CN108418468A - 一种低频压电式振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁和质量块，所述压电悬臂梁包括固定底座以及第一压电梁和第二压电梁，所述第一压电梁和第二压电梁均包括周期性连接的之字型基础梁；所述第一压电梁/第二压电梁的一端为自由端，另一端为固定端；所述质量块设置在第一压电梁和第二压电梁的自由端上，所述第一压电梁和第二压电梁的固定端均与固定底座连接。本发明的谐振频率低且产电高，可与人体的振动频率进行良好匹配，保证可为传感网器件、微型电子产品等外部设备提供持续的电能。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量采集领域，尤其是一种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。目前已经研发了振动能量采集器，其是一种将机械能转化为电能的装置，可为传感网器件、微型电子产品等供电，但其谐振频率点不处于低频段，很难与人体的振动频率进行匹配，因此在谐振频率点的能量密度较低，从而使得输出电能低，供电时间不够充足。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种可与人体的振动频率进行良好匹配的压电式振动能量采集器。
为了弥补现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：
一种低频压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁和质量块，所述压电悬臂梁包括固定底座以及第一压电梁和第二压电梁，所述第一压电梁和第二压电梁均包括周期性连接的之字型基础梁；所述第一压电梁/第二压电梁的一端为自由端，另一端为固定端；所述质量块同时设置在第一压电梁和第二压电梁的自由端上，所述第一压电梁和第二压电梁的固定端均与固定底座连接。
进一步，所述的第一压电梁和第二压电梁呈对称状设置。
进一步，所述的之字型基础梁包括第一连接板、第二连接板和中转板，所述中转板、第一连接板和第二连接板均呈等间隔排列设置，所述第一连接板和第二连接板均与中转板相互垂直，所述第一连接板和第二连接板通过相邻的中转板连接；所述中转板的长度大于第一连接板/第二连接板的长度。
进一步，所述第一压电梁和第二压电梁的自由端均为中转板的一端。
进一步，所述第一压电梁和第二压电梁的固定端均为第一连接板或第二连接板的一端。
进一步，还包括金属基片，所述的压电悬臂梁和质量块设置有两组且相互中心对称，所述的金属基片紧贴设置在两根压电悬臂梁之间。
优选地，所述金属基片为铜制基片。
优选地，所述质量块为永磁铁。
优选地，所述压电悬臂梁为PZT压电陶瓷片。
本发明的有益效果是：对压电悬臂梁施加外力，则由于压电效应其会产生电流，配上质量块，压电悬臂梁的振动时间和幅度会不断增大，因此能够持续产生电能；采用第一压电梁和第二压电梁的分别设置，与单一压电板相比，具有更大的产电面积，从而可带来更高的输出电压和输出功率；采用周期性连接的之字形基础梁构成的折叠结构，减少了结构的整体长度，在传导振动能量时耗散更少，因此更容易由前面的之字形基础梁带动后面的之字形基础梁进行振动，即更容易感受振动，故谐振频率较低；自由端作为起振点，固定端作为振动能量结合点，保证能量采集的正常进行。因此，本发明的谐振频率低且产电高，可与人体的振动频率进行良好匹配，保证可为传感网器件、微型电子产品等外部设备提供持续的电能。
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19.125Hz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19.125Hz下的阻抗匹配仿真图。
具体实施方式
参照图1及图3-图5，本发明的一种低频压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁A和质量块5，所述压电悬臂梁A包括固定底座4以及第一压电梁1和第二压电梁2，所述第一压电梁1和第二压电梁2均包括周期性连接的之字型基础梁3；所述第一压电梁1/第二压电梁2的一端为自由端7，另一端为固定端8；所述质量块5同时设置在第一压电梁1和第二压电梁2的自由端7上，所述第一压电梁1和第二压电梁2的固定端8均与固定底座4连接。
具体地，在本实施例中，质量块52为永磁铁，长宽高为2mm、4mm和8mm；压电悬臂梁A为一体成型的PZT压电陶瓷片，压电系数高，厚度为0.2mm。
对压电悬臂梁A施加外力，则由于压电效应其会产生电流，配上质量块5，压电悬臂梁A的振动时间和幅度会不断增大，因此能够持续产生电能；采用第一压电梁1和第二压电梁2的分别设置，与单一压电板相比，具有更大的产电面积，从而可带来更高的输出电压和输出功率；采用周期性连接的之字形基础梁构成的折叠结构，减少了结构的整体长度，在传导振动能量时耗散更少，因此更容易由前面的之字形基础梁带动后面的之字形基础梁进行振动，即更容易感受振动，故谐振频率较低；自由端7作为起振点，固定端8作为振动能量结合点，保证能量采集的正常进行。因此，本发明的谐振频率低且产电高，可与人体的振动频率进行良好匹配，保证可为传感网器件、微型电子产品等外部设备提供持续的电能。
