CN108418467A - 一种新型低频压电式振动能量采集器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型低频压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁、固定座和质量块，所述压电悬臂梁包括周期性等间隔设置的回转板和周期性倾斜等间隔设置的转接板，所述相邻的回转板通过转接板进行连接；所述压电悬臂梁的两端分别为自由端和固定端，所述的固定端与回转板垂直连接，所述质量块设置在自由端上，所述固定座设置在固定端上。本发明可产生较大的输出电压，能够稳定实现为无线传感网络节点、嵌入式传感器或微型电子产品等外部设备进行供电，并且更容易引起谐振，使得谐振频率降低，有利于与人体的振动频率进行匹配。

Description

一种新型低频压电式振动能量采集器
技术领域
本发明涉及振动能量采集领域，尤其是一种新型低频压电式振动能量采集器。
背景技术
在现代社会中，能源问题越来越严峻，发掘新的可用能源成为燃眉之急。环境中的振动无处不在，且是自然存在的，不受外界环境、天气等因素，如果可以将该振动能量采集，则会大大缓解能源危机，而现实生活中人体振动的能量非常丰富，应该得到更多的采集。目前市面上的振动能量采集装置大多采用压电板来实现，但这类装置的压电板一般设置为垂直向或水平向，整体上空间占用大，但实际上输出的压电电压较低，难以满足无线传感网络节点、嵌入式传感器或微型电子产品等外部设备的供电要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种新型低频压电式振动能量采集器，采用了折叠式的周期性结构，可为外部设备产生更高的电压输出。
为了弥补现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：
一种新型低频压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁、固定座和质量块，所述压电悬臂梁包括周期性等间隔设置的回转板和周期性倾斜等间隔设置的转接板，所述相邻的回转板通过转接板进行连接；所述压电悬臂梁的两端分别为自由端和固定端，所述的固定端与回转板垂直连接，所述质量块设置在自由端上，所述固定座设置在固定端上。
进一步，所述的自由端为转接板的一端。
优选地，所述回转板的数目不小于5块，所述转接板的数目不小于4块。
进一步，本发明还包括与所述压电悬臂梁的形状相同的金属基片，所述的压电悬臂梁和质量块设置有两组且呈中心对称设置在金属基片的两侧。
优选地，所述金属基片为黄铜基片，厚度为0.1mm。
优选地，所述的质量块为长方体状永磁铁，长、宽和高分别为2mm、4mm和8mm。
优选地，所述的压电悬臂梁为PZT压电陶瓷片。
本发明的有益效果是：本发明采用由回转板和转接板周期性组成的折叠结构，相比于传统的垂直式或水平式结构，减小了压电悬臂梁的长度或宽度，在相同的面积及激励作用下，可覆盖铺设更多的压电板，因此可产生更大的输出电压，从而稳定实现为无线传感网络节点、嵌入式传感器或微型电子产品等外部设备进行供电；并且由于整体长度或宽度的缩短，在振动能量的传导方面会更加的容易，即更容易引起谐振，因此谐振频率更低，有利于与人体的振动频率进行匹配。
附图说明
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。
图1是本发明的振动能量采集器的俯视图；
图2是本发明的振动能量采集器的侧视图；
图3是本发明在0-100Hz内的输入机械功率、输出电压和输出电荷功率的曲线图；
图4是本发明在一阶谐振频率24.9Hz附近的输入机械功率、输出电压和输出电荷功率的曲线图；
图5是本发明在一阶谐振频率24.9Hz下的阻抗匹配仿真图。
具体实施方式
参照图1，本发明的一种新型低频压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁1、固定座4和质量块5，所述压电悬臂梁1包括周期性等间隔设置的回转板11和周期性倾斜等间隔设置的转接板12，所述相邻的回转板11通过转接板12进行连接；所述压电悬臂梁1的两端分别为自由端3和固定端2，所述的固定端2与回转板11垂直连接，所述质量块5设置在自由端3上，所述固定座4设置在固定端2上。
具体地，一种优选实施方式为：所述的质量块5为长方体状永磁铁，便于固定，且振动性能好，其长、宽和高分别为2mm、4mm和8mm；所述的压电悬臂梁1为PZT压电陶瓷片，压电系数高。
由于回转板11是纵向设置的，直接固定不太方便，所以在回转板11的一端设置有与之垂直的固定端2，方便于固定座4的固定，可防止振动能量在非振动端的散失。
