CN106160575A - 一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器 - Google Patents
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Abstract
一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器；包括压电复合音叉、永磁铁和基座（7），压电复合音叉由第一矩形弹性金属音叉臂（3）、第一压电片（5）、第二矩形弹性金属音叉臂（4）和第二压电片（6）组成。第一压电片固定在第一矩形弹性金属音叉臂的过渡端上；第二压电片固定在第二矩形弹性金属音叉臂的过渡端上；永磁铁通过胶粘的方式对称地粘合在音叉两臂的自由端，第一永磁铁（1）安装在第一矩形弹性金属音叉臂（3）的端部，第二永磁铁（2）安装在第二矩形弹性金属音叉臂（4）的端部；以保证音叉两臂之间产生强烈地耦合作用，从而获得最大化的机械振动。本发明采用压电复合音叉为能量采集、转换元件，可以实现微弱低频磁场能量的高效采集。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器，属能量采集技术领域。
背景技术
能量采集技术已经成为现代物联网建设的重要技术支撑之一，有效地解决了物联网络中无线传感节点的持续、稳定供电问题。当前环境能量采集研究主要倾力于多种能源：太阳能（如公开号CN105674587A公开了一种反射聚光太阳能发电站、公开号CN105656410A公开了一种可调式水上太阳能发电系统等）、风能（如公开号CN105604798A公开了一种螺圈式风能发电设备）、机械能（如公开号CN105634204A公开了一种人体足部机械能发电装置）、电磁能，公开号CN103683764A公开了垂直轴磁悬浮式蒸汽发电磁能发电的两用发电装置。而磁场能作为电磁能的一种形式，在现实生活中分布广泛，如各种电线安装的环境。
最常用的磁场能量采集器是基于法拉第电磁感应定律的线圈加磁芯组合结构，如公开号CN104300834A公开了一种新型磁能发电机，但是其存在体积较大、磁芯饱和易发热、输出电压低等缺点，导致单位体积内能量转换效率有限；特别是在低频磁场环境下，其电压输出非常微弱，不适合低频磁场能量采集。另一类新型磁场能量采集器则采用了安培作用力的原理，模型主要由耦合磁场的磁铁阵列和输出电信号的压电悬臂梁组成。类似基于压电悬臂梁的采集器模型还可以采用磁扭矩效应实现。这些基于安培作用力原理或者磁扭矩效应并采用压电悬臂梁的磁场能量采集器依然效率不高，因为其压电悬臂梁结构的机械品质因数不够高，导致磁-机-电转换过程中损耗不小。
发明内容
本发明的目的是，为了高效采集、转换环境微弱低频磁场能量，提出一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器。
本发明的技术方案是，一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器包括压电复合音叉、一对永磁铁和基座。所述压电复合音叉由第一矩形弹性金属音叉臂、第一压电片、第二矩形弹性金属音叉臂和第二压电片组成；第一矩形弹性金属音叉臂和第二矩形弹性金属音叉臂的一端为固定端，相互叠合，固定在基座上，另一端为自由端，二个音叉臂的自由端平行，固定端与自由端之间是过渡端，过渡端与固定端和自由端之间的夹角构成相同的内错角；第一压电片固定在第一矩形弹性金属音叉臂的靠近固定端的过渡端上；第二压电片固定在第二矩形弹性金属音叉臂的靠近固定端的过渡端上；永磁铁通过胶粘的方式对称地粘合在音叉两臂的自由端，第一永磁铁安装在第一矩形弹性金属音叉臂自由端的端部，第二永磁铁安装在第二矩形弹性金属音叉臂自由端的端部；以保证音叉两臂之间产生强烈地耦合作用，从而获得最大化的机械振动。
当永磁铁受到外部交变磁场磁扭矩作用时，永磁铁驱动压电复合音叉两臂产生同幅反相振动。当工作频率处于半波状态时，音叉两臂的振动信号发生同相叠加而大大增强；增强的振动通过胶层传递到压电片，压电片感应振动应力产生电信号输出。
所述压电复合音叉中矩形弹性金属音叉臂的大小及两臂间距可调。
所述压电复合音叉中压电片材料采用PZT-5H、PVDF或压电单晶PMNT。
所述压电复合音叉中矩形弹性金属音叉臂材料采用铁镍合金或不锈钢。
所述永磁铁选择更大剩磁的NdFeB；永磁铁极性可以调整为相吸性；永磁铁数量可增加到10个，即音叉二端音叉臂每端重叠5个永磁铁。
