CN108418469B - 一种压电式振动能量采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁和质量块，压电悬臂梁包括第一主梁、第二主梁和传导板，第一主梁和第二主梁通过传导板连接且相对于传导板呈中心对称设置；第一主梁和第二主梁的形状相同，第一主梁/第二主梁包括起振板和回型结构，质量块与起振板的数量相匹配且设置在起振板上；回型结构的一端连接到起振板，另一端连接到传导板的一端；回型结构与起振板之间形成无内隙的回形通道。本发明可最大化地占用压电悬臂梁的有效面积，从而提高压电悬臂梁的产电面积，有利于产生更高的输出电压，且谐振频率较低且带宽较广，可与人体振动频率进行良好匹配，适用于人体振动能量的采集。

Description

一种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，尤其是一种压电式振动能量采集器。

背景技术

近些年来国内外学者在振动能量采集领域上取得了很大进步，已设计出微型化采集装置并广泛应用到实际生活之中，振动能量采集器就是其中的一种，可以依托人体的振动能量，从而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；部分振动能量采集器是采用压电材料来实现的，具体而言用到了压电板或压电梁，其结构多样，比如申请号为201610821858.3的中国专利即公开了一种振动能量采集器，但其内部留出了一些空隙或槽，即在整体设计上占用空间不合理，若是可将这些空隙或槽利用压电材料来进行填充代替，则压电板的产电量会大大提高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种压电式振动能量采集器，采用内部无空隙的回型结构，可最大化地提高压电悬臂梁的产电面积，有利于产生更高的输出电压。

为了弥补现有技术的不足，本发明采用的技术方案是：

一种压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁和质量块，所述的压电悬臂梁包括第一主梁、第二主梁和传导板，所述的第一主梁和第二主梁通过传导板连接且相对于传导板呈中心对称设置；所述第一主梁和第二主梁的形状相同，所述第一主梁/第二主梁包括起振板和回型结构，所述的质量块与起振板的数量相匹配且设置在起振板上；所述回型结构的一端连接到起振板，另一端连接到传导板的一端；所述的回型结构与起振板之间形成无内隙的回形通道。

进一步，所述的回型结构包括第一回转板、第二回转板和第三回转板；所述的第一回转板、第二回转板和第三回转板依次紧贴向外回旋延伸设置；所述的第一回转板的一端连接到起振板，另一端连接到第二回转板的一端，所述第二回转板的另一端连接到第三回转板的一端，所述第三回转板的另一端连接到传导板的一端。

进一步，所述第一回转板包括第一联结板和第二联结板；所述第一联结板的一端连接到起振板，另一端连接到第二联结板的一端，所述第二联结板的另一端连接到第二回转板的一端。

进一步，所述第二回转板紧贴围绕第一回转板首尾连接设置。

进一步，所述第三回转板紧贴围绕第二回转板首尾连接设置。

进一步，所述第一联结板和第二联结板均为水平状或竖直状直板。

进一步，本发明还包括用于固定所述的压电悬臂梁的固定板，所述的固定板设置在传导板的一端。

进一步，还包括金属基片，所述的压电悬臂梁设置有两根，所述的金属基片紧贴设置在两根压电悬臂梁之间。

优选地，所述的质量块为永磁铁。

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：本发明采用回型结构，其与起振板之间形成无内隙的回形通道，利用该通道可将振动能量向外传输，同时可最大化地占用压电悬臂梁的有效面积，从而提高压电悬臂梁的产电面积，有利于产生更高的输出电压；另外，采用多个主梁的结构配合多个质量块，也可进一步提高输出电压；两主梁呈中心对称设置的作用是可方便传导板将两主梁末端进行连接，从而使得所有主梁的振动能量能够被汇集，可防止不必要的能量散失；并且根据申请人的实验，本发明的谐振频率较低且带宽较广，可与人体振动频率进行良好匹配，适用于人体振动能量的采集。

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10-20Hz内的输入机械功率、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17.9Hz下的阻抗匹配仿真图。

