CN107919816B - 双自由度圆弧型压电能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双自由度圆弧型压电能量收集器，该结构中悬臂梁由圆弧型薄片部分与正方形薄片部分连接而成，压电层也为圆弧型，均为非传统直型结构，通过叠加两个单自由度圆弧型压电能量收集器，固定双自由度圆弧型压电能量收集器的主悬臂梁，副圆弧型悬臂梁可以连接副正方形悬臂梁薄片的四个侧面，将副圆弧型悬臂梁的底面与顶面翻转，并连接副正方形悬臂梁薄片的四个侧面，从而得到八种结构不同的双自由度圆弧型压电能量收集器。双自由度圆弧型压电能量收集器实现了在两个自由度下吸收振动能量，克服了单自由度圆弧型压电能量收集器共振频率高，多阶频率间距大的缺陷，同时保留了单自由度圆弧型压电能量收集器的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种双自由度圆弧型压电能量收集器，属于能量收集技术领域，以及微电子机械系统的技术领域。
背景技术
压电能量收集技术是将周围环境中无法直接利用的机械波，通过压电效应的方式转换为可以被利用的能量。在传统的直型压电悬臂梁结构中，外界振动施加于质量块顶端，悬梁振动形变，压电层产生压电效应。相比于其他形式的能量收集模式，这种结构简单的能量收集器更易于微型化、集成化，因而具有较大的研究价值。
从单一的直型压电悬臂梁振动能量采集器(中国专利公开号：CN105305879A)，到双稳态复合悬臂梁压电发电装置(中国专利公开号：CN102790549A)，均是以传统直型压电式能量收集器为基础设计各类压电式振动能量收集器，通过优化扩展该传统结构来提高振动能量转换效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双自由度圆弧型压电能量收集器，该结构具有电势高，多阶频率小，多阶频率间距短。
圆弧压电能量收集器通过外界振动施加于质量块顶面或侧面，悬梁振动形变，压电层产生电势。圆弧型压电能量收集器在特定的弧度下输出高电势，且克服了直型压电能量收集器对于能量吸收方向的单一性，不仅可以吸收顶面的振动能量，还可以吸收侧面方向的振动能量。本发明双自由度圆弧型压电能量收集器是基于圆弧型压电能量收集器的改进和优化，易于微型化、集成化，因而具有较大的研究价值。本发明不仅保留了圆弧型压电能量收集器输出高电势、吸收侧面与顶面振动能量的优点，还克服了多阶频率高，频率间距大的缺陷。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种双自由度圆弧型压电能量收集器，包括主悬臂梁和副悬臂梁，其中，
所述主悬臂梁包括一个主圆弧型薄片和一个主正方形薄片，所述主圆弧型薄片的一端与所述主正方形薄片连接；所述主圆弧型薄片上附着有主压电层，所述主正方形薄片上附着有主质量块；
所述副悬臂梁包括一个副圆弧型薄片和第一、第二副正方形薄片，其中，第一、第二副正方形薄片分别与所述副圆弧型薄片的两端连接；所述副圆弧型薄片上附着有副压电层，所述第一副正方形薄片附着在主质量块上且与所述主正方形薄片相对，所述第二副正方形薄片上附着有副质量块。
作为本发明的进一步技术方案，所述主圆弧型薄片的右端连接主正方形薄片，左端为固定端。
作为本发明的进一步技术方案，所述主悬臂梁和副悬臂梁均采用磷青铜材料制成。
作为本发明的进一步技术方案，所述主圆弧型薄片和副圆弧型薄片的内外径均分别为20mm、30mm，圆弧度为90度。
作为本发明的进一步技术方案，所述主压电层和副压电层的内外径均分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。
作为本发明的进一步技术方案，所述主压电层和副压电层均为PZT-5H。
作为本发明的进一步技术方案，所述主质量块和副质量块均采用镍材料制成。
作为本发明的进一步技术方案，所述主质量块和副质量块的长、宽、高均分别为10mm、10mm、10mm。
本发明双自由度圆弧型压电能量收集器的创新点在于悬臂梁由圆弧型薄片部分与正方形薄片部分连接而成，压电层也为圆弧型状，均为非传统直型结构，通过叠加两个单自由度圆弧型压电能量收集器，固定双自由度圆弧型压电能量收集器的主悬臂梁，副圆弧型薄片可以连接第一副正方形薄片的四个侧面，将副圆弧型悬臂梁的底面与顶面翻转，并连接第一副正方形薄片的四个侧面，从而得到八种结构不同的双自由度圆弧型压电能量收集器。
因此，本发明与传统的直型压电能量收集器相比，具有以下显著的优点：
1、八种双自由度圆弧压电能量收集器与单自由度圆弧型压电能量收集器相比，两个压电层平均电势均高于0.1V，主、副压电层串接后的总电压均高于0.2V，均在一阶频率下电势最高；E型双自由度圆弧型压电能量收集器对比单自由度圆弧压电能量收集器，一阶频率下具有更高电势，主、副压电层串接后的总电压为6.8V；
