CN105932906A - 一种压电能量收集器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种压电能量收集器，包括振动源、压电振子和振动块，所述压电振子的一端固定在所述振动源上，所述振动块固定在所述压电振子上的另一端，所述振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构；其中以末端施加点质量的有阻尼的弹簧振子作为所述压电能量收集器的等效模型，所述压电振子的长度、所述振动块的质量以及所述振动块的厚度根据预先设定的条件确定。在此还公开了一种按照所述的压电能量收集器的参数设计制作所述压电能量收集器的方法。该能量收集器能够根据振动源的条件以及压电材料的性能来获得最大输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电能量收集器及其制作方法。
背景技术
能量收集器可以利用周围环境中存在的热能、光能、机械能等，将其转换为电能，从而为小功率传感器或驱动器供电。能量收集器的结构简单，制作成本低，且对环境危害小。同时，在周围环境中的能量能够稳定供给的条件下，能量收集器可以实现长期供电，较少了器件的拆卸与更换成本。
振动能广泛存在于自然界与人类社会中。通过压电材料制作的能量收集器，可以直接将振动能转换为电能，效率高，因而能够得到较好的利用。传统的压电材料是以锆钛酸铅为主的陶瓷材料，具有较高的压电常数；但陶瓷脆性大，在交变载荷的作用下易产生裂纹从而失效。且使用含铅类的压电陶瓷对环境具有潜在的危险性。近年来，压电高分子材料以良好的柔韧性及环境友好性引发了广泛关注。同时，以压电高分子材料为基础制作的能量收集器也取得了较大进展。
目前，能量收集器的输出功率尚未满足人们的需求。除了材料的压电性能需要提升以外，能量收集器的结构设计也是影响其输出功率的重要方面。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种高性能的压电能量收集器及其制作方法，该能量收集器根据振动源的条件以及压电材料获得最大输出功率。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种压电能量收集器，包括振动源、压电振子和振动块，所述压电振子的一端固定在所述振动源上，所述振动块固定在所述压电振子上的另一端，所述振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构；
其中以末端施加点质量的有阻尼的弹簧振子作为所述压电能量收集器的等效模型，所述压电振子的长度、所述振动块的质量以及所述振动块的厚度根据预先设定的以下条件确定：
其中所述压电振子的长度基于所述悬臂梁的等效长度Le来确定，其中所述悬臂梁的等效长度Le由公式④确定
其中，σmax为所述压电振子在长度方向的最大许用应力，E为所述压电振子的杨氏模量，ξ为所述压电振子的阻尼比，tp为所述压电振子的厚度，ω为所述振动源的角频率，ACC为所述振动源的振动加速度；
其中所述振动块的质量m由公式③确定
其中，W为所述压电振子的宽度；
其中所述振动块的厚度根据所述振动块的质量m、所述振动块的密度以及所述振动块的宽度确定。
进一步地：
与所述压电振子相连的输出负载的电阻值由公式①确定，
其中，C为压电振子的等效电容，所述等效电容根据所述压电振子和所述振动块的尺寸确定。
所述压电振子为长方形片材，所述压电振子的所述另一端的两面分别固定一个所述振动块，两个振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构。
所述压电振子为两片尺寸相同长方形片材，并沿厚度方向粘结在一起，输出负载通过导线与所述压电振子的表面相连。
所述振动块为两个尺寸相同的长方体，其宽度与所述压电振子的宽度一致。
所述压电振子的长度为所述悬臂梁的等效长度Le与所述振动块的1/2长度之和。
所述压电振子的材质为聚偏二氟乙烯。
所述振动块的材质为钢。
两片所述压电振子按同极化方向排列进行粘结。
输出负载的一端同时与两片所述压电振子未粘结的面相连，输出负载的另一端与两片所述压电振子粘结的面相连。
一种制作压电能量收集器的方法，按照所述的压电能量收集器的参数设计，制作所述压电能量收集器。
本发明的有益效果：
本发明以末端施加点质量的有阻尼的弹簧振子作为压电能量收集器的近似等效模型，通过将压电能量收集器的结构与振动源的振动条件进行匹配，使压电能量收集器获得最大的输出功率，从而充分利用了振动源的能量以及压电材料的压电性能。该压电能量收集器的输出功率可以满足多种小型用电器的供电要求，在压电材料所能承受的范围内，最大限度地发挥其机电转换效率。
附图说明
图1为压电能量收集器的结构示意图；
图2为压电能量收集器等效为弹簧振子模型的示意图；