具体实施方式

参照图1，本发明的一种压电式振动能量采集器，包括压电悬臂梁E和质量块6，所述的压电悬臂梁E包括第一主梁1、第二主梁2和传导板10，所述的第一主梁1和第二主梁2通过传导板10连接且相对于传导板10呈中心对称设置；所述第一主梁1和第二主梁2的形状相同，所述第一主梁1/第二主梁2包括起振板7和回型结构，所述的质量块6与起振板7的数量相匹配且设置在起振板7上；所述回型结构的一端连接到起振板7，另一端连接到传导板10的一端；所述的回型结构与起振板7之间形成无内隙的回形通道。

具体地，在本实施例中，质量块6为永磁铁，长宽高为2mm、4mm和8mm；压电悬臂梁E为一体成型的PZT压电陶瓷片，压电系数高，厚度为0.2mm；在本实施例中，主梁设置有两个，实际上可以设置不止两个，只要通过传导板10将其末端连接起来即可。

采用回型结构，其与起振板7之间形成无内隙的回形通道，利用该通道可将振动能量向外传输，同时可最大化地占用压电悬臂梁E的有效面积，从而提高压电悬臂梁E的产电面积，有利于产生更高的输出电压；另外，采用多个主梁的结构配合多个质量块6，也可进一步提高输出电压；两主梁呈中心对称设置的作用是可方便传导板10将两主梁末端进行连接，从而使得所有主梁的振动能量能够被汇集，可防止不必要的能量散失；并且根据申请人的实验，本发明的谐振频率较低且带宽较广，可与人体振动频率进行良好匹配，适用于人体振动能量的采集。

由于人体的振动频率一般在几十以内，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，并且可用频带带宽都太窄，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，恰好符合人体的振动情况，根据申请人的实验可得：在0-100Hz频率内本发明一共有五个谐振频率点，分别位于10-20Hz、20-30Hz、40-50Hz、50-60Hz和60-70Hz的区间内，因此本发明的谐振频率更低，在低频带内的谐振频率点大大增多；同时，在图4中，一阶谐振频率为17.9Hz，此时的输出电压为160V，输出电荷功率为150mW，该谐振频率已大大接近人体的振动频率，而正常的输出电压大约为50-60V，可见本发明的输出电压大大增加；如图5，优选地，在17.9Hz的振动频率下，最佳匹配阻抗为56KΩ，此时的输出电荷功率为260mW，输出电压为170V。因此，本发明能够降低采集器结构的谐振频率且拓宽其有效工作带宽，更加适用于人体振动能量采集。

其中，参照图1，所述的回型结构包括第一回转板3、第二回转板4和第三回转板5；所述的第一回转板3、第二回转板4和第三回转板5依次紧贴向外回旋延伸设置；所述的第一回转板3的一端连接到起振板7，另一端连接到第二回转板4的一端，所述第二回转板4的另一端连接到第三回转板5的一端，所述第三回转板5的另一端连接到传导板10的一端。

其中，参照图1，所述第一回转板3包括第一联结板31和第二联结板32；所述第一联结板31的一端连接到起振板7，另一端连接到第二联结板32的一端，所述第二联结板32的另一端连接到第二回转板4的一端。

其中，参照图1，所述第二回转板4紧贴围绕第一回转板3首尾连接设置，保证了整体空间的紧密占用，有利于提高产电效率。

所述第二回转板4包括第三联结板42、第四联结板44、第一中转板41和第二中转板43；所述第一中转板41的一端连接到第二联结板32，另一端通过第三联结板42连接到第二中转板43的一端，所述第二中转板43的另一端连接到第四联结板44的一端，所述第四联结板44的另一端连接到第三回转板5的一端。

其中，参照图1，所述第三回转板5紧贴围绕第二回转板4首尾连接设置，保证了整体空间的紧密占用，有利于提高产电效率。

所述第三回转板5包括第五联结板52、第三中转板51和第四中转板53；所述第三中转板51的一端连接到第四联结板44，另一端通过第五联结板52连接到第四中转板53的一端，所述第四中转板53的另一端连接到传导板10的一端。

具体地，上述设置使得回型结构整体上更加紧凑，即占据了更大的有效空间，使得在其内部不会留出其它空隙，同时由于第一回转板3、第二回转板4和第三回转板5是相互紧贴设置的，因此更有利于传导振动能量，即从起振板7释出的振动能量不会散失太多。