2、八种双自由度圆弧压电能量收集器与单自由度圆弧型压电能量收集器相比，多阶频率显著降低；H型与C型的一阶频率最低，一阶频率为22Hz；A型与F型的一阶频率最高，一阶频率为43Hz；均低于单自由度圆弧型压电能量收集器的一阶频率，一阶频率为75Hz；
3、八种双自由度圆弧压电能量收集器与单自由度圆弧型压电能量收集器相比，频率间距显著缩短；E型与F型的一、二阶频率间距最短，频率间距为27Hz；H型的一、二阶频率间距最大，频率间距为73Hz；均低于单自由度圆弧型压电能量收集器的一、二阶频率间距，频率间距为218Hz；
4、双自由度圆弧型压电能量收集器实现了在两个自由度下吸收振动能量，克服了单自由度圆弧型压电能量收集器共振频率高，多阶频率间距大的缺陷，同时保留了单自由度圆弧型压电能量收集器的优点。
附图说明
图1是A型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图。
其中，1-主圆弧型薄片，2-主正方形薄片，3-主压电层，4-主质量块，5-第一副正方形薄片，6-副圆弧型薄片，7-第二副正方形薄片，8-副压电层，9-副质量块，10-固定端。
图2是A型双自由度圆弧压电能量收集器的电势与频率关系图。
图3是圆弧压电能量收集器的器的几何结构示意图。
图4是B型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图。
图5是B型双自由度圆弧压电能量收集器的电势与频率关系图。
图6是C型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图。
图7是C型双自由度圆弧压电能量收集器的电势与频率关系图。
图8是D型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图。
图9是D型双自由度圆弧压电能量收集器的电势与频率关系图。
图10是E型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图。
图11是E型双自由度圆弧压电能量收集器的电势与频率关系图。
图12是F型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图。
图13是F型双自由度圆弧压电能量收集器的电势与频率关系图。
图14是G型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图。
图15是G型双自由度圆弧压电能量收集器的电势与频率关系图。
图16是H型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图。
图17是H型双自由度圆弧压电能量收集器的电势与频率关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明双自由度圆弧型压电能量收集器，如图1所示，由以下几个部分组成：主悬臂梁，它由弧度为90度的圆弧型薄片1与正方形薄片2连接而成；主压电层3，在弧度为90度的圆弧型主悬臂梁薄片上附着弧度为90度的圆弧型压电层3；主质量块4，在正方形的主悬臂梁薄片上附着；副悬臂梁，它由弧度为90度的圆弧型薄片6与两个正方形薄片5、7连接而成，其中一个正方形薄片5固定于主质量块上，另一个正方形薄片7用于支撑副质量块9；副压电层8，在弧度为90度的圆弧型的副悬臂梁薄片上附着弧度为90度的圆弧型压电层8；副质量块9，在正方形副悬臂梁薄片7上附着。该结构的梁基板采用延展性较好的磷青铜材料；压电层选择PZT-5H；质量块采用镍材料。
对主、副质量块顶部施加边界载荷为10Pa的压力作为激励，得出主、副圆弧压电层各点耦合的平均电动势与多阶谐振频率关系图，如图2所示。为突出双自由度圆弧型能量收集器的优势，将双自由度圆弧型能量收集器和单自由度圆弧型能量收集器对比，单自由度圆弧能量收集器如图3所示。双自由度圆弧型能量收集器相当于由两个单自由度圆弧型能量收集器组成，在求解总电势时需将主、副压电层串接，总电势的值等于两片压电层的电势值相加，图1结构与图3结构的数据对比如表1所示。
表1双自由度与单自由度圆弧型压电能量收集器参数对比
| 总电势(V) | 一阶谐振频率(Hz) | 二阶谐振频率(Hz) | 频率间距(Hz) | |
| 双自由度圆弧结构 | 0.51 | 43 | 118 | 75 |
| 单自由度圆弧结构 | 0.65 | 72 | 290 | 218 |
