CN107947635A - 高性能圆弧型压电式能量收集器 - Google Patents

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朱宇宬
王德波
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Nanjing Post and Telecommunication University
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Abstract

本发明公开了一种高性能圆弧型压电式能量收集器，该结构中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。传统能量收集器均为直型结构，该能量收集器采用了一定弧度的圆弧型结构设计。当激励作用于质量块时，特定弧度的圆弧型压电能量收集器产生更高的电势。该圆弧型能量收集器除了可以吸收顶面的振动能量外，还可以吸收侧面的振动能量，提高了能量吸收效率，研究价值较高。

Description

高性能圆弧型压电式能量收集器
技术领域
本发明涉及一种高性能圆弧型压电式能量收集器，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高性能圆弧型压电式能量收集器，，在一些特定弧度下具有电势高，其特殊的圆弧结构能够吸收顶面与侧面方向的振动能量。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种高性能圆弧型压电式能量收集器，包括悬臂梁，所述悬臂梁有一个圆弧形薄片和一个正方形薄片连接而成，所述圆弧形薄片上附着有压电层，所述正方形薄片上附着有质量块。
作为本发明的进一步技术方案，所述圆弧形薄片的右端连接正方形薄片，左端为固定端。
作为本发明的进一步技术方案，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。
作为本发明的进一步技术方案，所述圆弧形薄片的内外径分别为20mm、30mm，圆弧度为90度。
作为本发明的进一步技术方案，所述压电层的内外径分别为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，所述压电层为PZT-5H。
作为本发明的进一步技术方案，所述质量块采用镍材料制成。
作为本发明的进一步技术方案，所述质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。
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、与传统直型能量收集器相比，圆弧型压电能量收集器在不同弧度下具有优势电势，在特定弧度下具有超高电势；弧度为210度的圆弧型压电能量收集器的电势最高；弧度为50度、80度、90度、110度、120度、190度、200度、210度的特定弧度具有超高电势；
2、与传统直型能量收集器相比，该能量收集器的一阶频率偏大；弧度为30度的圆弧型压电式能量结构的一阶谐振频率最大；
3、与传统直型能量收集器相比，该能量收集器并不受激励方向的制约，能够接受顶面与侧面的激励。其中弧度为90度的圆弧型压电能量器的激励方向为顶面时，一阶频率的电势高；激励方向为侧面时，二、三阶频率的电势高。
附图说明
图1是90度弧度的圆弧型压电能量收集器的几何结构示意图。
图2是90度弧度的圆弧型压电能量收集器的电势与频率关系图。
图3是直型压电能量收集器的几何结构示意图。
图4是20度到320度弧度的圆弧型压电器的电势与频率关系图。
图5是不同弧度的圆弧压电器相对的直型压电器的电势与频率关系图。
图6是不同弧度的圆弧压电器与其相对直型压电器的一阶谐振频率对比图。
图7是不同弧度的圆弧形压电器与其相对直型压电器的电势对比图。
图8是单一侧面激励下90度弧度的圆弧型压电器的电势与频率关系图。
图中，1-圆弧型薄片，2-正方形薄片，3-压电层，4-质量块，5-固定端。
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：
相比较于传统直型压电式悬臂梁结构，本发明提供的圆弧型压电能量收集器，在特定的弧度下可以输出超高电势，且克服了传统结构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，而且还可以吸收侧面方向的振动能量，且具有易于集成化、微型化等优点。
本发明圆弧型压电能量收集器由以下几个部分组成：悬臂梁，它由一个一定弧度的圆弧型薄片与正方形薄片连接而成；压电层，附着在圆弧型薄片上；质量块，附着在正方形薄片上。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。
如图1所示，是一个弧度为90度的圆弧型压电式能量收集器的几何构型。该结构的悬臂梁采用延展性较好的磷青铜材料，几何构型由一个内(Ra＝20mm)外(Rb＝30mm)半径的90度圆弧型薄片和长宽分别为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；本结构压电层选择PZT-5H，压电层选取内(Ra＝20mm)外(Rb＝30mm)半径的90度圆弧、厚度hp＝0.3mm，90度弧度的圆弧型压电层附着于90度弧度的圆弧型薄片上；本结构质量块采用镍材料，质量块长宽高分别为LM＝10mm、WM＝10mm、HM＝10mm，附着于正方形薄片上；固定端为悬臂梁的左端。不同弧度的圆弧型压电能量收集器，所对应的悬臂梁圆弧型薄片与其附着的压电层弧度不同。
激励在顶面与侧面两种情况下，压电片均可产生高电压。在顶面激励的情况下，弧度为90度的圆弧型压电能量收集器的电势与频率关系图，如图2所示。在单一侧面激励的情况下，弧度为90度的圆弧型压电能量收集器的电势与频率关系图，如图8所示。