本发明的有益效果是，本发明采用压电复合音叉为能量采集、转换元件，可以实现微弱低频磁场能量的高效采集。与单端悬臂梁结构比较，音叉结构具有更高的机械品质因数、更强的振动和更高的输出电压；与线圈结构比较，具有更高的输出电压和负载能力。本发明采用磁扭矩效应，相比安培作用力原理，具有更大的驱动力，从而导致较小磁场下具有较大的电压输出和较高的输出功率。本发明中的永磁铁的相吸位置设计增强了压电复合音叉两臂的初始应力，增强了压电输出。本发明适用于微弱低频磁场能量的高效采集。
附图说明
图1为本发明压电复合音叉的低频磁场能量采集器结构示意图；
图中，1是第一永磁铁；2是第二永磁铁；3是第一矩形弹性金属音叉臂；4是第二矩形弹性金属音叉臂；5是第一压电片；6是第二压电片；7是基座。
具体实施方式
本发明具体实施方式如图1所示。
本实施例一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器包括压电复合音叉、一对永磁铁和基座。所述压电复合音叉由第一矩形弹性金属音叉臂3、第一压电片5、第二矩形弹性金属音叉臂4和第二压电片6组成；第一矩形弹性金属音叉臂3和第二矩形弹性金属音叉臂4的一端为固定端，相互叠合，固定在基座上，另一端为自由端，二个音叉臂的自由端平行，固定端与自由端之间是过渡端，过渡端与固定端和自由端之间的夹角构成相同的内错角；第一压电片5固定在第一矩形弹性金属音叉臂3的靠近固定端的过渡端上；第二压电片6固定在第二矩形弹性金属音叉臂4的靠近固定端的过渡端上；永磁铁通过胶粘的方式对称地粘合在音叉两臂的自由端，第一永磁铁1安装在第一矩形弹性金属音叉臂3自由端的端部，第二永磁铁2安装在第二矩形弹性金属音叉臂4自由端的端部；以保证音叉两臂之间产生强烈地耦合作用，从而获得最大化的机械振动。
本实施例中，第一永磁铁1和第二永磁铁2的材料为NdFeB；第一矩形弹性金属音叉臂3和第二矩形弹性金属音叉臂4的材料为铍青铜；第一压电片5和第二压电片6的材料为PZT-8；基座7的材料为铝。
Claims (5)
1.一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器；包括压电复合音叉、一对永磁铁和基座，其特征在于，所述压电复合音叉由第一矩形弹性金属音叉臂、第一压电片、第二矩形弹性金属音叉臂和第二压电片组成；第一矩形弹性金属音叉臂和第二矩形弹性金属音叉臂的一端为固定端，相互叠合，固定在基座上，另一端为自由端，二个音叉臂的自由端平行，固定端与自由端之间是过渡端，过渡端与固定端和自由端之间的夹角构成相同的内错角；第一压电片固定在第一矩形弹性金属音叉臂的靠近固定端的过渡端上；第二压电片固定在第二矩形弹性金属音叉臂的靠近固定端的过渡端上；永磁铁通过胶粘的方式对称地粘合在音叉两臂的自由端，第一永磁铁安装在第一矩形弹性金属音叉臂自由端的端部，第二永磁铁安装在第二矩形弹性金属音叉臂自由端的端部；以保证音叉两臂之间产生强烈地耦合作用，从而获得最大化的机械振动。
2.根据权利要求1所述的一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器；其特征在于，所述永磁铁受到外部交变磁场磁扭矩作用时，永磁铁驱动压电复合音叉两臂产生同幅反相振动；当工作频率处于半波状态时，音叉两臂的振动信号发生同相叠加而大大增强；增强的振动通过胶层传递到压电片，压电片感应振动应力产生电信号输出。
3.根据权利要求1所述的一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器；其特征在于，所述压电复合音叉中压电片材料采用PZT-5H、PVDF或压电单晶PMNT。
4.根据权利要求1所述的一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器；其特征在于，所述压电复合音叉中矩形弹性金属音叉臂的材料采用铁镍合金或不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种采用压电复合音叉的低频磁场能量采集器；其特征在于，所述永磁铁选择更大剩磁的NdFeB；永磁铁极性可以调整为相吸性；永磁铁数量可增加到10个，即音叉二端音叉臂每端重叠5个永磁铁。
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