通过对比，双自由度圆弧型压电能量收集器的总电势减损较少，一、二阶谐振频率均降低，频率间距缩短。
保持双自由度圆弧型压电能量收集器的主悬臂梁不变，副圆弧型悬臂梁可以连接副正方形悬臂梁薄片5的四个侧面，然后改变副圆弧型悬臂梁的方向(将副圆弧型悬臂梁的底面与顶面翻转)，并连接副正方形悬臂梁薄片5的四个侧面，从而构成八种不同结构的双自由度圆弧型压电能量收集器。
对这八种结构进行编号：A型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图，如图1所示，电势与频率关系图，如图2所示。B型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图，如图4所示，电势与频率关系图，如图5所示。C型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图，如图6所示，电势与频率关系图，如图7所示。D型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图，如图8所示，电势与频率关系图，如图9所示。E型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图，如图10所示，电势与频率关系图，如图11所示。F型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图，如图12所示，电势与频率关系图，如图13所示。G型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图，如图14所示，电势与频率关系图，如图15所示。H型双自由度圆弧压电能量收集器的几何结构示意图，如图16所示，电势与频率关系图，如图17所示。
双自由度圆弧型压电能量收集器对比单自由度圆弧压电能量收集器，每种能量收集器能够在两个自由度同时收集外界机械能，并使结构的共振频率显著降低。H型与C型的一阶频率最低，一阶频率为22Hz；A型与F型的一阶频率最高，一阶频率为43Hz；均低于单自由度圆弧型压电能量收集器的一阶频率，一阶频率为75Hz。
双自由度圆弧型压电能量收集器对比单自由度圆弧压电能量收集器，每种能量收集器能够在两个自由度同时收集外界机械能，并使结构的多阶频率间距显著缩短。E型与F型的一、二阶频率间距最短，频率间距为27Hz；H型的一、二阶频率间距最大，频率间距为73Hz；均低于单自由度圆弧型压电能量收集器的一、二阶频率间距，频率间距为218Hz。
E型双自由度圆弧型压电能量收集器对比单自由度圆弧压电能量收集器，一阶频率下具有更高电势，主、副压电层串接后的总电压为6.8V。
对比这八种不同型号的一、二阶频率与阶频率间距，如表2所示。
表2各型结构的各阶共振频率
| 编号 | 一阶谐振频率(Hz) | 二阶谐振频率(Hz) | 频率间距(Hz) |
| A型 | 43 | 73 | 30 |
| B型 | 29 | 67 | 38 |
| C型 | 22 | 92 | 70 |
| D型 | 33 | 59 | 26 |
| E型 | 34 | 61 | 27 |
| F型 | 43 | 70 | 27 |
| G型 | 28 | 64 | 36 |
| H型 | 22 | 95 | 73 |
对比这八种不同型号中两片压电层的电势值，如表3所示。
表3各型结构压电层的电势值
| 编号 | 一阶频率下电势(V) | 二阶频率下电势(V) | 三阶频率下电势(V) |
| A型 | 0.25 | 0.023 | 0.018 |
| B型 | 0.22 | 0.021 | 0.027 |
| C型 | 0.15 | 0.009 | 0.018 |
| D型 | 0.11 | 0.031 | 0.012 |
| E型 | 0.34 | 0.081 | 0.011 |
| F型 | 0.28 | 0.051 | 0.021 |
| G型 | 0.14 | 0.012 | 0.023 |
| H型 | 0.11 | 0.082 | 0.011 |
如图1所示，是A型双自由度圆弧型压电式能量收集器的几何构型，通过叠加两个单自由度圆弧型压电能量收集器而成。该结构的悬臂梁采用延展性较好的磷青铜材料，压电层选择PZT-5H，质量块采用镍材料；主悬臂梁的几何构型由一个内(Ra＝20mm)外(Rb＝30mm)半径的90度圆弧薄片和长宽分别为LM＝10mm、WM＝10mm的正方形薄片连接而成、宽度W＝10mm、基层的厚度HS＝0.5mm；主压电层选取内(Ra＝20mm)外(Rb＝30mm)半径的90度圆弧、厚度hp＝0.3mm，主压电层附着于90度弧度的圆弧主悬臂梁薄片上；主质量块长宽高分别为LM＝10mm、WM＝10mm、HM＝10mm，附着于主悬臂梁正方形薄片上；副悬臂梁的几何构型由一个内(Ra＝20mm)外(Rb＝30mm)半径的90度圆弧薄片和两个长宽分别为LM＝10mm、WM＝10mm的正方形薄片连接而成、宽度W＝10mm、基层的厚度HS＝0.5mm；副压电层选取内(Ra＝20mm)外(Rb＝30mm)半径的90度圆弧、厚度hp＝0.3mm，副压电层附着于90度弧度的圆弧副悬臂梁薄片上；副质量块长宽高分别为LM＝10mm、WM＝10mm、HM＝10mm，附着于副悬臂梁正方形薄片上；固定端为悬臂梁的左端。
不同编号的双自由度圆弧型压电能量收集器区别在于固定主悬臂梁不变，副圆弧型悬臂梁可以连接副正方形悬臂梁薄片的四个侧面，如图1中5与6的连接方式，得到A、B、C、D型的几何结构分别如图1、4、6、8所示，将副圆弧型悬臂梁的底面与顶面翻转，并连接副正方形悬臂梁薄片的四个侧面，如图1中5与6的连接方式，得到E、F、G、H型的几何结构分别如图10、12、14、16所示。
10Pa的载荷激励施加于两个质量块的顶面，A型双自由度圆弧型压电能量收集器的电势与频率关系图，如图2所示。其余B、C、D、E、F、G、H型的自由度圆弧型压电能量收集器，电势与频率关系图如图5、7、9、11、13、15、17所示。
区分是否为该结构的标准如下：
结构方面：该能量收集器采用圆弧型的悬臂梁、圆弧型的压电层，通过两个单自由度的圆弧型能量收集器叠加而成。在几何上的具体定义如下(以图1所示的坐标为例)：主悬臂梁，它由弧度为90度的圆弧型薄片部分与正方形薄片部分连接而成；主压电层，在弧度为90度的圆弧型主悬臂梁薄片上附着弧度为90度的圆弧型主压电层；主质量块，在正方形主悬臂梁薄片上附着主质量块；副悬臂梁，它由弧度为90度的圆弧型薄片部分与两个正方形薄片部分连接而成，一个正方形薄片固定于主质量块上，另一个正方形薄片用于支撑副质量块；副压电层，在弧度为90度的圆弧型主悬臂梁薄片上附着弧度为90度的圆弧型副压电层；副质量块，在正方形副悬臂梁薄片上附着副质量块。
原理方面：10Pa的载荷激励作用于两个质量块顶面，使主、副圆弧型悬臂梁同时产生形变，主、副圆弧型压电层产生形变，进而产生电势。对比单自由度圆弧型压电能量收集器，不同编号的双自由度圆弧型压电能量收集器的多阶共振频率低，多阶频率间距低；特定编号的双自由度圆弧型压电能量收集器具有更高电势。
满足以上条件的结构即视为双自由度圆弧型悬臂梁的压电能量收集器。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.双自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于，包括主悬臂梁和副悬臂梁，其中，
所述主悬臂梁包括一个主圆弧型薄片和一个主正方形薄片，所述主圆弧型薄片的一端与所述主正方形薄片连接；所述主圆弧型薄片上附着有主压电层，所述主正方形薄片上附着有主质量块；
所述副悬臂梁包括一个副圆弧型薄片和第一、第二副正方形薄片，其中，第一、第二副正方形薄片分别与所述副圆弧型薄片的两端连接；所述副圆弧型薄片上附着有副压电层，所述第一副正方形薄片附着在主质量块上且与所述主正方形薄片相对，所述第二副正方形薄片上附着有副质量块；
所述主圆弧型薄片的右端连接主正方形薄片，左端为固定端；
所述主悬臂梁和副悬臂梁均采用磷青铜材料制成。
2.根据权利要求1所述的双自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于，所述主圆弧型薄片和副圆弧型薄片的内外径均分别为20mm、30mm，圆弧度为90度。
3.根据权利要求2所述的双自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于，所述主压电层和副压电层的内外径均分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。
4.根据权利要求1所述的双自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于，所述主压电层和副压电层均为PZT-5H。
5.根据权利要求1所述的双自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于，所述主质量块和副质量块均采用镍材料制成。
6.根据权利要求1所述的双自由度圆弧型压电能量收集器，其特征在于，所述主质量块和副质量块的长、宽、高均分别为10mm、10mm、10mm。
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