CN108270370B - 一种多向宽频的压电式能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多向的宽频的压电式振动能量收集装置的实现方法，用于解决传统压电式振动能量收集装置中存在的因环境能量收集方向单一，频带宽度窄所导致的能量收集效率低的技术问题。该装置采用回型悬梁臂结构，将压电元件粘贴在每块弹性基板，既可以收集到环境x方向和z方向的振动能量，也可收集到环境中不同频率的振动能量，该装置回形结构的设计能够缩小各个弹性基板的一阶谐振频率与二阶谐振频率的相差倍数，从而在一定尺寸的设计下，可以很好地实现拓宽频带的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量收集装置，具体涉及一种压电式振动能量收集装置，可用于对多向的宽频的振动能量的收集，属于能量收集技术领域。
背景技术
能量收集装置能够从周围的环境中获取能量，并将其转换为电能，达到能量回收和再利用的目的。随着无线传感器技术和微电子技术的快速发展，微能源的利用也变得越来越迫切需要。传统的电池供电方式，由于更换电池的频繁以及维护成本的高昂，对人类的生产和生活带来了诸多的不便。而能量收集装置可以对环境中未被利用的能源进行收集、再利用，为低功耗电子设备和器件进行供电，从而有效地解决了运用电池所带来的诸多问题。因此，引起了国内外学者的广泛关注。
目前，环境中的能量源主要包括太阳能、热梯度能和机械振动能，其中，机械振动能是普遍存在的，并易于被转换为电能，是一种很有应用前景的能量。获取机械振动能的类型主要有压电式、静电式以及电磁式，其中，压电式振动能量收集器具有易集成、能量输出密度大、无需外接电源和结构简单等优点，被认为是极有希望替代传统电池的新的能量采集方式。其结构类型有悬臂梁式、Cymbal式、堆叠式等，其中悬臂梁结构是压电能量收集器的常见结构，已经取得了一些研究成果。
传统的压电式振动能量收集装置主要包括基座，压电片，质量块以及两个电极。压电片的一端固定在基座上，另一端付着有质量块。当振动能量装置收到外界环境振动的激励时，由于正压电效应，压电片的内部将产生正负电荷的相对移动，从而在压电片的两个表面上形成电势差，然后通过能量管理电路给电能存储设备或者用电装置进行供电。该压电式能量收集装置结构简单，易于实现，但可用的频带宽度较窄、谐振频率较高且只能收集单一方向的振动能，往往难以满足环境中的振动方向多变，且环境振动频率较低的实际应用情况。因此，传统的压电式能量收集装置具有较大的局限性，无法满足高效的能量收集需求。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术缺陷，提出了一种多向的宽频的压电式振动能量收集装置，用于解决传统压电式振动能量收集装置中存在的因环境能量收集方向单一，频带宽度窄所导致的能量收集效率低的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种多向的宽频的压电式振动能量收集装置，该装置包括固定座1、弹性基板2，压电元件3，电极4，质量块5。所述固定座1用于固定弹性基板2。所述弹性基板2包括五块弹性基板，第一弹性基板21的一端固定在固定座1上，另一端与第二弹性基板22连接并固定，且与第二弹性基板22垂直。第二弹性基板22一端固定于第一弹性基板21，另一端与第三弹性基板23连接并固定，且与第三弹性基板23垂直。第三弹性基板23、第四弹性基板24和第五弹性基板25相互固定连接并垂直，形成回型弹性基板2。该弹性基板2形成三个横向悬梁臂和两个纵向悬梁臂，由于悬梁臂参数不同，其谐振频率也不同，多个相近的谐振频率形成了较宽的频带宽度，并且横向与纵向的悬梁臂可用于收集z轴方向和x轴方向的振动能量。所述压电元件3是具有压电效应的材料，压电元件31，32，33，34和35分别粘贴在弹性基板21，22，23，24和25一侧。所述电极4用于输出压电片产生的电能。电极41，42，43，44和45分别粘贴在压电元件31，32，33，34和35表面。所述质量块5固定在第五弹性基板25的另一端，用于调整谐振频率。
有益效果：
1、第一弹性基板21，第三弹性基板23和第五弹性基板25可接受z轴方向的振动能量，发生一定的形变，从而迫使压电元件发生相应的形变，收集一定的振动能量并将其转化为电能。三块基板形成多悬梁臂阵列，是单悬梁臂的改进，具有多个频率点，可实现拓宽频带的作用。同理，第二弹性基板22和第四弹性基板24可接受x轴方向的振动能量。
2、第一弹性基板21，第三弹性基板23和第五弹性基板25可接受z轴方向的振动能量，第二弹性基板22和第四弹性基板24可接受x轴方向的振动能量，这样可实现对多向振动能量的收集的目的。
3、回形结构的设计可缩小各个弹性基板的一阶谐振频率与二阶谐振频率的相差倍数，从而在一定尺寸的设计下，可以很好地实现拓宽频带的功能。
附图说明
图1为本发明具体实施例子的整体结构示意图；
