CN105811804B - 一种基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，包括质量块、至少一个牵引梁、固定支架、牵引绳、压电片、上、下电极和受迫梁；固定支架具有一谐振腔；牵引梁根据外界振动方向设置，其一端与谐振腔的内壁连接，另一端为自由端；受迫梁位于牵引梁的上方或下方，其一端与谐振腔的内壁连接，另一端为自由端；质量块分别固定在每一个牵引梁与受迫梁自由端；牵引绳的一端连接于牵引梁的自由端，另一端连接于受迫梁的自由端；压电片固定在受迫梁上；上、下电极位于压电片的上下表面；牵引梁的牵引绳带动受迫梁发生振动，使受迫梁上的压电片发生形变产生电能，压电片通过连接上、下电极输出电能；当牵引梁的数量大于1时，其在水平面内呈阵列分布。
Description
技术领域
本发明属于可再生资源和微电子技术领域，特别涉及一种利用绳牵引的结构高效地将环境中具有一定频率宽度振动源的机械能转换为电能的宽频压电振动能量收集装置。
背景技术
近年来，随着微电子技术和无线技术的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络(WSN)。通常情况下，这些无线传感网络节点设备都是依靠传统的电池来提供能量，如镍氢电池、锂聚合物电池等。传统电池存在一些缺点，一是供能寿命有限，不可循环利用，使用一段时间后需要更换或者充电，对于分布在气候恶劣或者遥远地区的无线传感器网络而言，这是个很严重的制约条件；二是相对于微型传感器其体积仍然较大，限制了微传感器的进一步小型化。为了解决这些问题，研究人员提出了可以实现从周围环境吸收能量的能量收集器，有效解决了电池寿命有限、更换不便的困难。
目前，能量收集器的类型主要有压电式、静电式以及电磁式，三者之中，压电式悬臂梁结构能量收集器的主流类型，通过吸收环境中普遍存在的振动能量输出电能，具有可实现循环利用，能与MEMS技术很好地集成、能量输出密度大、无需启动电源以及结构简单等优点。
当周围环境振动源的频率与能量收集器谐振频率一致时，压电振动能量收集器收集效率高；然而当周围环境振动源的频率偏离悬臂梁谐振频率时，输出能量会急剧减少，收集效率低。周围环境中的振动源都具有一定频带宽度，能量收集器也具有一定的频带宽度，但是能量收集器存在频带窄，不能完全覆盖环境中振动源频带宽度的问题，导致能量收集效率低，限制了收集器在宽频振动环境中的应用。因此如何拓宽能量收集器的频带宽度是发展能量收集器面临的主要技术挑战之一。
为解决压电振动能量收集器能在宽频振动环境中工作的问题，国内外提出了各种各样的解决方案。比如2008年Chal la等人提出的磁式悬臂梁能量收集器，在单臂梁的基础上分别在装置的顶端、底端和梁的自由端沿垂直方向固定磁铁，通过调节磁铁间的距离改变梁的固有频率来实现宽频的能量收集，但是每次改变磁铁间的距离需要花费一定的时间，不能适应频率变化快的环境，而且不易实现集成化、微型化。Shahruz在2006年设计的阵列式压电悬臂梁能量收集器，利用多个贴有压电片的悬臂梁采用阵列方式分布，每个悬臂梁具有不同的几何尺寸而具有不同的谐振频率，每个梁相当于一个电源，通过串联的连接方式输出能量来达到拓频的效果，其缺点是梁与梁之间串联产生耦合干扰，能量收集效率低。2010年南京航空航天大学申请了一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置的专利(201010601354.3)，其中装置结构包括多个具有不同谐振频率的悬臂梁，每个悬臂梁上贴有压电片，梁之间通过串联或并联连接方式输出能量，达到拓宽频带宽度的效果，但是也存在因串联或并联方式产生耦合干扰导致能量收集效率低的问题。2012年重庆大学申请的关于宽频带微型压电振动能量收集器专利(201210459561.9)同样存在因串联或并联方式产生耦合干扰导致能量收集效率低的问题。2012年新加坡国立大学的Huicong Liu提出一种基于双梁碰撞的压电振动能量收集器，该装置由低频梁和高频梁组成，通过低频梁振动碰撞高频梁收集能量，可以实现宽频能量收集，由于碰撞过程属于非弹性碰撞，存在机械能的损失，使能量传递效率减小，不能高效率的收集能量。
