CN108199618A - 一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能量收集设备领域，并公开了一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，包括水平机座、竖向机座和压电装置，所述竖向机座竖直安装在所述水平机座上；所述压电装置设置有两个，并且每个所述压电装置均包括压电片夹紧块、磁铁固定块、磁铁和压电片；两块所述磁铁之间存在间隙，并且它们相对的一侧的磁极为同名磁极，以用于放大压电片的振动幅度从而提高了收集的能量。本发明通过正交的两片末端装有磁铁的压电片以及磁铁之间的排斥力的作用，在竖向振动以及水平振动时都能够引起压电片的形变，从而能够收集到二维振动的能量，并且使得振动进入非线性阶段，也提高了收集的能量。
Description
技术领域
本发明属于能量收集设备领域，更具体地，涉及一种压电振动能量收集装置。
背景技术
随着传感网络硬件的发展，将网络嵌入各种航空，民用和机械基础设施的方法在经济上和技术上都成为可能。但是，在系统需要电缆去获得传统能源或电池需要不时更换的情况下，“嵌入式”传感的概念并不能完全实现。因此需要收集和储存能量使得这些嵌入式系统能够尽可能的自动化。虽然现在大尺度上太阳能和风能作为能量采集已经是成熟的技术，但在小尺度，低能量，嵌入式传感系统中的能量采集发展，仍处于发展阶段。
因此基于热电效应，光伏效应，压电效应，电磁效应等原理，利用电子元器件从工作环境中的温度梯度，光照，机械振动中获取能量，从而转换为电能的能量采集技术应运而生。能量收集技术是一种利用能量收集器从其周边环境中获取能量的技术,也因此被称为新型环境能量釆集技术。本质上是利用机械运动来产生电能。其中,机械运动能包括风能、振动能、旋转动能、以及其他能量如人体动能等。能量收集器能够利用各种不同的压电材料,将环境中的能量进行转化,以电能的形式进行储存和利用。
能量收集器工作时无需消耗任何能量,具有再利用、无污染的优点,应用领域包括交通、海洋、微机电系统、微小型电子设备等。尤其是20世纪90年代末以来,在日常生活中,经常要用到尺寸介于微米和毫米之间的微型器件,例如汽车安全气囊系统的加速计和喷墨打印机的微喷嘴等各种无线传感器和MEMS器件,利用锂电池供电已经无法满足这类微型器件的使用要求，这就促使能量收集器得到越来越多的重视。
在众多可釆集的能量当中,振动能或运动能是一种最为普遍，也是人人都能轻易接触到的能量,比如土木工程中的高楼，桥梁，铁路等,又比如人体中肢体运动、血液流动、心脏跳动等生命过程中,且有着较高的能量密度。对振动能进行收集将在无线网络、嵌入式系统、低能耗设备等方面的有着非常广泛的应用，而传统的线性能量收集器的工作频率范围较窄，能量采集效率不高，难以满足一些场合下的使用要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，通过正交的两片末端装有磁铁的压电片以及磁铁之间的排斥力的作用，在竖向振动以及水平振动时都能够引起压电片的形变，从而能够收集到二维振动的能量，并且使得振动进入非线性阶段，也提高了收集的能量。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，其特征在于，包括水平机座、竖向机座和压电装置，其中，
所述竖向机座竖直安装在所述水平机座上；
所述压电装置设置有两个，并且每个所述压电装置均包括压电片夹紧块、磁铁固定块、磁铁和压电片，在每个所述压电装置中，所述磁铁安装在所述磁铁固定块上，所述磁铁固定块安装在所述压电片的一端，所述压电片的另一端安装在所述压电片夹紧块上；
其中的一个所述压电装置的压电片夹紧块安装在所述水平机座上，另一个所述压电装置的压电片夹紧块安装在所述竖向机座；
两块所述磁铁之间存在间隙，并且它们相对的一侧的磁极为同名磁极，以用于放大压电片的振动幅度从而提高能量的收集效率。
优选地，所述竖向机座由不锈钢制成。
优选地，所述水平机座由不锈钢制成。
优选地，所述竖向机座上竖直设置有长条孔，所述压电片夹紧块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块固定在所述竖向机座上。
优选地，所述磁铁固定机座上水平设置有长条孔，所述压电片夹紧块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块固定在所述磁铁固定机座上。
优选地，所述压电片是由一块铝片以及设置在所述铝片上表面和下表面的压电膜组成，每侧的所述压电膜均为聚偏氟乙烯制成，并且这两侧的压电膜通过导线串联起来，以向外部整流器电路供电，从而进行能量的收集。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明可以根据需求改变压电片的尺寸与型号，可换取刚度与质量各不相同的压电片。通过改变刚度比和质量比会改变压电片的振动幅度，从而影响双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置输出的能量以及工作频带。
(2)本发明可以根据需求改变磁铁的质量和磁场强度，可以换取质量和磁场强度不同的磁铁；通过改变质量比以及引力大小，从而影响双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置输出的能量以及工作频带。
(3)压电片夹紧块是可以移动调整位置的，所以可以调节两个磁铁之间的距离，也就是可以调节磁场强度来改变斥力的大小，斥力的改变会使得压电片振动幅度的改变，从而影响双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置输出的能量以及工作频带。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明在扫频过程中水平梁在10μF电容上产生的电压；
图4是本发明在扫频过程中竖直梁在1μF电容上产生的电压；
图5是本发明在去除竖直梁情况下，水平梁在10μF电容上产生的电压。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图5，一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，包括水平机座2、竖向机座1和压电装置，其中，
所述竖向机座1竖直安装在所述水平机座2上；
所述压电装置设置有两个，并且每个所述压电装置均包括压电片夹紧块3、磁铁固定块5、磁铁6和压电片4，在每个所述压电装置中，所述磁铁6安装在所述磁铁固定块5上，所述磁铁固定块5安装在所述压电片4的一端，所述压电片4的另一端安装在所述压电片夹紧块3上；
其中的一个所述压电装置的压电片夹紧块3安装在所述水平机座2上，另一个所述压电装置的压电片夹紧块3安装在所述竖向机座1；所述的压电片夹紧块3分为两个块体，当螺丝拧紧这两个块体之后便可以将压电片4夹紧。
两块所述磁铁6之间存在间隙，并且它们相对的一侧的磁极为同名磁极，以用于放大压电片4的振动幅度从而提高能量的收集效率。
