CN108400724B - 一种压电振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压电振动能量采集装置，包括：悬臂梁双晶压电振子、质量块、第一线性弹簧、第二线性弹簧、基座、第一铰链、第二铰链和第三铰链；悬臂梁双晶压电振子的一端固定连接于基座的第一支撑板上，另一端粘结质量块；质量块的中心设置有第一铰链；第一铰链分别连接第一、第二线性弹簧的一端；基座的第二支撑板上分别设置第二、第三铰链；第二、第三铰链分别连接第一、第二线性弹簧的另一端；第一、第二、第三铰链位于同一竖直平面内，且构成一个等腰三角形，第二、第三铰链关于悬臂梁双晶压电振子对称分布于第二支撑板上。该装置在环境激励强度较低和不受强磁场影响的情况下也可轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术领域，特别是涉及一种压电振动能量采集装置。
背景技术
压电振动能量采集器是一种将环境中的机械振动能采集并转换成电能的新型机电能量转换器件，可以用于对低功耗电子产品的供电。目前研制的稳态压电振动能量采集器主要包括线性单频压电振动能量采集器和双稳态压电振动能量采集器两大类。线性单频压电振动能量采集器的工作频率比较窄，能量采集效率低；双稳态压电振动能量采集器的工作频带宽，能量采集器效率高，但其输出性能受环境振动强度的影响大，当环境振动强度足够大时，双稳态振动被激发产生大的转换输出；当环境振动强度较小，双稳态压电振动能量采集器作阱内的小幅值单稳态振动，这使双稳态压电振动能量采集器的输出大大降低。另外，目前研制的双稳态、三稳态压电振动能量采集器主要是磁铁耦合型结构，通过采集器末端磁铁与外部磁铁件的非线性磁力使压电振动能量采集器产生非线性双稳态、三稳态振动特性，这使得磁铁耦合型压电振动能量采集器在一些强磁场环境中的应用受到限制。
基于以上存在的问题，本发明提供一种压电振动能量采集装置，不仅可以克服双稳态压电振动能量采集器严重依赖环境振动强度的不足，还可以克服磁铁耦合型三稳态压电振动能量采集器在强磁场环境中的应用限制，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电振动能量采集装置，在环境激励强度较低和不受强磁场影响的情况下，压电振动能量采集装置也可以轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种压电振动能量采集装置，包括：悬臂梁双晶压电振子(1)、质量块(2)、第一线性弹簧(3)、第二线性弹簧(4)、基座(5)、第一铰链(7)、第二铰链(8)和第三铰链(9)；
所述基座(5)包括第一支撑板(51)、底座(52)和第二支撑板(53)；所述第一支撑板(51)固定连接于所述底座(52)的一端，且与所述底座(52)垂直；所述第二支撑板(53)活动连接于所述底座(52)的另一端，且与所述底座(52)垂直；所述第二支撑板(53)在所述底座(52)上沿着水平方向左、右移动；
所述悬臂梁双晶压电振子(1)的一端固定连接于所述第一支撑板(51)上，另一端粘结所述质量块(2)；
所述质量块(2)的中心设置有所述第一铰链(7)；所述第一铰链(7)分别连接所述第一线性弹簧(3)的一端和所述第二线性弹簧(4)的一端；
所述第二支撑板(53)上分别设置所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)；所述第二铰链(8)连接所述第一线性弹簧(3)的另一端；所述第三铰链(9)连接所述第二线性弹簧(4)的另一端；
所述第一铰链(7)、所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)位于同一竖直平面内，且构成一个等腰三角形，所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)关于所述悬臂梁双晶压电振子(1)对称分布于所述第二支撑板(53)上。
