CN108418470A - 压电能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了压电能量采集器，包括用于产生电能的压电陶瓷片、用于传输电能的铜片、用于固定压电能量采集器的底座和用于给压电陶瓷片增重的质量块，压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，铜片与水平面平行，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片分别贴在铜片的上下两面，底座固定于铜片的下方，质量块固定于第一压电陶瓷片的上方。本发明利用压电材料的压电效应将振动能量转换成电能。本发明通过在第一压电陶瓷片的上方放置质量块增加重量，降低压电能量采集器工作的谐振频率、拓宽其有效工作带宽，提高机电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种固定装置，特别是一种在PCB板上固定电容器的装置。
背景技术
现有的振动能量采集器一般由直悬臂梁和质量块组成，具有结构简单、挠曲和柔顺系数大等优点，但该结构的固有频率较高，机电转换效率较低，不易激发为共振状态。本次研究的能量采集器主要用于可穿戴医疗传感网，将人体运动所产生的的振动机械能转换成电能为传感网提供电能。因为人体运动的频率很有限，所以基本的振动能量采集器不适合应用于传感网，因此，降低能量采集器的固有频率、拓宽其有效带宽是非常有意义的。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能方便固定电容器，通过设计新的能量采集器结构，降低其工作的谐振频率、拓宽其有效工作带宽，提高机电转换效率。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：压电能量采集器，包括用于产生电能的压电陶瓷片、用于传输电能的铜片、用于固定压电能量采集器的底座和用于给压电陶瓷片增重的质量块，压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，铜片与水平面平行，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片分别贴在铜片的上下两面，底座固定于铜片的下方，质量块固定于第一压电陶瓷片的上方。本发明利用压电材料的压电效应将振动能量转换成电能。
进一步，铜片设置有延伸出第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片之间空腔的延伸部，底座固定在延伸部的下方。本发明设置的延伸部不仅便于底座的固定和安装，而且便于压电能量采集器的使用。
进一步，铜片、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片上设置有减轻重量的空隙，所述空隙为螺旋式空隙，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片设置有分界线，所述螺旋式空隙设置有两个，两个螺旋式空隙关于分界线对称。本发明将空隙设置为螺旋状，这样使得第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的长度更长，可以进一步降低压电能量采集器的固有频率。
进一步，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的宽为30mm、长为50mm、厚度为0.2mm，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均为PZT—5A压电陶瓷。
进一步，铜片的宽为30mm、长为60mm、厚度为0.1mm。
进一步，所述质量块为永磁铁，该永磁铁的高度为2mm、宽度为4mm、长度为8mm。
本发明的有益效果是：本发明是压电能量采集器，本发明通过在第一压电陶瓷片的上方放置质量块增加重量，降低压电能量采集器工作的谐振频率、拓宽其有效工作带宽，提高机电转换效率。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的俯视图；
图2是本发明的正视图。
具体实施方式
图1是本发明的俯视图，图2是本发明的正视图，如图1和图2所示，本发明是压电能量采集器，包括用于产生电能的压电陶瓷片、用于传输电能的铜片1、用于固定压电能量采集器的底座2和用于给压电陶瓷片增重的质量块3，压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片4和第二压电陶瓷片5，铜片1与水平面平行，第一压电陶瓷片4和第二压电陶瓷片5分别贴在铜片1的上下两面，底座2固定于铜片1的下方，质量块3固定于第一压电陶瓷片4的上方。本发明利用压电材料的压电效应将振动能量转换成电能。本发明通过在第一压电陶瓷片4的上方放置质量块3，降低其工作的谐振频率、拓宽其有效工作带宽，提高机电转换效率。
优选的，本发明的铜片1设置有延伸出第一压电陶瓷片4和第二压电陶瓷片5之间空腔的延伸部6，底座2固定在延伸部6的下方。本发明设置的延伸部6不仅便于底座2的固定和安装，而且便于压电能量采集器的使用。铜片1、第一压电陶瓷片4和第二压电陶瓷片5上设置有减轻重量的空隙7，所述空隙7为螺旋式空隙7，第一压电陶瓷片4和第二压电陶瓷片5设置有分界线8，所述螺旋式空隙7设置有两个，两个螺旋式空隙7关于分界线8对称。本发明将空隙设置为螺旋状，这样使得第一压电陶瓷片4和第二压电陶瓷片5的长度更长，可以进一步降低压电能量采集器的固有频率。第一压电陶瓷片4和第二压电陶瓷片5的宽为30mm、长为50mm、厚度为0.2mm，第一压电陶瓷片4和第二压电陶瓷片5均为PZT—5A压电陶瓷。铜片1的宽为30mm、长为60mm、厚度为0.1mm。所述质量块3为永磁铁，该永磁铁的高度为2mm、宽度为4mm、长度为8mm。
