振动加速度，计算负载上在不同振动加速度下的均方根功率，得到在不同振动加速度下，负载方根功率与外加频率的对应关系。实施本发明实施例，可以拓宽能量采集的频带宽度，提高振动能的能量采集效率。
以上对本发明实施例所提供的一种压电式能量采集器及压电式能量采集方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种压电式能量采集器，其特征在于，包括：
振动台(101)，固定连接第一横梁(102)的第一端和第二横梁(103)的第一端；
所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧上固定连接第一质量块(104)，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧电连接第一压电层(106)，所述第一压电层(106)上固定第一金属电极(108)，所述第二横梁(103)背离所述第一横梁(102)的一侧上固定连接第二质量块(105)，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧电连接第二压电层(107)，所述第二压电层(107)上固定连接第二金属电极(109)，所述第一横梁(102)电连接第一导线(110)的第一端，所述第一导线(110)的第二端连接所述第二金属电极(109)；
所述第一金属电极(108)和负载(113)的第一端通过第二导线(111)连接；所述第二横梁(103)电连接第三导线(112)的第一端，所述第三导线(112)的第二端连接所述负载(113)的第二端。
2.根据权利要求1所述的压电式能量采集器，其特征在于，
所述第一压电层(106)的材料包括无机压电材料或/和有机压电材料；或/和，
所述第二压电层(107)的材料包括无机压电材料或/和有机压电材料。
3.根据权利要求1所述的压电式能量采集器，其特征在于，
所述振动台(101)固定连接第一横梁(102)的第一端的连接方式为螺纹连接；或/和，
所述振动台(101)固定连接第二横梁(103)的第一端的连接方式为螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的压电式能量采集器，其特征在于，
所述第一横梁(102)与所述第一质量块(104)通过粘合剂固定连接；或/和，
所述第二横梁(103)与所述第二质量块(105)通过粘合剂固定连接。
5.根据权利要求1所述的压电式能量采集器，其特征在于，所述第一横梁(102)和所述第二横梁(103)均为导体。
6.根据权利要求1所述的压电式能量采集器，其特征在于，所述第一横梁(102)和所述第二横梁(103)均为绝缘体，其中，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧通过第三金属电极(114)电连接所述第一压电层(106)，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧通过所述第三金属电极(114)电连接所述第一导线(110)的第一端，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧通过第四金属电极(115)电连接所述第二压电层(107)，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧通过所述第四金属电极(115)电连接第三导线(112)的第一端。
7.根据权利要求1所述的压电式能量采集器，其特征在于，所述第一横梁(102)为导体，所述第二横梁(103)为绝缘体，其中，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧通过第四金属电极(115)电连接所述第二压电层(107)，所述第二横梁(103)靠近所述第一横梁(102)的一侧通过所述第四金属电极(115)电连接第三导线(112)的第一端。
8.根据权利要求1所述的压电式能量采集器，其特征在于，所述第一横梁(102)为绝缘体，所述第二横梁(103)为导体，其中，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧通过第三金属电极(114)电连接所述第一压电层(106)，所述第一横梁(102)背离所述第二横梁(103)的一侧通过所述第三金属电极(114)电连接所述第一导线(110)的第一端。
9.一种基于权利要求1～8任一项所述压电式能量采集器的压电式能量采集方法，其特征在于，包括：
测量第一振动系统的第一固有频率；所述第一振动系统包括所述第一横梁(102)、所述第一质量块(104)以及所述第一压电层(106)；
测量第二振动系统的第二固有频率；所述第一振动系统包括所述第二横梁(103)、所述第二质量块(105)以及所述第二压电层(107)；
振动所述振动台(101)，测量所述振动台(101)的外加频率；
当所述振动台(101)的外加频率处于第一预设测量频率和第二预设测量频率之间时，测量所述负载(113)上的电压；其中，所述第一预设测量频率小于所述第一固有频率且小于所述第二固有频率；所述第二预设测量频率大于所述第一固有频率且大于所述第二固有频率；
计算所述负载(113)的均方根功率，得到所述负载(113)的均方根功率与外加频率的对应关系。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述计算所述负载(113)的均方根功率，得到所述负载(113)的均方根功率与外加频率的对应关系，包括：
调整所述振动台(101)的振动加速度，计算所述负载(113)上在不同振动加速度下的均方根功率，得到在不同振动加速度下，所述负载(113)的均方根功率与外加频率的对应关系。
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