可选的，所述压电振动能量采集装置还包括螺钉(6)，所述螺钉(6)用于固定连接所述悬臂梁双晶压电振子(1)和所述第一支撑板(51)。
可选的，所述悬臂梁双晶压电振子(1)通过环氧胶粘结所述质量块(2)。
可选的，所述悬臂梁双晶压电振子(1)包括金属基板(101)、第一压电陶瓷(102)和第二压电陶瓷(103)；
所述第一压电陶瓷(102)和所述第二压电陶瓷(103)的大小相同，极化方向相反；
所述第一压电陶瓷(102)粘结于所述金属基板(101)的上表面，所述第二压电陶瓷(103)粘结于所述金属基板(101)的下表面。
可选的，所述第一压电陶瓷(102)通过环氧胶粘结于所述金属基板(101)的上表面，所述第二压电陶瓷(103)通过环氧胶粘结于所述金属基板(101)的下表面。
可选的，所述第一铰链(7)与所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)之间的水平间距d通过左右移动所述第二支撑板(53)可调；所述第二铰链(8)与所述第三铰链(9)之间的垂直间距2dg通过上下移动所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)可调。
可选的，所述第一线性弹簧(3)和所述第二线性弹簧(4)的刚度与所述悬臂梁双晶压电振子(1)的等效刚度相同。
可选的，所述第一线性弹簧(3)、所述第二线性弹簧(4)均与水平方向呈α夹角，所述α夹角通过左右移动所述第二支撑板(53)以及上下移动所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)可调，且小于或等于90度。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的压电振动能量采集装置，悬臂梁双晶压电振子的末端质量块两侧设置有两个线性弹簧，当基座受到环境振动的垂直激励作用时，悬臂梁双晶压电振子和质量块同时产生上、下往复振动，使得第一线性弹簧和第二线性弹簧在垂直平面内产生伸长和压缩变形，由于质量块的大位移以及第一线性弹簧和第二线性弹簧的大变形耦合作用，引起悬臂梁双晶压电振子的末端产生大幅值的非线性弯曲振动，从而使悬臂梁双晶压电振子产生三稳态振动特性，由于三稳态振动特性比双稳态振动特性具有更宽、更浅的势能阱，更宽的势能阱能够扩宽压电振动能量采集装置的工作频带，更浅的势能阱可以使悬臂梁双晶压电振子在环境激励强度较低和不受强磁场影响的情况下，压电振动能量采集装置也可以轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集，不仅可以克服双稳态压电振动能量采集器严重依赖环境振动强度的不足，还可以克服磁铁耦合型三稳态压电振动能量采集器在强磁场环境中的应用限制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明压电振动能量采集装置实施例的结构图；
图2为α夹角小于90度且d＝dg时，本发明压电振动能量采集装置实施例的悬臂梁双晶压电振子的单稳态、双稳态和三稳态振动模式的势能图；
图3为α夹角等于90度且d＝dg时，本发明压电振动能量采集装置实施例的悬臂梁双晶压电振子的单稳态、双稳态和三稳态振动模式的势能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种压电振动能量采集装置，在环境激励强度较低和不受强磁场影响的情况下，压电振动能量采集装置也可以轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明压电振动能量采集装置实施例的结构图。
参见图1，该压电振动能量采集装置，包括：悬臂梁双晶压电振子1、质量块2、第一线性弹簧3、第二线性弹簧4、基座5、第一铰链7、第二铰链8和第三铰链9。