其中，第一联结板31和第二联结板32均为水平状或竖直状直板；

参照图1，在本实施例中，所述第一联结板31、第二联结板32、第三联结板42、第四联结板44和第五联结板52均为水平状直板，所述第一中转板41、第二中转板43、第三中转板51和第四中转板53均为竖直状直板，但并不限定，只要保证各中转板与联结板相互垂直即可；这样设置的好处是方便制造生产，由于各板的形状较为规整，可减少生产难度，实际上也可采用其它形状的板，只需保证各板间紧贴设置即可，但效果可能会相对差一点。

其中，参照图1，还包括用于固定所述的压电悬臂梁E的固定板9，所述的固定板9设置在传导板10的一端；固定板9可防止压电悬臂梁E因振动能量而引起的动作，同时可起到连接传导板10的作用，方便振动能量的传输。

其中，参照图2，还包括金属基片8，所述的压电悬臂梁E设置有两根，所述的金属基片8紧贴设置在两根压电悬臂梁E之间，可通过导电胶固定；双压电悬臂梁E的设置可增加输出总电荷，从而输出更多电能。

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 (6)

1.一种压电式振动能量采集器，其特征在于：包括压电悬臂梁(E)和质量块(6)，所述的压电悬臂梁(E)至少包括第一主梁(1)、第二主梁(2)和传导板(10)，所述的第一主梁(1)和第二主梁(2)通过传导板(10)连接且相对于传导板(10)呈中心对称设置；所述第一主梁(1)和第二主梁(2)的形状相同，所述第一主梁(1)/第二主梁(2)包括起振板(7)和回型结构，所述的质量块(6)与起振板(7)的数量相匹配且设置在起振板(7)上；所述回型结构的一端连接到起振板(7)，另一端连接到传导板(10)的一端；所述的回型结构与起振板(7)之间形成无内隙的回形通道；所述的回型结构包括第一回转板(3)、第二回转板(4)和第三回转板(5)；所述的第一回转板(3)、第二回转板(4)和第三回转板(5)依次紧贴向外回旋延伸设置；所述的第一回转板(3)的一端连接到起振板(7)，另一端连接到第二回转板(4)的一端，所述第二回转板(4)的另一端连接到第三回转板(5)的一端，所述第三回转板(5)的另一端连接到传导板(10)的一端；所述第一回转板(3)包括第一联结板(31)和第二联结板(32)；所述第一联结板(31)的一端连接到起振板(7)，另一端连接到第二联结板(32)的一端，所述第二联结板(32)的另一端连接到第二回转板(4)的一端；所述第二回转板(4)包括第三联结板(42)、第四联结板(44)、第一中转板(41)和第二中转板(43)；所述第一中转板(41)的一端连接到第二联结板(32)，另一端通过第三联结板(42)连接到第二中转板(43)的一端，所述第二中转板(43)的另一端连接到第四联结板(44)的一端，所述第四联结板(44)的另一端连接到第三回转板(5)的一端；所述第三回转板(5)包括第五联结板(52)、第三中转板(51)和第四中转板(53)；所述第三中转板(51)的一端连接到第四联结板(44)，另一端通过第五联结板(52)连接到第四中转板(53)的一端，所述第四中转板(53)的另一端连接到传导板(10)的一端。

2.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：所述第一联结板(31)、第二联结板(32)、第三联结板(42)、第四联结板(44)和第五联结板(52)均为水平状直板，所述第一中转板(41)、第二中转板(43)、第三中转板(51)和第四中转板(53)均为竖直状直板。

3.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：还包括用于固定所述的压电悬臂梁(E)的固定板(9)，所述的固定板(9)设置在传导板(10)的一端。

4.根据权利要求1所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：还包括金属基片(8)，所述的压电悬臂梁(E)设置有两根，所述的金属基片(8)紧贴设置在两根压电悬臂梁(E)之间。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：所述的质量块(6)为永磁铁。

6.根据权利要求1-4任一所述的一种压电式振动能量采集器，其特征在于：所述的压电悬臂梁(E)为PZT压电陶瓷片。