对质量块顶部施加边界载荷为10pa的压力作为激励，得出弧度为90度的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。为了突出该圆弧型收集器具有电势优势，通过弧度为90度的圆弧形压电能量收集器与传统直型压电能量收集器对比，只以两种不同形状的结构作为唯一对比参量，压电层的俯视投影面积等参量均保持一致。构建传统直型压电能量收集器，如图3所示。其中传统结构的梁臂宽度为10mm、压电层俯视投影面积为392.5mm2、激励的边界载荷为10pa、材料以及固定端均与该圆弧型压电能量收集器相同，对比两种结构的差异，如表1所示。
表1直型与90度圆弧型压电式变量参数对比
电势(V) 频率(HZ)
直型式压电结构 0.55 58
90度圆弧形式压电结构 0.65 72
通过对比，弧度为90度的圆弧型压电能量收集器具有优势电势，对于不同弧度下圆弧型压电能量收集器，以10度为间隔，绘制20度到320度的圆弧压电片各点耦合的平均电势与多阶谐振频率关系图，如图4所示，弧度为30度时能够产生325Hz的最大一阶频率，弧度为210度时能够产生2.1V的最高电压。电势变化呈现先增大后减小，再增大再减小的变化趋势；一阶频率的变化逐渐减小。
为了对比不同弧度压电能量收集器的电势，建立不同弧度的圆弧形压电能量收集器对应的传统直型压电能量收集器，如图5所示。分别对比两种结构的一阶谐振频率，横坐标对应两种结构压电层的俯视投影面积，如图6所示，圆弧型压电式能量结构的一阶频率整体偏高。分别对比两种结构的电势，横坐标对应两种结构的压电层俯视投影面积如图7所示，除弧度为150度的圆弧型压电式能量结构的电势略低于传统结构，其余圆弧型压电式能量收集器均具有电势优势，且不同弧度的圆弧形压电式能量收集器的电势优势具有普遍性，其中弧度为50度、80度、90度、110度、120度、190度、200度、210度的特定弧度具有超高优势电势。
传统直型压电能量收集器，只能接收质量块顶部的激励作用，而圆弧型压电能量收集器由于结构的特殊性，还可以接收侧面的激励作用。以弧度为90度的圆弧型压电能量收集器为例，在质量块一个侧面激励载荷为10pa的情况下电势与谐振频率关系点图，如图8所示。对比两种结构在一个侧面激励产生的电压，如表2可知。
表2不同结构下单一侧面激励的电压参数对比
一阶频率电压(V) 二阶频率电压(V) 三阶频率电压(V)
90度圆弧型式压电结构 0.08 0.15 0.1
直形式压电结构 0.001 0.03 0.001
区分是否为该结构的标准如下：
结构方面：该能量收集器结构采用圆弧型的悬臂梁、圆弧形的压电层，在几何上的具体定义如下(以图1所示的坐标为例)：悬臂梁，它由一个一定弧度的圆弧型薄片部分与正方形薄片部分连接而成；压电层，在弧度为90度的圆弧型悬臂梁薄片上附着弧度为90度的圆弧型压电层；质量块，在正方形的悬臂梁薄片上附着质量块。
原理方面：相比传统直型压电能量收集器，该能量收集器采用一定弧度的圆弧型结构，因此激励作用于质量块，可以使圆弧型悬臂梁和压电层产生形变，进而产生电势。特定弧度下可以产生更高的电势，弧度为50度、80度、90度、110度、120度、190度、200度、210度的特定弧度具有超高优势电势；并且还可以接受侧面的振动能量。
满足以上条件的结构即视为圆弧型悬臂梁的压电能量收集器。
传统能量收集器均为直型结构，而本发明的能量收集器采用了一定弧度的圆弧型结构设计。当激励作用于质量块时，特定弧度的圆弧型压电能量收集器产生更高的电势。该圆弧型能量收集器除了可以吸收顶面的振动能量外，还可以吸收侧面的振动能量，提高了能量吸收效率，研究价值较高。
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 (8)

1.高性能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于，包括悬臂梁，所述悬臂梁有一个圆弧形薄片和一个正方形薄片连接而成，所述圆弧形薄片上附着有压电层，所述正方形薄片上附着有质量块。
2.根据权利要求1所述的高性能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于，所述圆弧形薄片的右端连接正方形薄片，左端为固定端。
3.根据权利要求1所述的高性能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。
4.根据权利要求1所述的高性能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于，所述圆弧形薄片的内外径分别为20mm、30mm，圆弧度为90度。
5.根据权利要求4所述的高性能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于，所述压电层的内外径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。
6.根据权利要求1所述的高性能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于，所述压电层为PZT-5H。
7.根据权利要求1所述的高性能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于，所述质量块采用镍材料制成。
8.根据权利要求1所述的高性能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于，所述质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。
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