CN107070302B - 一种带滚动体的碰撞式环境动能采集阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带滚动体的碰撞式环境动能采集阵列，属于可再生能源领域，其主要由底座1和固定于底座上的采集单元阵列构成，每个采集单元由弹簧2、支架3、压电梁4、钢珠(或其他滚动体)5、顶盖6和十字盘头螺钉7构成。各采集单元在环境振动或风的作用下产生摆动，导致其空腔(由支架3、压电梁4和顶盖6构成)中的钢珠(或其他滚动体)5与压电梁4发生碰撞，该碰撞使得压电梁4产生振动，压电梁4上的压电层进一步将梁的振动能转换为电能。本发明提出的环境动能采集阵列可以同时采集风能和水平面内任意方向内的振动能，特别是可以高效采集环境中微弱的低频、宽带、多方向振动能和中低速风能，在无线传感网络等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源领域，特别涉及到一种带钢珠(或其他滚动体)的碰撞式环境动能采集阵列结构。
背景技术
作为物联网的一个重要组成部分，无线传感网络成为近年来国内外研究的热点。近年来，无线通讯、集成电路、微系统等技术的发展，使得构建一个具有成千上万个节点的无线传感网络成为可能，然而，大多数无线传感网络节点仍然使用传统电池供电。传统的电池具有尺寸大、寿命短、污染环境等缺点，极大地限制了无线传感网络的应用。将环境中广泛存在的动能(振动能、风能、流水动能等)转换为电能是解决无线传感网络供能问题的一种有效方法，逐步成为国内外微能源研究的热点。
风能是一种在自然界中蕴藏丰富的清洁能源，而且比较容易获取，微型的风能采集器是无线传感网络节点的一种理想电源。风致振动式风能采集器利用风致振动现象将风能转换成振动能，然后进一步利用电磁感应、静电效应或者压电效应等原理将振动能转换为电能。风致振动式风能采集器只有在风速超过某个特定的临界风速时才有较高的电学输出，目前的风能采集器还存在临界风速高等问题，极大地限制了其在无线传感领域的广泛应用，如何提高对低速风能的采集效率已成为微型风能采集器研究亟待解决的关键问题。
振动能在自然环境中广泛存在，国内外对将环境振动能转换为电能的微型振动能采集器进行了系统深入的研究。典型的振动能采集系统大多基于谐振机理，只有当环境振动频率与其固有频率匹配时，采集系统才有较大输出功率。一旦环境振动频率偏离其固有频率，输出功率急剧降低。根据调查，人体、汽车、树木和建筑物等产生的振动均为50Hz以下的低频振动，且同时具有微弱、频带宽度大等特点。然而，国内外现有的振动能采集器频带较窄、固有频率较高，且对微弱振动能的采集效率低下。另外，自然环境中的振动通常有多个方向的分量，并且方向往往也是在不断变化的，当目前的振动能采集器大多只能高效采集某一特定方向的振动能，对其他方向的振动能几乎不采集，因此其对振动能的总体采集效率较低。开展环境中微弱的低频、宽带、多方向振动能的高效采集方法，对促进微型振动能采集器在无线传感网络等领域的广泛应用具有重要意义。
本发明提出一种带滚动体的碰撞式环境动能采集阵列，可同时采集环境中的风能和振动能。该阵列通过引入柔性弹簧、滚动体和碰撞，提高了对低速风能的采集效率，提高了对微弱的低频、宽带振动能的采集效率，并可以采集水平面内任意方向振动能。该采集阵列与常规的风能采集器和振动能采集器相比，具有独特的优点，可广泛应用于无线传感网络等领域。
发明内容
本发明提出一种带滚动体的碰撞式环境动能采集阵列，该阵列可以同时采集环境中的中低速风能和水平面内任意方向的微弱、低频、宽带振动能。
为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