发明内容
本发明针对上述存在的技术问题，提供一种通过多梁与单梁绳牵引方式传递机械能，单个压电片输出能量的装置，此装置可以应用在一定频带宽度振动源的环境中，避免了因串联或并联方式产生耦合干扰和内阻增加以及因碰撞导致机械能较大损失等问题，高效率的将环境中的振动能量转换为电能，而且可以连续输出电能。
本发明目的在于针对压电振动能量收集器存在工作频率宽度窄、能量收集效率低的问题，发明了一种可以高效获取宽频振动能量的能量收集装置，弥补前述背景技术中因串联或并联产生耦合干扰导致收集效率低、碰撞损失机械能的缺陷。通过本发明装置，可高效率的实现宽频带能量收集。
本发明通过如下技术方案来解决上述存在的技术问题：一种基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，包括质量块、至少一个牵引梁、固定支架、牵引绳、压电片、上、下电极和受迫梁；
所述固定支架具有一谐振腔；所述牵引梁根据外界振动方向设置，其一端与所述谐振腔的内壁连接，另一端为自由端；所述受迫梁位于牵引梁的上方或下方，其一端与所述谐振腔的内壁连接，另一端为自由端；所述质量块分别固定在每一个牵引梁与受迫梁自由端；所述牵引绳的一端连接于牵引梁的自由端，另一端连接于受迫梁的自由端；所述压电片固定在受迫梁上；所述上、下电极位于压电片的上下表面；所述牵引梁的牵引绳带动受迫梁发生振动，使受迫梁上的压电片发生形变产生电能，压电片通过连接上、下电极输出电能；
当所述牵引梁的数量大于1时，其在水平面内呈阵列分布。
在一较佳实施例中：所述牵引梁的几何尺寸一样或者不一样。
在一较佳实施例中：所述牵引梁和受迫梁的形状为矩形、梯形、曲线形或三角形。
在一较佳实施例中：所述质量块具有相同或不同的质量。
在一较佳实施例中：所述牵引梁的阵列为矩形或圆形。
在一较佳实施例中：每个所述牵引梁连接的牵引绳长度一样或不一样。
在一较佳实施例中：所述牵引绳材质为尼龙、纤维或橡胶。
在一较佳实施例中：所述压电片设置在受迫梁的上表面或下表面。
在一较佳实施例中：所述受迫梁数量至少为一个，具体数量可以根据实际能量需求设置。
在一较佳实施例中：所述受迫梁设置于牵引梁阵列上方或下方，与牵引梁的距离可以通过固定支架的厚度进行调整。
相对于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明优点之一是采用不同谐振频率的牵引梁阵列，当振动源频率在牵引梁谐振频率范围内变化时，总有一个或多个牵引梁产生较大形变通过牵引绳牵引受迫梁发生振动，避免了因碰撞导致能量较大损失从而提高能量的传递效率，同时解决了因调节谐振频率导致电压间断性输出的问题，可连续输出有效电压，更能适应频率变化快的振动环境。
2、本发明优点之二是通过多梁与单梁绳牵引方式传递机械能，使受迫梁发生形变，利用受迫梁上的单个压电片进行能量收集，可以避免因串联或并联的连接方式产生耦合干扰和内阻增加以及因碰撞损失机械能的问题，从而提高能量收集的效率。
附图说明
图1是本发明基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置的三维结构示意图；
具体实施方式
以下通过附图对本发明做进一步说明，但本发明不仅限于此实施例。
结合图1所示，本发明提供一种基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，包括质量块1、六个牵引梁2、固定支架3、牵引绳4、压电片5、上、下电极6和受迫梁7。
所述固定支架3具有一谐振腔；所述牵引梁2沿着水平方向且呈阵列设置，其一端与所述谐振腔的内壁连接，另一端为自由端；所述受迫梁7位于牵引梁的上方，其一端与所述谐振腔的内壁连接，另一端为自由端；所述质量块1分别固定在每一个牵引梁2与受迫梁7自由端；所述牵引绳4的一端连接于牵引梁2的自由端，另一端连接于受迫梁7的自由端；所述压电片5固定在受迫梁7上；所述上、下电极6位于压电片5的上下表面；所述牵引梁2的牵引绳4带动受迫梁7发生振动，使受迫梁7上的压电片5发生形变产生电能，压电片5通过连接上、下电极6输出电能；
