CN107733282A - 一种具有自适应悬臂梁式压电能量回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自适应悬臂梁式压电能量回收装置。所设计长悬臂梁和短悬臂梁连接在一起，并首端和末端都是长悬臂梁，在长悬臂梁上下表面粘贴压电元件，短的悬臂梁上安装压电驱动器。进行压电能量收集时，若振动频率偏离固有频率时，能够驱动在短悬臂梁上不同位置安装的压电驱动器，使得振动频率能够调节恢复至固有频率附近，再进行能量收集，将其与能量回收电路连接起来，收集的能量为MEMS系统供电。本发明具有能量收集效率高、结构简单的特点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种具有自适应悬臂梁式压电能量回收装置，特别是一种能够自适应对周围环境中振动能量进行回收，其属于可再生能源领域。
背景技术：
振动能量回收是将周围环境中的机械振动能量转化为可被利用的电能，其广泛的应用于MEMS等微功耗系统，随着无线传感网络技术的发展，其在环境监测、建筑、军事、汽车等领域都得到了广泛的运用。但其供能方式仍以化学电池为主要方式，由于化学电池存在需要定期更换，体积大，回收困难且污染环境等问题，而压电发电装置其具有结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作、实现结构的微型化、集成化等特点，因此压电能量回收已成为研究热点。
现有技术中，压电能量回收多采用悬臂梁式压电能量回收装置，末端加质量块悬臂梁式压电能量回收装置，变截面梁式压电能量回收装置等等。压电悬臂梁式能量回收装置由于其固有频率高而外界环境多处于低频环境，所以回收的能量较少；末端加质量块的悬臂梁式压电能量回收由于其增加质量块可以降低频率，但其固有频率固定在某一特定值,所以在频率偏离固有频率时,回收的能量将变的很少；变截面等强度梁式压电能量回收，由于等强度所以提高能量收集但其固有频率保持不变，所以只能在某一特定固有频率下收集，而周围环境的机械振动是在宽频范围内变化，能量回收则只能在固有频率附近收集到的能量最多，因此当振动频率发生变化时收集能量将会变的很微弱。
发明内容：
本发明的目的是提供一种结构简单，性能稳定，具有自适应悬臂梁式压电能量回收装置，实现对宽频范围内环境中振动能量进行收集。具有自适应悬臂梁式压电能量回收装置的方法是改变悬臂梁的刚度，根据固有频率计算公式悬臂梁刚度变化，从而实现固有频率的改变，以适应周围环境的振动。
为达到本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：
实现本发明的目的技术解决方案为,一种具有自适应悬臂梁式压电能量回收装置，该装置结构包括:至少一个压电悬臂梁，至少一个压电驱动器，至少一个压电元件、固定端、质量块、压电能量收集电路。其特征在于：将所设计好的长的悬臂梁和短的悬臂梁交替连接起来，长的悬臂梁和短的悬臂梁的截面不同，并首端和末端连接的是长悬臂梁，即可得到所需要的压电悬臂梁结构模型，并在短的悬臂梁上表面安装压电驱动器，在长的悬臂梁上下表面粘贴压电元件，构成压电双晶结构。将连接的悬臂梁长的一端进行固定，在悬空的另外一端长的悬臂梁的末端加上质量块，并在所连接的压电悬臂梁结构中，在其上下表面粘贴压电元件，将其构成由压电元件、金属层、压电元件的三明治结构，金属层位于中间，压电元件则位于金属层的两侧，压电元件的两面由涂镀的电极组成，将其与压电能量回收电路连接，组成压电能量回收装置。
在一种具有自适应悬臂梁式压电能量回收装置中，对周围环境中振动能量进行收集，其原理是通过在长的悬臂梁上下表面粘贴压电元件，外界环境的机械振动会使悬臂梁产生应变，粘贴在悬臂梁表面的压电元件上会产生电荷，通过转换电路进而转化为电压。但当悬臂梁收集的电压偏离固有频率附近电压时，会驱动短悬臂梁上不同位置安装的压电驱动器工作或同时驱动所有位置的压电驱动器，用以改变悬臂梁的固有频率，让其重新恢复到固有频率附近进行能量回收，提高了能量收集效率。