一种带滚动体的碰撞式环境动能采集阵列，其主要由底座和固定于底座上的采集单元阵列构成；
其中每个采集单元由弹簧、支架、压电梁、钢珠(或其他滚动体)、顶盖和十字盘头螺钉构成；
顶盖与支架通过十字盘头螺钉连接，4根(或多根)压电梁分别固定于支架侧面的凹槽内，与支架和顶盖构成一个空腔；
钢珠(或其他滚动体)放置于空腔中，钢珠(或其他滚动体)尺寸相对较小，可以在空腔中自由运动；
各采集单元的尺寸可以略有不同(可通过采用不同的弹簧长度、压电梁长度与支架大小等)，以使各采集单元产生不同步的摆动；
在风和振动的作用下，采集单元将产生摆动，微弱的摆动就会导致空腔中的钢珠(或其他滚动体)与压电梁产生相互碰撞，使压电梁产生振动；另外，由于各采集单元的尺寸略有不同，各采集单元将发生不同步的摆动，当相邻采集单元的相对位移超过临界值时，采集单元之间发生相互碰撞，增大压电梁的振动。压电梁振动时，其压电层上、下表面的电极之间将产生交替变化的电势差，利用该电势差即可以为无线传感节点供电。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出的碰撞式环境动能采集阵列通过引入柔性弹簧，降低了临界风速，提高了对低速风能的采集效率；
2、本发明提出的碰撞式环境动能采集阵列通过引入柔性弹簧，降低了采集单元的固有频率，提高了对低频振动能的采集效率；
3、本发明提出的碰撞式环境动能采集阵列通过引入钢珠(或其他滚动体)，并利用其与压电梁的碰撞，实现了利用固有频率较高的压电梁高效采集低速风能或微弱的宽带振动能的目的，由于滚动摩擦力很小，微弱的摆动就会导致空腔中的钢珠(或其他滚动体)与压电梁产生相互碰撞，使压电梁产生振动，因此提高了对微弱振动能和低速风能的采集效率；
4、本发明提出的碰撞式环境动能采集阵列通过引入钢珠(或其他滚动体)，并利用碰撞使压电梁振动，与常规的基于谐振机理的振动能采集器只能采集与其固有频率匹配的环境振动能不同，可以高效采集环境中的宽带振动能；
5、本发明提出的碰撞式环境动能采集阵列的各个采集单元的尺寸可以略有不同，利用各采集单元不同步运动引起的相互碰撞，实现了对环境中宽带振动能和较大风速范围的风能的采集；
6、本发明提出的碰撞式环境动能采集阵列在水平面内任意方向的环境振动作用下，钢珠(或其他滚动体)均会滚动，因此该阵列可以采集水平面内任意方向的振动能；
7、本发明提出的碰撞式环境动能采集阵列可以同时采集环境中的风能和振动能，同目前只采集振动能或风能的能量采集系统相比，该阵列的环境适用性更强，应用范围更广；
8、本发明提出的碰撞式环境动能采集阵列具有结构简单、携带方便、低成本和可批量化生产等优点，在无线传感网络等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是带滚动体的碰撞式环境动能采集阵列的结构示意图；
图2是采集单元的结构示意图；
图3是支架的结构示意图；
图4是采集单元(未加顶盖)的内部结构示意图；
图5是采集单元(未加顶盖)增加质量块后的内部结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
如图1所示，一种带滚动体的碰撞式环境动能采集阵列，其主要由底座1和固定于底座上的采集单元阵列构成；如图2所示，每个采集单元由弹簧2、支架3、压电梁4、钢珠(或其他滚动体)5、顶盖6和十字盘头螺钉7构成；支架(如图3所示)3通过弹簧与底座1连接，顶盖6与支架3通过十字盘头螺钉7连接；如图4所示，4根(或多根)压电梁4分别固定于支架3侧面的凹槽内，与支架3和顶盖6构成一个空腔，钢珠(或其他滚动体)5放置于空腔中，钢珠(或其他滚动体)5尺寸相对较小，可以在空腔中自由运动，各采集单元的部件尺寸(如弹簧2长度、压电梁4长度和支架3尺寸等)可以略有不同。