所述基座5包括第一支撑板51、底座52和第二支撑板53；所述第一支撑板51固定连接于所述底座52的一端，且与所述底座52垂直；所述第二支撑板53活动连接于所述底座52的另一端，且与所述底座52垂直；所述第二支撑板53在所述底座52上沿着水平方向左、右移动；当所述基座5受到环境振动的垂直激励作用时，所述悬臂梁双晶压电振子1和所述质量块2同时产生上、下往复振动，使得所述第一线性弹簧3和所述第二线性弹簧4在垂直平面内产生伸长和压缩变形；由于所述质量块2的大位移以及所述第一线性弹簧3和所述第二线性弹簧4的大变形耦合作用，引起悬臂梁双晶压电振子1的末端产生大幅值的非线性弯曲振动，表现出三稳态运动特性。相比于磁铁耦合型三稳态压电振动能量采集装置，本发明线性弹簧耦合型三稳态压电振动能量采集装置具有更广泛的应用前景，特别是在人体心脏跳动能量采集以及强磁场环境中，磁铁耦合型三稳态压电振动能量采集装置无法得到较好的应用。
所述悬臂梁双晶压电振子1的一端固定连接于所述第一支撑板51上，另一端粘结所述质量块2；所述悬臂梁双晶压电振子1用于感知、接受环境振动并采集能量。
所述质量块2的中心设置有所述第一铰链7；所述第一铰链7分别连接所述第一线性弹簧3的一端和所述第二线性弹簧4的一端；所述质量块2用于降低所述悬臂梁双晶压电振子1的固有频率和谐振频率。
所述第二支撑板53上分别设置所述第二铰链8和所述第三铰链9；所述第二铰链8连接所述第一线性弹簧3的另一端；所述第三铰链9连接所述第二线性弹簧4的另一端。
所述第一线性弹簧3和所述第二线性弹簧4产生可拉伸或压缩的非线性大变形，所述第一线性弹簧3和所述第二线性弹簧4与所述悬臂梁双晶压电振子1通过所述第一铰链7产生非线性耦合作用。
所述第一铰链7、所述第二铰链8和所述第三铰链9位于同一竖直平面内，且构成一个等腰三角形，所述第二铰链8和所述第三铰链9关于所述悬臂梁双晶压电振子1对称分布于所述第二支撑板53上。
所述压电振动能量采集装置还包括螺钉6，所述螺钉6用于固定连接所述悬臂梁双晶压电振子1和所述第一支撑板51。
所述悬臂梁双晶压电振子1通过环氧胶粘结所述质量块2。
所述悬臂梁双晶压电振子1包括金属基板101、第一压电陶瓷102和第二压电陶瓷103；
所述第一压电陶瓷102和所述第二压电陶瓷103的大小相同，极化方向相反；
所述第一压电陶瓷102粘结于所述金属基板101的上表面，所述第二压电陶瓷103粘结于所述金属基板101的下表面。
所述第一压电陶瓷102通过环氧胶粘结于所述金属基板101的上表面，所述第二压电陶瓷103通过环氧胶粘结于所述金属基板101的下表面。
所述第一铰链7与所述第二铰链8和所述第三铰链9之间的水平间距d通过左右移动所述第二支撑板53可调；所述第二铰链8与所述第三铰链9之间的垂直间距2dg通过上下移动所述第二铰链8和所述第三铰链9可调。
所述第一线性弹簧3和所述第二线性弹簧4的刚度与所述悬臂梁双晶压电振子1的等效刚度相同。
所述第一线性弹簧3、所述第二线性弹簧4均与水平方向呈α夹角，所述α夹角通过左右移动所述第二支撑板(53)以及上下移动所述第二铰链8和所述第三铰链9可调，且小于或等于90度；当所述α夹角小于90度时，该压电振动能量采集装置表现出光滑连续的非线性动力学特性；当所述α夹角等于90度时，该压电振动能量采集装置表现出光滑不连续的非线性动力学特性；通过左右移动所述第二支撑板53，可以调节水平间距d，通过上下移动所述第二铰链8和所述第三铰链9，可以调节垂直间距2dg，通过改变水平间距d和垂直间距2dg调节所述α夹角，进而改变悬臂梁双晶压电振子1末端受到的非线性作用力，使压电振动能量采集装置表现出线性或非线性振荡特性，产生光滑连续和不连续的单稳态、双稳态和多稳态振动，实现宽频、高效的能量采集。该压电振动能量采集装置具有光滑连续与光滑不连续动力学特性的双重复杂动力学行为，可以实现大幅值的周期振动，达到提高环境振动能量采集效率的目的。