图3为压电能量收集器等效为悬臂梁的受力分析图；
图4为测量实际器件性能的设备连接示意图；
图5为实际器件输出功率的频率响应；
图6为实际器件的输出功率随负载变化的关系图；
图7为实际器件的输出功率随振动源加速度变化的关系图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明中，以末端施加点质量4的有阻尼的弹簧振子为压电能量收集器的近似模型，优化压电能量收集器的相关参数(压电振子的尺寸、振动块的质量大小等)，确定出优化后的器件结构。
参阅图1，在一种实施例中，一种压电能量收集器，包括振动源1、压电振子2和振动块3，所述压电振子2的一端固定在所述振动源1上，所述振动块3固定在所述压电振子2上的另一端，所述振动块3与所述压电振子2一同构成悬臂梁结构；其中根据末端施加点质量4的有阻尼5的弹簧振子作为所述压电能量收集器的等效模型，所述压电振子2的长度、所述振动块3的质量以及所述振动块3的厚度根据预先设定的以下条件确定：
其中所述压电振子2的长度基于所述悬臂梁的等效长度Le来确定，其中所述悬臂梁的等效长度Le由公式④确定
其中，σmax为所述压电振子2在长度方向x的最大许用应力，E为所述压电振子2的杨氏模量，ξ为所述压电振子2的阻尼比，tp为所述压电振子2的厚度，ω为所述振动源1的角频率，ACC为所述振动源1的振动加速度；
其中所述振动块3的质量m由公式③确定
其中，W为所述压电振子2的宽度；
其中所述振动块3的厚度hm由所述振动块3的质量m、密度以及宽度确定。
在优选的实施例中，与所述压电振子2相连的输出负载R的电阻值由公式①确定，
其中，C为压电振子2的等效电容，所述等效电容C根据所述压电振子2和所述振动块3的尺寸确定。
在优选的实施例中，所述压电振子2为长方形片材，所述压电振子2的所述另一端的两面分别固定一个所述振动块3，两个振动块3与所述压电振子2一同构成悬臂梁结构。
在优选的实施例中，所述压电振子2为两片尺寸相同长方形片材，并沿厚度方向z粘结在一起，输出负载R通过导线与所述压电振子2的表面相连。
在优选的实施例中，所述振动块3为两个尺寸相同的长方体，其宽度与所述压电振子2的宽度一致。
在优选的实施例中，所述压电振子2的长度为所述悬臂梁的等效长度Le与所述振动块3的1/2长度之和。
在优选的实施例中，所述压电振子2的材质为聚偏二氟乙烯。
在优选的实施例中，所述振动块3的材质为钢，其密度例如为7800kg/m3。
在优选的实施例中，两片所述压电振子2按同极化方向(如图1中的黑色箭头所示)排列进行粘结。
在优选的实施例中，输出负载R的一端同时与两片所述压电振子2未粘结的面相连，输出负载的另一端与两片所述压电振子2粘结的面相连。
在另一种实施例中，一种制作压电能量收集器的方法，该方法包括：按照前述任一项实施例的压电能量收集器确定的参数制作所述压电能量收集器。
如图1所示，在压电能量收集器的一个具体实施例中，压电振子2的一端固定于振动源1，另一端与振动块3相粘结，构成悬臂梁。两片压电振子2按同极化方向排列进行粘结，并通过并联方式与外接输出负载进行串联。图2为本发明给出的能量收集器的等效模型，压电振子2可近似为末端带有点质量4的有阻尼5的弹簧振子，且在此模型中存在如下假设：
(1)将悬臂梁的总质量等效为振动块3的质量，即忽略压电振子2的质量；
(2)将悬臂梁的长度等效为压电振子2的长度，即忽略振动块3的长度；
(3)为获得最大输出功率，压电振子2需要工作在共振频率下，即压电振子2的共振频率与振动源1的频率相等；
(4)为获得最大输出功率，输出负载的电阻值满足如下关系：
图2中，振动源1的振动为A·cos(ω·t)，压电振子2的振动为W0·cos(ω·t+θ)。根据牛顿第二定律，可以求得压电振子2的振幅为
图3为悬臂梁的受力图。压电振子2受到由振动块3施加的交变力F。悬臂梁的共振频率可以根据材料力学相关知识导出：
利用②中所求振幅，可以求得悬臂梁所受的最大应力为
进而，根据压电方程，可以求得能量收集器的最大输出功率为
实例
设振动源的频率f为35Hz，加速度ACC为5m/s2。经调研与测试，PVDF材料的相关参数如表1。
表1PVDF材料参数
由公式④，求得悬臂梁的等效长度Le为6.3mm，再由公式③，求得振动块的质量为0.936g.由于实际器件中振动块的长度Lm不可忽略，因此选取2mm的较小数值作为其实际长度。根据图1中的对应关系可得压电振子的实际长度为7.3mm.再根据振动块的密度可以求得hm为3mm.此外，根据上述尺寸可以求出压电振子的等效电容C，从而可以求出输出负载的阻值R.最后，根据公式⑤可以求得最大输出功率Pmax为193μW.能量收集器的尺寸与性能的计算结果汇总于表2：
表2能量收集器的尺寸与性能的计算结果