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15-20Hz的区间内，更具体地，在图4中，可以看出一阶谐振频率为19.125Hz，此时的输出电压为50V，输出电荷功率为130mW，该谐振频率已大大接近人体的振动频率；如图5，优选地，在19.125Hz的振动频率下，最佳匹配阻抗为5KΩ，相对较低，且此时的输出电荷功率为270mW，输出电压为170V，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，所述的第一压电梁1和第二压电梁2呈对称状设置，使得两块压电梁的振动更加同步，有利于收集产出的电能。
其中，参照图1，所述的之字型基础梁3包括第一连接板31、第二连接板32和中转板33，所述中转板33、第一连接板31和第二连接板32均呈等间隔排列设置，所述第一连接板31和第二连接板32均与中转板33相互垂直，所述第一连接板31和第二连接板32通过相邻的中转板33连接，所述中转板33的长度大于第一连接板31/第二连接板32的长度，因此采集器整体的联动性好，振动能量更容易进行传导；这样设置同时使得相邻的中转板33之间留出的空隙不会太大，有效地利用了整体空间，在固定的空间内就可以设置更多个周期的之字型基础梁3，有利于提高电能输出。
其中，参照图1，所述第一压电梁1和第二压电梁2的自由端7均为中转板33的一端，由于中转板33的长度相对较长，这样设置使得振动能量在初传导时具有一段较长的传播距离，防止能量不能完全传输到下一级的之字型基础梁3上；所述第一压电梁1和第二压电梁2的固定端8均为第一连接板31或第二连接板32的一端，在固定端8处振动能量不需要再进行传输，由于第一连接板31或第二连接板32的长度相对较短，因此可防止能量的散失。
其中，参照图2，还包括金属基片6，所述的压电悬臂梁A和质量块5设置有两组且相互中心对称，所述的金属基片6紧贴设置在两根压电悬臂梁A之间，优选可利用导电胶进行紧贴设置；并联式设置的双压电悬臂梁A结构可增加输出总电荷，从而输出更多电能，导电胶的设置使得安装更为方便，生产效率更高；优选地，金属基片6为铜制基片，可增加压电悬臂梁A的柔韧性。
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 (9)
1.一种低频压电式振动能量采集器，其特征在于：包括压电悬臂梁(A)和质量块(5)，所述压电悬臂梁(A)包括固定底座(4)以及第一压电梁(1)和第二压电梁(2)，所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)均包括周期性连接的之字型基础梁(3)；所述第一压电梁(1)/第二压电梁(2)的一端为自由端(7)，另一端为固定端(8)；所述质量块(5)同时设置在第一压电梁(1)和第二压电梁(2)的自由端(7)上，所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)的固定端(8)均与固定底座(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述的第一压电梁(1)和第二压电梁(2)呈对称状设置。
3.根据权利要求1所述的一种低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述的之字型基础梁(3)包括第一连接板(31)、第二连接板(32)和中转板(33)，所述中转板(33)、第一连接板(31)和第二连接板(32)均呈等间隔排列设置，所述第一连接板(31)和第二连接板(32)均与中转板(33)相互垂直，所述第一连接板(31)和第二连接板(32)通过相邻的中转板(33)连接；所述中转板(33)的长度大于第一连接板(31)/第二连接板(32)的长度。
4.根据权利要求3所述的一种低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)的自由端(7)均为中转板(33)的一端。
5.根据权利要求3所述的一种低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)的固定端(8)均为第一连接板(31)或第二连接板(32)的一端。
6.根据权利要求2所述的一种低频压电式振动能量采集器，其特征在于：还包括金属基片(6)，所述的压电悬臂梁(A)和质量块(5)设置有两组且相互中心对称，所述的金属基片(6)紧贴设置在两根压电悬臂梁(A)之间。
7.根据权利要求6所述的一种低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述金属基片(6)为铜制基片。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述质量块(5)为永磁铁。
9.根据权利要求1-7任一所述的一种低频压电式振动能量采集器，其特征在于：所述压电悬臂梁(A)为PZT压电陶瓷片。
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