图2为任意方向振动能在三维空间中的正交分解图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实例，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种多向的宽频的压电式振动能量收集装置，该装置包括固定座1、弹性基板2，压电元件3，电极4，质量块5，其中：固定座1，其用于固定弹性基板2；弹性基板2，包括5块弹性基板，第一弹性基板21的一端固定在固定座1上，另一端与第二弹性基板22连接并固定，且与第二弹性基板22垂直。第二弹性基板22一端固定于第一弹性基板21，另一端与第三弹性基板23连接并固定，且与第三弹性基板23垂直。同理第三弹性基板23、第四弹性基板24和第五弹性基板25相互连接固定并垂直，形成回型弹性基板2；压电元件3，其分别粘贴在每块基板上；电极4(应该是一个面状结构，略小于压电片的尺寸)，分别粘贴在每块压电元件；质量块5，固定在第五弹性基板25的另一端。本实例采用回型结构。为了保证弹性基板2具有良好的弹性模量，均采用的弹簧钢片或铜片制成，各个弹性基板之间可通过同一块弹簧钢片或铜片弯折形成回型弹性基板2。为了改善传统压电材料的性能参数，进而提高能量收集和转化效率，压电元件3均采用压电复合材料或压电陶瓷，在每块弹性基板的表面粘贴上该材料。弹性基板2采用弹簧钢片或铜片。
本实例中，将弹簧钢片或铜片弯折成如图所示的回型结构弹性基板2，在每块弹性基板均匀地粘贴上压电材料，再在压电材料表面上制作一层电极。采用导线连接到外部电路。质量块5被粘贴在第五弹性基板25的末端，该质量块可根据实际环境振动能量的频率进行相应的调节尺寸和质量。
该多向的宽频的压电式振动能量收集装置，其实现方法如下：
建立三维空间直角坐标系，定义与第二弹性基板22垂直的方向为x方向，与第一弹性基板21和第二弹性基板22都平行的方向为y方向，与第一弹性基板21垂直的方向为z方向。第一弹性基板21，第三弹性基板23和第五弹性基板25可以接受z方向的振动能量，利用压电元件3将振动能量转化为电能，通过与电极4相连接的导线而输出电能。由于三个基板的长度不同，故每块基板的固有频率也不同，可收集到环境中不同频率的振动能量，实现拓宽频率带宽的目的。第二弹性基板22和第四弹性基板24可以接受x方向的振动能量，激励弹性基板振动，从而使振动能量转化为电能。在x方向上，两块基板也能采集到不同频率的振动能量。同时，该结构的设计也能缩小各个悬梁臂的一阶谐振频率和二阶谐振频率的相差倍数，因此实现了拓宽频率带宽的目的。
如图2所示，根据三维空间中的正交分解原理，即三维空间中的任意一个向量u均可被分解在x、y和z三个坐标轴上，本实例中，该向量u与x轴、y轴和z轴的方向角分别是α、β和γ，因此在三维空间中的任意一个方向的振动均可被分解在x方向、y方向和z方向上。由于本发明提出的压电式振动能量收集装置能够收集x和z两个方向上的振动能量，所以本发明提出的压电式振动能量收集装置能够收集除了y方向以外的振动能。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种多向宽频的压电式振动能量收集装置的实现方法，其特征在于：建立三维空间直角坐标系，定义与第二弹性基板(22)垂直的方向为x方向，与第一弹性基板(21)和第二弹性基板(22)都平行的方向为y方向，与第一弹性基板(21)垂直的方向为z方向，第一弹性基板(21)，第三弹性基板(23)和第五弹性基板(25)能够接受z方向的振动能量，利用压电元件(3)将振动能量转化为电能，通过与电极(4)相连接的导线而输出电能，由于三个基板的长度不同，故每块基板的固有频率也不同，能够收集到环境中不同频率的振动能量，实现拓宽频率带宽；第二弹性基板(22)和第四弹性基板(24)能够接受x方向的振动能量，激励弹性基板振动，从而使振动能量转化为电能，在x方向上，两块基板也能采集到不同频率的振动能量，同时，该结构的设计也能缩小各个悬梁臂的一阶谐振频率和二阶谐振频率的相差倍数；
一种多向宽频的压电式振动能量收集装置包括固定座(1)、弹性基板(2)，压电元件(3)，电极(4)，质量块(5)，所述固定座(1)用于固定弹性基板(2)，所述弹性基板(2)包括五块弹性基板，所述压电元件(3)是具有压电效应的材料，所述压电元件(3)发生形变，则会产生正负电荷相对移动，在电极两端形成电势差，压电元件(31，32，33，34，35)分别按序对应粘贴在弹性基板(2，1，22，23，24，25)的一侧，所述电极(4)用于输出压电片产生的电能，电极(41，42，43，44，45)分别按序对应粘贴在压电元件(31，32，33，34，35)表面，所述质量块(5)固定在第五弹性基板(25)的另一端，第一弹性基板(21)的一端固定在固定座(1)上，另一端与第二弹性基板(22)连接并固定，且与第二弹性基板(22)垂直，第二弹性基板(22)一端固定于第一基板，另一端与第三弹性基板(23)连接并固定，且与第三弹性基板(23)垂直，第三弹性基板(23)、第四弹性基板(24)和第五弹性基板(25)相互固定连接并垂直，形成回型弹性基板(2)，所述基板(2)形成三个横向悬梁臂和两个纵向悬梁臂，横向与纵向的悬梁臂用于收集z轴方向和x轴方向的振动能量；
三维空间中的任意一个向量u均能被分解在x、y和z三个坐标轴上，该向量u与x轴、y轴和z轴的方向角分别是α、β和γ，在三维空间中的任意一个方向的振动均能被分解在x方向、y方向和z方向上，所述压电式振动能量收集装置能够收集除了y方向以外的振动能。
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