根据上述参数，制作实际器件并对其输出进行测试。图4为测量压电能量收集器9性能的相关设备连接示意图。其中，信号发生器6产生的正弦信号经过功率放大器7放大后，驱动振动台8产生正弦振动。加速度传感器10用于检测振动源的振动加速度，通过信号放大器11放大后在示波器12显示的电信号与振动加速度成比例关系。压电能量收集器9产生的电信号可以在示波器12中显示，并通过输出负载可以计算其输出功率。
图5为实际器件输出功率的频率响应。可以看出，实际器件的共振频率为34.4Hz，与模型中设定的频率接近。最大输出功率为113μW。图6为实际器件的输出功率随负载变化的关系图，其最大输出功率与图5一致，为113μW。这与模型中的计算结果存在一定差距。这是因为实际器件中位于振动源内与振动块下面的压电膜不产生形变，对输出功率没有贡献，而这部分膜产生的电容是在模型计算中没有考虑进去的。等效电容的差距也可以从图中最佳输出负载的阻值看出，实际器件为6.81MΩ，与模型结果有一定差距。图7为实际器件的输出功率随振动源加速度变化的关系图，其中，输出功率在振动加速度高于6.25m/s2之后不再保持模型中功率与加速度的平方关系，这是因为器件所受应力超过了压电材料的屈服应力，压电材料的非线性效应逐渐显著，因而改变了原有的比例关系。由于实际器件无法直接测得压电振子所受的最大应力，我们通过有限元模拟对实际器件的构型进行分析，计算得出其最大应力为28.5MPa，这与模型中给出的结果接近。表3为实际器件性能的测试结果与模型中计算结果的对比：
表3实际器件与模型中的计算结果的对比
将上述结果进行比较，可以得出以下结论：
(1)实际器件测得的共振频率与模型中的设定基本接近。
(2)最大输出功率有一定差距。其误差来源于实际器件中存在的不产生形变部分的压电膜，导致其输出功率受到影响。
(3)器件所受应力与模型中的结果接近。尽管输出功率受到一定影响，但实际器件仍满足共振频率下工作与最佳负载下输出的条件，因此该器件构型即为35Hz,5m/s2的振动条件下的最优构型。
因此，本发明提出的近似模型与相关方程对能量收集器的结构优化具有很好的指导意义，并可以证明宽频率响应能量收集器提高收集效率的可行性。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
符号说明：
Claims (10)
1.一种压电能量收集器，其特征在于，包括振动源、压电振子和振动块，所述压电振子的一端固定在所述振动源上，所述振动块固定在所述压电振子上的另一端，所述振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构；
其中以末端施加点质量的有阻尼的弹簧振子作为所述压电能量收集器的等效模型，所述压电振子的长度、所述振动块的质量以及所述振动块的厚度根据预先设定的以下条件确定：
其中所述压电振子的长度基于所述悬臂梁的等效长度Le来确定，其中所述悬臂梁的等效长度Le由公式④确定
其中σmax为所述压电振子在长度方向的最大许用应力，E为所述压电振子的杨氏模量，ξ为所述压电振子的阻尼比，tp为所述压电振子的厚度，ω为所述振动源的角频率，ACC为所述振动源的振动加速度；
其中所述振动块的质量m由公式③确定
其中W为所述压电振子的宽度；
其中所述振动块的厚度根据所述振动块的质量m、所述振动块的密度以及所述振动块的宽度确定。
2.如权利要求1所述的压电能量收集器，其特征在于，与所述压电振子相连的输出负载的电阻值由公式①确定，
其中，C为压电振子的等效电容，所述等效电容根据所述压电振子和所述振动块的尺寸确定。
3.如权利要求1或2所述的压电能量收集器，其特征在于，所述压电振子为长方形片材，所述压电振子的所述另一端的两面分别固定一个所述振动块，两个振动块与所述压电振子一同构成悬臂梁结构。
4.如权利要求1或2所述的压电能量收集器，其特征在于，所述压电振子为两片尺寸相同长方形片材，并沿厚度方向粘结在一起，输出负载通过导线与所述压电振子的表面相连。
5.如权利要求4所述的压电能量收集器，其特征在于，所述振动块为两个尺寸相同的长方体，其宽度与所述压电振子的宽度一致。
6.如权利要求1至5任一项所述的压电能量收集器，其特征在于，所述压电振子的长度为所述悬臂梁的等效长度Le与所述振动块的1/2长度之和。
7.如权利要求1至5任一项所述的压电能量收集器，其特征在于，所述压电振子的材质为聚偏二氟乙烯，所述振动块的材质为钢。
8.如权利要求4所述的压电能量收集器，其特征在于，两片所述压电振子按同极化方向排列进行粘结。
9.如权利要求4所述的压电能量收集器，其特征在于，输出负载的一端同时与两片所述压电振子未粘结的面相连，输出负载的另一端与两片所述压电振子粘结的面相连。
10.一种制作压电能量收集器的方法，其特征在于，按照如权利要求1至9任一项所述的压电能量收集器的参数设计，制作所述压电能量收集器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |