CN106787943A - 一种s型压电振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种S型压电振动能量收集装置，属于能量转化与收集技术领域。一种S型压电振动能量收集装置，包括：悬臂梁，其水平放置且呈平板状，所述悬臂梁连续转弯，包括多层平行布置的基板依次连接呈S型，所述悬臂梁第一层基板的首端为固定端，第一层基板上距离固定端10mm处粘贴有压电片，所述悬臂梁最外层基板上固定有质量块。本发明所述S型压电悬臂梁可更容易的实现悬臂梁结构与环境的共振，有效地收集振动能量，也有较高的电压输出能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种S型压电振动能量收集装置，属于能量转化与收集技术领域。
背景技术
在电厂和变电站的状态监测与故障诊断中，涌现出各式各样的具有体积小、功能集成化高等特点的微型传感器。这些微型传感器在电厂和变电站恶劣的工作环境下，通常需要独立电源为其提供供电任务，或是自身能量收集集成供给的功能。如果没有合适的电源供给，微型传感器很难发挥作用。当今的微型能源研究，主要以常规能源为基础，利用加工技术，制造出具有自供能元器件。
传统的微型电池种类很多，例如燃料电池，具有无污染和效率高的优点，但是实际应用较少，又有很多技术弊端，所以现在还处在研发阶段。最接近实用化的微能源是化学电池。在某些特定场合应用微型电池，例如无线传感器节点放置在野外环境下，就会遇到电池不能长时间供电、燃料不足、需要补给等实际问题，这些就体现了微型电池供电方案不可靠、不长久的缺点。因此电厂及变电站检测设备无线微型传感器的应用，其供电问题成为无线传感器网络长时间应用的瓶颈。合理利用自然界的能量进而转换收集得到很多学者的研究和支持。所谓的能量收集，就是把自然界中的能量或是具体应用环境产生的能量，进行能量转化。转化的形式通常是产生电能，再对电能进行储存和利用，这就需要电容器或是其它储能器件。微型发电转换收集装置就可以将自然界环境中的能量转换为电能，其通过外界振动能进行压电能量转换，获得电能，再进行储存，应用在电厂和变电站中的无线传感器上。这使得微型无线传感器可工作在各种振动环境中。现有的振动发电装置包括静电式振动能量收集模块和电磁式振动能量采集模块，静电式振动能量收集模块需要外加电源，并且输出的电压高、电流低和过高的输出阻抗；而电磁式振动能量采集模块漏磁大，输出功率过低。
发明内容
针对上述问题，为使在有限空间内得到较高的发电能力或是能量转换与收集效率，本发明的目的在于提供一种S型压电振动能量收集装置，其作为一种新的微型供电装置，具有成本低、结构简单、机电耦合效率高等优势，可为电站设备无线节点进行自供电。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种S型压电振动能量收集装置，包括：
悬臂梁，其水平放置且呈平板状，所述悬臂梁连续转弯，包括多层平行布置的基板依次连接呈S型，所述悬臂梁第一层基板的首端为固定端，第一层基板上距离固定端10mm处粘贴有压电片，所述悬臂梁最外层基板上固定有质量块。
进一步的，所述压电片和质量块位于所述悬臂梁的同一面，所述质量块靠近悬臂梁的末端，且所述压电片和质量块相互之间不重叠。
进一步的，所述多层依次连接的基板一体成型，每层基板的边缘做成倒角，且每层基板之间的间隙相同。
进一步的，所述悬臂梁第一层基板的固定端处钻有圆孔，便于所述悬臂梁的固定。
进一步的，
所述悬臂梁的长度为70mm；
所述每层基板的长度为70mm，宽度为10mm，厚度为1.5mm，且每层基板之间的间隙为2mm；
所述压电片的长度为40mm，宽度为10mm，厚度为0.7mm；
所述质量块的长度为40mm，宽度为10mm，厚度为4mm。
进一步的，所述基板为金属基板，且所述金属基板外侧设有绝缘胶。
进一步的，所述压电片为压电单晶、压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡或者聚偏四氟乙烯。
进一步的，所述质量块为钨、铜、铝、不锈钢或聚四氟乙烯。
进一步的，所述质量块包括可动质量块和固定质量块，其中，所述固定质量块固定在悬臂梁最外层基板上，可动质量块固定在固定质量块上；其中，可动质量块是外表面设有螺纹的柱状体，固定质量块内部设有与所述可动质量块表面螺纹相吻合的螺纹通孔，所述可动质量块通过所述螺纹通孔固定，且通过拧动可动质量块，调整其重心在基板上的相对位置。通过固定质量块和可动质量块相结合的方式，能够在较大频率范围内、精确的调节该装置的固有频率，克服传统的装置无法精确调节谐振频率的问题，能够在不同的振动环境下的最大化能量收集能力。
本发明的有益效果为：
实际振动环境大多是低频振动环境，振动能量收集装置的固有频率应该和振动频率相匹配，当两个频率达到相同时，会产生共振现象，能量转换效率最高。本发明所述S型压电悬臂梁，通过悬臂梁宽度的增加，其固有频率可以得到有效降低，使得模型可以在较低振动环境中(一般低频振动环境频率在50Hz以内)，更容易的实现悬臂梁结构与环境的共振，有效地收集振动能量，也有较高的电压输出能力。
本发明所述S型压电振动能量收集装置的输出电压值可以达到15V左右，相比于其他常规压电振动能量收集装置，其电压值很高、发电能力很强。
附图说明
图1为本发明所述S型压电振动能量收集装置的俯视图；
图2为本发明所述S型压电振动能量收集装置的正视图；
图3为本发明所述S型压电振动能量收集装置的右视图；