进一步，所述竖向机座1由不锈钢制成，所述水平机座2由不锈钢制成。
进一步，所述竖向机座1上竖直设置有长条孔，所述压电片夹紧块3上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块3上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块3固定在所述竖向机座1上。所述的竖向机座1以及水平机座2上分别留有两条长条孔，目的在于使得压电片夹紧块3可以任意的移动，在底座上打有四个孔是为了与振动物体连接而预备的，可以通过螺丝与螺母固定在相应的振动物体表面。
进一步，所述磁铁6固定机座上水平设置有长条孔，所述压电片夹紧块3上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块3上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块3固定在所述磁铁6固定机座上。
进一步，所述压电片4是由一块铝片以及设置在所述铝片上表面和下表面的压电膜组成，每侧的所述压电膜均为聚偏氟乙烯制成，并且这两侧的压电膜通过导线串联起来，以向外部整流器电路通电，从而进行能量的收集。两片压电膜结构尺寸和材料属性完全相同，通过强力胶水附着在铝片表面，压电膜尺寸与铝片尺寸相同。
所述压电膜为PVDF(聚偏氟乙烯)材质，这种材料在发生形变的时候会向外传出电流，而当通电的时候也会发生形变。从上下的压电膜中各连出两根导线，进行串联，向外部整流器电路通电，从而进行能量的收集。
进一步，所述的磁铁6与磁铁固定块5通过螺丝连接成一个整体，而磁铁固定块5通过拧紧尼龙螺丝而固定在压电片4的末端，并且可以根据需求更换磁铁6从而调节磁铁6的质量以及磁场强度。
要考察到输出电量和功率的高低，就可以设计实验，将双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置以及对比的线性振动能量收集装置分别从4Hz扫频到10Hz，外接电路，通过检测电容上的电压变化来得出能量或是功率的结果。
先进行双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置的扫频充电实验，将竖直梁接入电容为1μF的电路中，将水平梁接入电容为10μF的电路中，扫频范围为4Hz至10Hz，幅值为400mV。充电时间为800s，可以得到电容上的电压值。为了对比，三者同时选取200s的时间来计算输出的能量以及功率，可以得到图3和图4的曲线。其中包括水平梁和竖直梁共同输出在电容上的电压值。可以看出基本上在300s处达到最大值，水平梁在10μF的电容上最大产生44mV的电压，竖直梁在1μF的电容上最大产生40mV的电压。
之后再进行对比的线性振动能量收集装置的扫频充电实验，选取其中200s时间来计算输出的能量以及功率，可以得到图5的曲线。此曲线是水平梁在10μF电容上产生的电压值。可以得出产生的最大电压值为31mV。
前提都不考虑整流器以及电容上漏电的损耗。从图3,4,5来看，对比电容上产生的能量和功率，如表1所示。对比的线性振动能量收集装置的产生的能量为4.5×10-9J，双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置中总的产生的能量为1.05×10-8J。可以得出双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置产生的能量值大于线性振动能量收集装置产生的能量值。再对比产生的功率值，对比的线性振动能量收集装置产生能量的功率值大约为2.25×10-11W，双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置总的输出功率值大约为5.25×10-11W。可以得出双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置的功率是线性振动能量收集装置的功率的2.3倍。所以综合这两点，都能看出双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置对比常规线性振动能量收集装置的优越性。
表1本发明与常规的线性振动能量收集装置能量功率对比表
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，其特征在于，包括水平机座、竖向机座和压电装置，其中，
所述竖向机座竖直安装在所述水平机座上；
所述压电装置设置有两个，并且每个所述压电装置均包括压电片夹紧块、磁铁固定块、磁铁和压电片，在每个所述压电装置中，所述磁铁安装在所述磁铁固定块上，所述磁铁固定块安装在所述压电片的一端，所述压电片的另一端安装在所述压电片夹紧块上；
其中的一个所述压电装置的压电片夹紧块安装在所述水平机座上，另一个所述压电装置的压电片夹紧块安装在所述竖向机座；
两块所述磁铁之间存在间隙，并且它们相对的一侧的磁极为同名磁极，以用于放大压电片的振动幅度从而提高能量的收集效率。
2.根据权利要求1所述的一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述竖向机座由不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述水平机座由不锈钢制成。
4.根据权利要求1所述的一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述竖向机座上竖直设置有长条孔，所述压电片夹紧块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块固定在所述竖向机座上。
5.根据权利要求1所述的一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述磁铁固定机座上水平设置有长条孔，所述压电片夹紧块上设置有螺栓孔，螺栓装置穿过所述长条孔和所述压电片夹紧块上的螺栓孔后将所述压电片夹紧块固定在所述磁铁固定机座上。
6.根据权利要求1所述的一种双向悬臂梁梁式压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片是由一块铝片以及设置在所述铝片上表面和下表面的压电膜组成，每侧的所述压电膜均为聚偏氟乙烯制成，并且这两侧的压电膜通过导线串联起来，以向外部整流器电路通电，从而进行能量的收集。
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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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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180622 |