本发明使用COMSOL Multiphysics 5.2a多物理场仿真软件对该模型结构进行建模、网格划分、频域分析、阻抗匹配，本发明的模型在0～100Hz频率时的谐振频率以及相应的输出电压和电荷功率，从中可以看到，在0～100Hz频率内本发明一共有五个谐振频率，分别在10～20Hz、20～30Hz、50～60Hz、70～80Hz、80～90Hz内，因此本发明在较低频(0～100Hz)内可起到拓宽频带的效果。本发明结构在10～20Hz内的谐振频率以及相应的输出电压和电荷功率，可以看出该结构的一阶谐振频率为17.9Hz，此时输出电压为60V，电荷功率为140mW，谐振频率已大大接近人体的振动频率。本发明结构在一阶谐振频率17.9Hz下的阻抗匹配在17.9Hz时，该结构的最佳匹配阻抗为56KΩ，此时的输出电荷功率为260mW，输出电压为160V。
本发明用相同的面积大小的压电陶瓷片，本发明结构的谐振频率更低；本发明结构在0～100Hz内的谐振频率达到5个，能起到拓宽频带的功效；本发明结构在一阶谐振频率17.9Hz时的各种性能仿真效果都很好，匹配阻抗为56KΩ，此时的输出电荷功率为260mW，输出电压为160V。相对传统的相关应用，本发明的优点是在0～100Hz频率一共有五个谐振频率，分别在10～20Hz、20～30Hz、50～60Hz、70～80Hz、80～90Hz内，因此本发明在0～100Hz内可起到拓宽频带的效果；本发明的一阶谐振频率为17.9Hz，此时输出电压为60V，电荷功率为140mW，谐振频率已大大接近人体的振动频率；在17.9Hz时，该结构的最佳匹配阻抗为56KΩ，此时的输出电荷功率为260mW，输出电压为160V。因此，本发明结构不仅能起到很好的拓宽频带效果，降低振动能量采集器自身的谐振频率，而且其输出电压、输出电荷功率、阻抗匹配等参数也有很好的仿真效果，更适用于人体振动能量采集系统。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.压电能量采集器，其特征在于：包括用于产生电能的压电陶瓷片、用于传输电能的铜片、用于固定压电能量采集器的底座和用于给压电陶瓷片增重的质量块，压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，铜片与水平面平行，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片分别贴在铜片的上下两面，底座固定于铜片的下方，质量块固定于第一压电陶瓷片的上方。
2.根据权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于：铜片设置有延伸出第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片之间空腔的延伸部，底座固定在延伸部的下方。
3.根据权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于：铜片、第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片上设置有减轻重量的空隙，所述空隙为螺旋式空隙，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片设置有分界线，所述螺旋式空隙设置有两个，两个螺旋式空隙关于分界线对称。
4.根据权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于：第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的宽为30mm、长为50mm、厚度为0.2mm，第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片均为PZT—5A压电陶瓷。
5.根据权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于：铜片的宽为30mm、长为60mm、厚度为0.1mm。
6.根据权利要求1所述的压电能量采集器，其特征在于：所述质量块为永磁铁，该永磁铁的高度为2mm、宽度为4mm、长度为8mm。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110138271A (zh) * | 2019-05-15 | 2019-08-16 | 北京工业大学 | 一种升频式带空腔悬臂板结构的压电俘能器 |
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| US20100084947A1 (en) * | 2008-10-02 | 2010-04-08 | Korea Institute Of Science And Technology | High Efficiency Piezoelectric Energy Harvester Having Spiral Structure |
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| CN107395063A (zh) * | 2017-09-13 | 2017-11-24 | 广东顺德中山大学卡内基梅隆大学国际联合研究院 | 能量采集器 |
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2018
- 2018-03-14 CN CN201810211916.XA patent/CN108418470A/zh active Pending
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