本发明与现有技术比较，具有以下显著优点：(1)本发明采用的不同长度连接的悬臂梁装置较同等长度的悬臂梁具有更轻的质量和振动频率范围，从而使得能量收集范围更大，能量回收效率更高，结构简单。(2)本发明采用压电驱动器，使得振动频率范围能够自我调节，当振动频率偏离固有频率时，即收集的电压小于一定值时，将会驱动压电驱动器，使其恢复至固有频率附近，提高能量收集效率，抗干扰能力强，并装置结构简单。(3)本发明所设计的结构可将周围环境中的机械能转化为电能，为微电子器件供电。
附图说明：
图1是本发明一种具有自适应悬臂梁梁式压电能量回收装置；
图2是本发明一种自适应悬臂梁；
图3是本发明在悬臂梁上安装压电驱动器；
图4是本发明在悬臂梁上粘贴压电元件。
图中：1压电悬臂梁、2压电悬臂梁、3压电元件、4压电驱动器、5固定端、6质量块、7压电能量收集电路
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种具有自适应悬臂梁梁式压电能量回收装置，该装置结构包括:压电悬臂梁1、压电驱动器2、压电元件3、压电驱动器4、固定端5、质量块6、压电能量收集电路7。将压电悬臂梁进行分段连接起来，其是将所设计好的长的悬臂梁和短的悬臂梁交替连接起来，长的悬臂梁和短的悬臂梁的截面不同，并开始端和末端连接处是长悬臂梁，即得到所需要的压电悬臂梁结构模型；在短的悬臂梁上安装压电驱动器，在长的悬臂梁上下表面粘贴压电元件，构成压电双晶结构。所连接的悬臂梁将长的一端进行固定，在悬空的另外一端长的悬臂梁的末端加上质量块。并在所连接的压电悬臂梁结构中，在其上下表面粘贴压电片，将其构成由压电元件、金属层、压电元件的三明治结构，金属层位于中间，压电元件则位于金属层的两侧，压电元件的两面由涂镀的电极组成，将其与压电能量回收电路连接，能量收集电路包括整流电路、DC-DC电路、比较器电路、能量储存电路，其中比较器电路用于判断收集的电压若偏离固有频率附近的电压时，将会驱动不同位置的压电驱动器工作，使频率恢复至固有频率附近进行能量收集，以上整个结构就是压电能量回收装置工作过程。
如图1所示，是本发明一种自适应压电能量回收装置，在长悬臂梁上粘贴压电元件进行能量收集，短悬臂梁上安装压电驱动器对装置的频率进行调节，进而能够自适应对环境中的能量进行收集；如图2所示，是本发明所设计自适应悬臂梁结构，悬臂梁通过交替连接能够自适应改变梁的刚度；如图3所示，是本发明设计结构在压电悬臂梁上安装压电驱动器，它能够在振动频率偏离固有频率时，让不同位置的压电驱动器工作，从而使振动频率自适应恢复到固有频率附近；如图4所示，是本发明设计结构在压电悬臂梁上粘贴压电元件，它能够将悬臂梁上的机械应变转化为电能，从而对能量进行收集。
一种具有自适应悬臂梁式压电能量回收装置，实施步骤如下：
第1步:设计本装置的结构，先将设计的悬臂梁结构固定起来，将其一端固定，另一端悬空，在悬空端加上质量块，接着，在设计的悬臂梁上粘贴压电元件，由于正压电效应，在受到力的作用过程中，在其表面会产生电荷。
第2步：在第一步的基础之上，将在压电元件表面产生的电荷，通过压电能量收集电路进行收集，在设计电路时将收集的电能首先通过整流电路进行整流，再通过DC-DC电路，将得到的电能进行储存或直接利用。
第3步：通过比较器电路判断收集电压的大小，当振动能量收集电压小于在固有频率附近收集的电能时，其会将信号反馈给压电驱动器，驱动压电驱动器工作，压电驱动器会将压电悬臂梁工作的频率范围重新调整到结构的固有频率范围附近。再接着重复第2步进行能量收集工作。
第4步：本发明装置的能量收集步骤是重复上述步骤第1步，第2步和第3步，对振动能量进行收集。