在将所述环境动能采集阵列置于环境中发电时，由于弹簧的刚度较低，导致各采集单元的固有频率较低，在受到低速风载荷的作用时便能产生摆动，该摆动引起空腔中的钢珠(或其他滚动体)5与压电梁4产生相互碰撞，该碰撞使得压电梁4发生振动，压电梁4上的压电层上、下表面的电极之间将产生交替变化的电势差，利用该电势差即可以为无线传感节点供电，因此该阵列实现了利用固有频率较高的压电梁高效采集低速风能的目的。
由上述分析可知，通过引入钢珠(或其他滚动体)5，各采集单元在受到微弱的风载荷激励时就能产生较高的输出并为无线传感节点供电。同样，在受到微弱的低频振动激励时，各采集单元将产生摆动，微弱的摆动就可以导致钢珠(或其他滚动体)5与压电梁4产生相互碰撞，引起压电梁振动，最终将环境中的微弱的低频振动能转换为电能，因此通过引入钢珠(或其他滚动体)5，该阵列可以非常容易地采集环境中微弱的低频振动能；同时，在环境中较宽频带内的振动作用下，钢珠(或其他滚动体)5都能轻易与压电梁4发生相互碰撞，因此钢珠的引入使得该阵列可以高效采集环境中较宽频带的振动能；此外，该阵列采用的柔性弹簧为圆柱形，在受到水平面内任意方向的振动作用时，各采集单元均将产生摆动，使得钢珠(或其他滚动体)5将与压电梁4碰撞，将水平面内任意方向的振动能转换为电能，这种采集阵列结构相对于常规的只能高效采集单个方向的振动能采集器而言，具有突出的优点。
由上述分析还可知，在风或振动的单独作用下，或者在风和振动的联合作用下，各采集单元都能产生摆动，因此该阵列可以同时将风能和振动能转换为电能；由于各采集单元的部件尺寸(如弹簧长度、压电梁长度和支架尺寸等)略有不同，导致其在外部加速度或风的激励下摆动不同步，在环境中较宽的振动频率变化范围内，可以使某几个采集单元与振动频率接近，产生强烈的摆动，且当相邻采集单元的相对位移超过一定临界值时，采集单元之间将发生相互碰撞，该碰撞使得空腔内钢珠(或其他滚动体)5与压电梁4的碰撞更强烈，产生更大的电学输出，因此该阵列利用各采集单元尺寸的差异可以拓宽采集频带。
特别地，为了进一步提高环境动能采集效率，还可以在部分采集单元的压电梁的内侧顶端分别增加一个质量块，如图5所示。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换(如利用电磁感应或静电原理实现振动能到电能的转换等)，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种带滚动体的碰撞式环境动能采集阵列，其主要由底座和固定于底座上的采集单元阵列构成，每个采集单元由弹簧、支架、压电梁、滚动体、顶盖和十字盘头螺钉构成；支架通过弹簧与底座连接，顶盖与支架通过十字盘头螺钉连接，多根压电梁分别固定于支架侧面的凹槽内，与支架和顶盖构成一个空腔；其中，压电梁的一端连接支架侧面的凹槽底部的凸台，其他端为自由端，可以自由振动；滚动体放置于空腔中，滚动体尺寸小于空腔，可以在空腔中自由运动，各采集单元的尺寸不同。
2.如权利要求1所述的碰撞式环境动能采集阵列，其特征在于：该采集阵列可以采集水平面内任意方向的振动能。
3.如权利要求1所述的碰撞式环境动能采集阵列，其特征在于：所述滚动体为钢珠。
4.如权利要求1所述的碰撞式环境动能采集阵列，其特征在于：所述压电梁的数量为4。
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