本发明公开的压电振动能量采集装置，悬臂梁双晶压电振子的末端质量块两侧设置有两个线性弹簧，当基座受到环境振动的垂直激励作用时，悬臂梁双晶压电振子和质量块同时产生上、下往复振动，使得第一线性弹簧和第二线性弹簧在垂直平面内产生伸长和压缩变形，当往上运动时，第二线性弹簧拉长，第一线性弹簧压缩，当往下运动时，第一线性弹簧拉长，第二线性弹簧压缩，由于质量块的大位移以及第一线性弹簧和第二线性弹簧的大变形耦合作用，引起悬臂梁双晶压电振子的末端产生大幅值的非线性弯曲振动，从而使悬臂梁双晶压电振子产生三稳态振动特性，由于三稳态振动特性比双稳态振动特性具有更宽、更浅的势能阱，更宽的势能阱能够扩宽压电振动能量采集装置的工作频带，更浅的势能阱可以使悬臂梁双晶压电振子在环境激励强度较低和不受强磁场影响的情况下，压电振动能量采集装置也可以轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集，不仅可以克服双稳态压电振动能量采集器严重依赖环境振动强度的不足，还可以克服磁铁耦合型三稳态压电振动能量采集器在强磁场环境中的应用限制。
使用该压电振动能量采集装置进行能量采集时，α夹角小于90度且d＝dg时，悬臂梁双晶压电振子的单稳态、双稳态和三稳态振动模式的势能图如图2所示，图2中L为悬臂梁双晶压电振子的水平长度。
由于第一线性弹簧、第二线性弹簧均与水平方向呈α夹角，当α夹角小于90度且d＝dg时，α夹角为45度，要小于90度，α夹角小于90度时，该压电振动能量采集装置表现出光滑连续的非线性动力学特性和行为。从图2可以看出，当d＝dg＝0.5L时，该压电振动能量采集装置表现出光滑连续的单稳态振动模式，当d＝dg＝0.45L时，该压电振动能量采集装置表现出光滑连续的三稳态振动模式，当d＝dg＝0.25L时，该压电振动能量采集装置表现出光滑连续的双稳态振动模式，其中单稳态运动只有一个势能阱，双稳态有两个势能阱，三稳态有三个势能阱，三稳态的三个势能阱的深度明显要小于双稳态和单稳态的势能阱的深度，据此可以确认做三稳态运动时所需要的外部激励能量要更小些，也就是外部激励强度要小些。通过移动第二铰链和第三铰链在基座上的位置，从而改变垂直间距2dg，使得d＝dg分别为0.5L，0.45L和0.25L就可以实现单稳态、双稳态和三稳态的运动，而当d＝dg＝0.45L时只需要较小的外部激励。三稳态振动模式中的势能阱深度远小于双稳态振动模式中的势能阱深度，这表明压电振动能量采集装置只需要较小的外部激励作用就可以克服势能阱的阻碍作用，进入大幅值的周期振荡状态。
使用该压电振动能量采集装置进行能量采集时，α夹角等于90度且d＝dg时，悬臂梁双晶压电振子的单稳态、双稳态和三稳态振动模式的势能图如图3所示，图3中L为悬臂梁双晶压电振子的水平长度。
当α夹角等于90度时，该压电振动能量采集装置表现出光滑不连续的非线性动力学特性和行为。从图3可以看出，d＝dg＝L，0.45L和0.05L长度时的势能变化曲线。可以发现，当d＝dg＝L时，该压电振动能量采集装置表现出光滑不连续的单稳态振动模式，当d＝dg＝0.45L时，该压电振动能量采集装置表现出光滑不连续的三稳态振动模式，当d＝dg＝0.05L时，该压电振动能量采集装置表现出光滑不连续的双稳态振动模式。三稳态振动模式中的势能阱深度远小于双稳态振动模式势能阱深度，这表明压电振动能量采集装置在较小的环境激励强度下可以产生较大的输出，有利于增加压电振动能量采集装置的能量采集效率。
本发明提供的压电振动能量采集装置为一种双线性弹簧耦合型三稳态压电振动能量采集装置，通过改变第一线性弹簧和第二线性弹簧的长度，使它们产生非线性恢复力作用在悬臂梁双晶压电振子的末端质量块上，使悬臂梁双晶压电振子产生三稳态振动特性，由于三稳态振动特性比双稳态振动特性具有更宽、更浅的势能阱，更宽的势能阱能够扩宽压电振动能量采集装置的工作频带，更浅的势能阱可以使压电振动能量采集装置在环境激励强度较低和不受强磁场影响的情况下也可以轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