采用由回转板11和转接板12周期性组成的折叠结构，相比于传统的垂直式或水平式结构，减小了压电悬臂梁1的长度或宽度，在相同的面积及激励作用下，可覆盖铺设更多的压电板，因此可产生更大的输出电压，从而稳定实现为无线传感网络节点、嵌入式传感器或微型电子产品等外部设备进行供电；并且由于整体长度或宽度的缩短，在振动能量的传导方面会更加的容易，即更容易引起谐振，因此谐振频率更低，有利于与人体的振动频率进行匹配。
由于人体的振动频率一般在几十赫兹以内，属于一个相对比较低的频带，而现有的振动能量采集结构基本上的谐振频率都为几百赫兹，远远大于人体的振动频率，因而不太实用；参照图3-图5，利用COMSOL Multiphysics 5.2a多物理场仿真软件来对本发明的采集器进行建模、网格划分、频域分析和阻抗匹配，在0-100Hz内进行考虑，较为符合人体的振动情况，根据申请人的实验可得：在0-100Hz频率内本发明具有一个谐振频率点，位于20-30Hz的区间内，更具体地，在图4中，可以看出一阶谐振频率为24.9Hz,此时的输出电压为55V，输出电荷功率为120mW，该谐振频率已大大接近人体的振动频率；如图5，优选地，在24.9Hz的振动频率下，最佳匹配阻抗为31KΩ，相对较低，且此时的输出电荷功率为78mW，输出电压为70V，相比于传统技术的输出电能有所提高。因此，本发明具有更低的匹配阻抗，能够降低采集器结构的谐振频率，从而获取到低频段的谐振频率，更加适用于人体振动能量采集系统。
其中，参照图1，所述的自由端3为转接板12的一端；由于转接板12是倾斜设置的，相比于纵向或横向设置的压电板，就具有更快的振动传导速度，所以将质量块5设置在此处，方便于快速起振及振动传导。
其中，参照图1，所述回转板11的数目不小于5块，所述转接板12的数目不小于4块；振动能量的传导需要一定时间，若回转板11或转接板12的数量太少，则能量的传导可能不及时，根据申请人的经验，这样设置较为合理。
其中，参照图2，本发明还包括与所述压电悬臂梁1的形状相同的金属基片6，所述的压电悬臂梁1和质量块5设置有两组且呈中心对称设置在金属基片6的两侧，优选可用导电胶将压电悬臂梁1粘紧在金属基片6的两侧；双压电悬臂梁1的设置有利于增加输出总电荷，从而输出更多电能；优选地，所述金属基片6为黄铜基片，可增加压电悬臂梁1的柔韧性，厚度为0.1mm。
以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种新型低频压电式振动能量采集器，其特征在于：包括压电悬臂梁(1)、固定座(4)和质量块(5)，所述压电悬臂梁(1)包括周期性等间隔设置的回转板(11)和周期性倾斜等间隔设置的转接板(12)，所述相邻的回转板(11)通过转接板(12)进行连接；所述压电悬臂梁(1)的两端分别为自由端(3)和固定端(2)，所述的固定端(2)与回转板(11)垂直连接，所述质量块(5)设置在自由端(3)上，所述固定座(4)设置在固定端(2)上。
2.根据权利要求1所述的一种新型低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述的自由端(3)为转接板(12)的一端。
3.根据权利要求1所述的一种新型低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述回转板(11)的数目不小于5块，所述转接板(12)的数目不小于4块。
4.根据权利要求1所述的一种新型低频压电式振动能量采集器，其特征在于：还包括与所述压电悬臂梁(1)的形状相同的金属基片(6)，所述的压电悬臂梁(1)和质量块(5)设置有两组且呈中心对称设置在金属基片(6)的两侧。
5.根据权利要求4所述的一种新型低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述金属基片(6)为黄铜基片，厚度为0.1mm。
6.根据权利要求1所述的一种新型低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述的质量块(5)为长方体状永磁铁，长、宽和高分别为2mm、4mm和8mm。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种新型低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述的压电悬臂梁(1)为PZT压电陶瓷片。
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