综上所述，本发明所提出的方法一种具有自适应悬臂梁梁式压电能量收集装置。在本装置中其具有装置简单、质量轻、能量收集效率高、可将其结构振动频率偏离固有频率时调节到固有频率附近等诸多优点。
在本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如在通用字典中定义的一些术语可以被理解成为具有与现有技术的上下文中的意义有一致的意义，并且除了一些特殊说明，不会用过于理想化或是过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案及有益效果进行了进一步详细说明，但所理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有自适应悬臂式压电能量回收装置，该装置结构包括:至少一个压电悬臂梁，至少一个压电驱动器，至少一个压电元件、固定端、质量块、压电能量收集电路；其特征在于：将所设计好的长的悬臂梁和短的悬臂梁交替连接起来，长的悬臂梁和短的悬臂梁的截面不同，并首端和末端连接的是长悬臂梁，即可得到所需要的压电悬臂梁结构模型，并在短的悬臂梁上表面安装压电驱动器，在长的悬臂梁上下表面粘贴压电元件，构成压电双晶结构；将连接的悬臂梁长的一端进行固定，在悬空的另外一端长的悬臂梁的末端加上质量块，并在所连接的压电悬臂梁结构中，在其上下表面粘贴压电元件，将其构成由压电元件、金属层、压电元件的三明治结构，金属层位于中间，压电元件则位于金属层的两侧，压电元件的两面由涂镀的电极组成，将其与压电能量回收电路连接，组成压电能量回收装置。
2.根据权利要求1所述的一种具有自适应悬臂式压电能量回收装置，其特征是，所述的悬臂梁是由金属层上、下表面粘贴的若干压电元件形成。
3.根据权利要求1所述的一种具有自适应悬臂式压电能量回收装置，其特征是，所述的压电元件由压电材料的两面涂镀的电极构成。
4.根据权利要求3所述的一种具有自适应悬臂式压电能量回收装置，其特征是，所述的压电材料是压电单晶或压电陶瓷或高分子压电聚合物或压电纤维聚合物。
5.一种具有自适应悬臂式压电能量回收装置，实施步骤如下：
第1步:设计本装置的结构，先将设计的悬臂梁结构固定起来，将其一端固定，另一端悬空，在悬空端加上质量块，接着，在设计的悬臂梁上粘贴压电元件，由于正压电效应，在受到力的作用过程中，在其表面会产生电荷；
第2步：在第一步的基础之上，将在压电元件表面产生的电荷，通过压电能量收集电路进行收集，在设计电路时将收集的电能首先通过整流电路进行整流，再通过DC-DC电路，将得到的电能进行储存或直接利用；
第3步：通过比较器电路判断收集电压的大小，当振动能量收集电压小于在固有频率附近收集的电能时，其会将信号反馈给压电驱动器，驱动压电驱动器工作，压电驱动器会将压电悬臂梁工作的频率范围重新调整到结构的固有频率范围附近，再接着重复第2步进行能量收集工作；
第4步：本发明装置的能量收集步骤是重复上述步骤第1步，第2步和第3步，对振动能量进行收集。
6.根据权利要求5所述的一种具有自适应悬臂式压电能量回收装置，在装置的结构中，其特征在于：在第1步中设计的压电悬臂梁是通过两端长短结构不同的悬臂梁连接在一起，再将其依次连接起来，开始端连接是长悬臂梁，末端连接处是长悬臂梁，并将其一端固定另一端悬空，在悬空端加上质量块。
7.根据权利要求5所述的一种具有自适应悬臂式压电能量回收装置，在装置的结构中，其特征在于：在第3步设计的能量回收装置，在启动压电驱动器进行频率调节时，其依赖于检测收集的电压大小，若偏离在固有频率附近收集的电压时即会启动不同位置的压电驱动器，调节装置的频率让其在固有频率附近进行能量收集。
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