本发明提供的压电振动能量采集装置，基于悬臂梁双晶压电振子的末端质量块两侧设置两个线性弹簧的结构，当悬臂梁双晶压电振子振动时，一个弹簧拉长、另一个弹簧压缩，两个弹簧产生的非线性恢复力作用在悬臂梁双晶压电振子的末端，使悬臂梁双晶压电振子产生非线性振动，该压电振动能量采集装置不仅可以克服双稳态压电振动能量采集器严重依赖环境振动强度的不足，还可以克服磁铁耦合型三稳态压电振动能量采集器在强磁场环境中的应用限制，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种压电振动能量采集装置，其特征在于，包括：悬臂梁双晶压电振子(1)、质量块(2)、第一线性弹簧(3)、第二线性弹簧(4)、基座(5)、第一铰链(7)、第二铰链(8)和第三铰链(9)；
所述基座(5)包括第一支撑板(51)、底座(52)和第二支撑板(53)；所述第一支撑板(51)固定连接于所述底座(52)的一端，且与所述底座(52)垂直；所述第二支撑板(53)活动连接于所述底座(52)的另一端，且与所述底座(52)垂直；所述第二支撑板(53)在所述底座(52)上沿着水平方向左、右移动；
所述悬臂梁双晶压电振子(1)的一端固定连接于所述第一支撑板(51)上，另一端粘结所述质量块(2)；
所述质量块(2)的中心设置有所述第一铰链(7)；所述第一铰链(7)分别连接所述第一线性弹簧(3)的一端和所述第二线性弹簧(4)的一端；
所述第二支撑板(53)上分别设置所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)；所述第二铰链(8)连接所述第一线性弹簧(3)的另一端；所述第三铰链(9)连接所述第二线性弹簧(4)的另一端；
所述第一铰链(7)、所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)位于同一竖直平面内，且构成一个等腰三角形，所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)关于所述悬臂梁双晶压电振子(1)对称分布于所述第二支撑板(53)上；
所述悬臂梁双晶压电振子(1)包括金属基板(101)、第一压电陶瓷(102)和第二压电陶瓷(103)；所述第一压电陶瓷(102)和所述第二压电陶瓷(103)的大小相同，极化方向相反；所述第一压电陶瓷(102)粘结于所述金属基板(101)的上表面，所述第二压电陶瓷(103)粘结于所述金属基板(101)的下表面；
所述第一铰链(7)与所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)之间的水平间距d通过左右移动所述第二支撑板(53)可调；所述第二铰链(8)与所述第三铰链(9)之间的垂直间距2dg通过上下移动所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)可调；
所述第一线性弹簧(3)、所述第二线性弹簧(4)均与水平方向呈α夹角，所述α夹角通过左右移动所述第二支撑板(53)以及上下移动所述第二铰链(8)和所述第三铰链(9)可调，且小于或等于90度。
2.根据权利要求1所述的压电振动能量采集装置，其特征在于，还包括螺钉(6)，所述螺钉(6)用于固定连接所述悬臂梁双晶压电振子(1)和所述第一支撑板(51)。
3.根据权利要求1所述的压电振动能量采集装置，其特征在于，所述悬臂梁双晶压电振子(1)通过环氧胶粘结所述质量块(2)。
4.根据权利要求1所述的压电振动能量采集装置，其特征在于，所述第一压电陶瓷(102)通过环氧胶粘结于所述金属基板(101)的上表面，所述第二压电陶瓷(103)通过环氧胶粘结于所述金属基板(101)的下表面。
5.根据权利要求1所述的压电振动能量采集装置，其特征在于，所述第一线性弹簧(3)和所述第二线性弹簧(4)的刚度与所述悬臂梁双晶压电振子(1)的等效刚度相同。
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