图4为本发明所述S型压电振动能量收集装置在不同频率下的单位输出电压曲线图；
其中，1-基板，2-质量块，3-压电片，4-固定端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种S型压电振动能量收集装置，如图1所示，包括：
悬臂梁，其水平放置且呈平板状，所述悬臂梁连续转弯，包括多层平行布置的基板1依次连接呈S型，所述多层依次连接的基板1一体成型，每层基板1的边缘做成倒角，且每层基板1之间的间隙相同。所述悬臂梁第一层基板1的首端钻有圆孔为固定端4，以便于所述悬臂梁的固定。第一层基板1上表面距离固定端410mm处粘贴有压电片3，所述悬臂梁最外层基板1上表面固定有质量块2。所述压电片3和质量块2位于所述悬臂梁的同一面，所述质量块2靠近悬臂梁的末端，且所述压电片3和质量块2相互之间不重叠。
所述悬臂梁的长度为70mm，总宽度为70mm。所述每层基板1的长度为70mm，宽度为10mm，厚度为1.5mm，且每层基板1之间的间隙为2mm；所述压电片3的长度为40mm，宽度为10mm，厚度为0.7mm；所述质量块2的长度为40mm，宽度为10mm，厚度为4mm。
所述基板1为金属基板1，且所述金属基板1外侧设有绝缘胶。所述压电片3为压电单晶、压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡或者聚偏四氟乙烯。所述质量块2为钨、铜、铝、不锈钢或聚四氟乙烯。
所述质量块2包括可动质量块和固定质量块，其中，所述固定质量块固定在悬臂梁最外层基板1上，可动质量块固定在固定质量块上；其中，可动质量块是外表面设有螺纹的柱状体，固定质量块内部设有与所述可动质量块表面螺纹相吻合的螺纹通孔，所述可动质量块通过所述螺纹通孔固定，且通过拧动可动质量块，调整其重心在基板1上的相对位置。
利用测振表输入测量和示波器的输出响应，可以测到以固有频率为核心，在一定频率范围内S型压电振动能量收集装置的单位输出电压能力，这能客观评价S型压电振动能量收集装置的频宽和不同频率之间的单位发电能力。如图4所示，指的是S型压电振动能量收集装置在不同振动环境频率下的响应曲线。实验测得S型压电振动能量收集装置的固有频率是46Hz，那么可以在频率范围20～80Hz之间测得每个频率的单位输出电压。从图中可以看出，在固有频率附近可以达到较大的单位电压输出，最大值可达到394.87mV/mm。在频率为20～40Hz和50～60Hz振动环境下，振动环境频率没有和S型压电振动能量收集装置固有频率匹配，达到共振现象，所有振动较小，单位输出电压能力较小。但是固有频率有效降低，更适合低频振动环境。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种S型压电振动能量收集装置，其特征在于，包括：
悬臂梁，其水平放置且呈平板状，所述悬臂梁连续转弯，包括多层平行布置的基板依次连接呈S型，所述悬臂梁第一层基板的首端为固定端，第一层基板上距离固定端10mm处粘贴有压电片，所述悬臂梁最外层基板上固定有质量块。
2.根据权利要求1所述的S型压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片和质量块位于所述悬臂梁的同一面，所述质量块靠近悬臂梁的末端，且所述压电片和质量块相互之间不重叠。
3.根据权利要求1所述的S型压电振动能量收集装置，其特征在于，所述多层依次连接的基板一体成型，每层基板的边缘做成倒角，且每层基板之间的间隙相同。
4.根据权利要求1所述的S型压电振动能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁第一层基板的固定端处钻有圆孔，便于所述悬臂梁的固定。
5.根据权利要求1所述的S型压电振动能量收集装置，其特征在于，
所述悬臂梁的长度为70mm；
所述每层基板的长度为70mm，宽度为10mm，厚度为1.5mm，且每层基板之间的间隙为2mm；
所述压电片的长度为40mm，宽度为10mm，厚度为0.7mm；
所述质量块的长度为40mm，宽度为10mm，厚度为4mm。
6.根据权利要求1所述的S型压电振动能量收集装置，其特征在于，所述基板为金属基板，且所述金属基板外侧设有绝缘胶。
7.根据权利要求1所述的S型压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片为压电单晶、压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡或者聚偏四氟乙烯。
8.根据权利要求1所述的S型压电振动能量收集装置，其特征在于，所述质量块为钨、铜、铝、不锈钢或聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的S型压电振动能量收集装置，其特征在于，所述质量块包括可动质量块和固定质量块，其中，所述固定质量块固定在悬臂梁最外层基板上，可动质量块固定在固定质量块上；其中，可动质量块是外表面设有螺纹的柱状体，固定质量块内部设有与所述可动质量块表面螺纹相吻合的螺纹通孔，所述可动质量块通过所述螺纹通孔固定，且通过拧动可动质量块，调整其重心在基板上的相对位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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