所述牵引梁2和受迫梁7具有不同的几何尺寸、形状和材料，其形状可以为矩形、梯形、曲线形，材料可以为铜、铝、硅等，本实施例中形状为矩形，材料为铜。
所述质量块1具有相同或不同的质量，具体质量根据实际环境中的振动源频率范围设置，本实施例中质量块1具有不同的质量。
所述牵引梁2阵列具有不同形状的阵列分布，可以为矩形或圆形，本实施例中为圆形。
所述对应每个牵引梁2的牵引绳4的长度一样或不一样，本实施例中为长度一样。
所述牵引绳4材质可以为尼龙、纤维或橡胶，本实施例中为尼龙。
所述压电片5位于受迫梁7的上表面或下表面，本实施例中为上表面。
所述压电片5的形状和材料不固定，可以为压电陶瓷(PZT)、氮化铝、氧化锌、PVDF等。本实施例中为矩形PZT。
所述受迫梁7与牵引梁2的距离可以通过固定支架3的厚度进行调整。
综上所述，本发明提出的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，收集环境中具有一定频带宽度振动源的能量，有效拓宽了工作频率宽度，同时提高能量转化效率，从而提升压电振动能量收集器的整体性能，扩宽适用范围，增强实用性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于：包括质量块、至少一个牵引梁、固定支架、牵引绳、压电片、上、下电极和受迫梁；
所述固定支架具有一谐振腔；所述牵引梁根据外界振动方向设置，其一端与所述谐振腔的内壁连接，另一端为自由端；所述受迫梁位于牵引梁的上方或下方，其一端与所述谐振腔的内壁连接，另一端为自由端；所述质量块分别固定在每一个牵引梁与受迫梁自由端；所述牵引绳的一端连接于牵引梁的自由端，另一端连接于受迫梁的自由端；所述压电片固定在受迫梁上；所述上、下电极位于压电片的上下表面；所述牵引梁的牵引绳带动受迫梁发生振动，使受迫梁上的压电片发生形变产生电能，压电片通过连接上、下电极输出电能；
当所述牵引梁的数量大于1时，其在水平面内呈阵列分布。
2.根据权利要求1所述的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于：所述牵引梁的几何尺寸一样或者不一样。
3.根据权利要求1所述的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于：所述牵引梁和受迫梁的形状为矩形、梯形、曲线形或三角形。
4.根据权利要求1所述的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于：所述质量块具有相同或不同的质量。
5.根据权利要求1所述的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于：所述牵引梁的阵列为矩形或圆形。
6.根据权利要求1所述的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于：每个所述牵引梁连接的牵引绳长度一样或不一样。
7.根据权利要求1所述的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于：所述牵引绳材质为尼龙、纤维或橡胶。
8.根据权利要求1所述的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于：所述压电片设置在受迫梁的上表面或下表面。
9.根据权利要求1所述的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于：所述受迫梁数量至少为一个，具体数量可以根据实际能量需求设置。
10.根据权利要求1所述的基于绳牵引的宽频压电振动能量收集装置，其特征在于:所述受迫梁设置于牵引梁阵列上方或下方，与牵引梁的距离可以通过固定支架的厚度进行调整。
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