CN108448935A - 一种双阶级圆弧型压电式能量收集器 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，该能量收集器包括悬臂梁、压电层、固定质量块和可调质量块，悬臂梁为一圆弧形薄片，压电层附着于圆弧形薄片上，固定质量块附着于圆弧形薄片的一端，可调质量块可活动地附着于圆弧形薄片上，圆弧形薄片的右端附着设置有金属固定端。圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度，悬臂梁采用磷青铜材料制成。该能量收集器在可调质量块的移动角度为50度、90度、120度的一定结构下产生很高的功率；当可调质量块的移动角度为60度时，能产生0.032W的最大输出功率，体现了双阶级圆弧型压电式能量收集器能产生高的输出功率的特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，属于能量收集技术领域。
背景技术
压电能量收集器利用压电效应方式将周围环境中无法直接利用的机械能转换为可以直接利用的电能。目前常用的压电式能量收集器通常为直型结构，在该结构下虽然可以起到能量收集的作用，但是实验表明可收集的能量频率范围较小，输出电势较低。除此之外，直型结构的压电能量收集器还有稳定性低、空间利用率少等一系列缺陷。双自由度圆弧压电式能量收集器通过外界振动施加于质量块顶面或侧面，悬梁振动形变，压电层产生电势。
高性能圆弧型压电能量收集器在一定的弧度下输出高电势，一阶频率大，多阶带宽长。双自由度圆弧型压电式能量收集器在一定的弧度下产生高电势一阶频率小，多阶带宽短，但两者均解决了能量吸收方向的单一性，可以吸收质量块顶面和侧面方向的振动能量。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种双阶级圆弧型压电式能量收集器。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，包括悬臂梁、压电层、固定质量块和可调质量块，所述悬臂梁为一圆弧形薄片，所述压电层附着于圆弧形薄片上，所述固定质量块附着于圆弧形薄片的一端，所述可调质量块可活动地附着于圆弧形薄片上，所述圆弧形薄片的右端附着设置有金属固定端。
优选地，所述圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度。
优选地，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。
优选地，所述固定质量块和可调质量块间隙设置，所述固定质量块附着于圆弧形薄片的左端。
优选地，所述固定质量块和可调质量块的长、宽、高均为10mm，弧长为10rad。
优选地，所述固定质量块和可调质量块采用镍材料制成。
优选地，所述可调质量块的移动角度为10°~140°。
优选地，所述可调质量块的移动角度为60°。
优选地，所述压电层为PZT-5H。
优选地，所述压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为140度。
本发明技术方案的优点主要体现在：
1、该能量收集器在可调质量块的移动角度为50度、90度、120度的一定结构下产生很高的功率；当可调质量块的移动角度为60度时，能产生0.032W的最大输出功率，体现了双阶级圆弧型压电式能量收集器能产生高的输出功率的特性。
2、该能量收集器在可调质量块的移动角度为20度时，其对应的频率最大，为50Hz，随着角度的不断增大，其频率呈现减小的趋势，这体现了双阶级圆弧型压电式能量收集器产生频率小的特性且频率可调。
3、该能量收集器的结构简化为3层，并将质量块与连接片统一简化为圆弧型，极大简化了工艺制作过程。
4、该能量收集器的固定质量块和可调质量块的面积均减小到88平方毫米左右，这在很大程度上简化了质量块的加工工艺，同时，该尺寸下的质量块仍然可以维持高性能的输出。
5、该能量收集器无论在结构优化，加工工艺难易，性能测试上均优于高性能圆弧型压电能量收集器与双自由度圆弧型压电式能量收集器的结构优势。
附图说明
图1为本发明的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器的结构示意图。
图2为本发明可调质量块角度的移动示意图。
图3为本发明0度到140度的双阶级圆弧型压电式能量收集器的输出功率与角度变化关系图。
图4为本发明10度到140度的双阶级圆弧型压电式能量收集器的频率与角度变化关系图。
图5为本发明A型双阶级圆弧型压电式能量收集器的结构示意图。
图6为本发明B型双阶级圆弧型压电式能量收集器的结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，如图1所示，包括悬臂梁1、压电层2、固定质量块3和可调质量块4，所述悬臂梁1为一圆弧形薄片，所述压电层2附着于圆弧形薄片上，所述固定质量块3附着于圆弧形薄片的一端，所述可调质量块4可活动地附着于圆弧形薄片上，通过变化可以调节可调质量块的移动角度，所述圆弧形薄片的右端附着设置有金属固定端5。
具体地，所述圆弧型薄片的弧度为180度，内径Ra为20mm，外径Rb为30mm，宽度W为10mm，基层的厚度HS=0.5mm，所述悬臂梁采用来源广泛、延展性较好、易形变的磷青铜材料制成。
所述固定质量块3和可调质量块4间隙设置，所述固定质量块4和可调质量块5为圆弧型，所述固定质量块附着于圆弧形薄片的左端。所述固定质量块和可调质量块的长、宽、高HM均为10mm，弧长为10rad。所述固定质量块和可调质量块采用密度较高的镍材料制成。所述可调质量块的移动角度为10°~140°，所述可调质量块的移动角度为60°。所述压电层为PZT-5H，所述压电层为圆弧型，所述压电层的内径Ra为20mm，外径Rb为30mm，厚度hp为0.3mm，圆弧度为140度。
原理方面：该能量收集器采用180度的圆弧型结构，质量块采用固定质量块和可调质量块，当激励作用于质量块，可以使圆弧型悬臂梁和压电层产生形变，进而产生输出功率。可调质量块通过改变两个质量块的距离，即变化可调质量块的移动角度，在不同角度下，产生不同大小的输出功率。当移动角度为60度时，能产生最大输出功率，当移动角度为50度、90度、120度的一定结构下产生非常大的功率。
由于MEMS是以光刻与溅射工艺为主，所以该双阶级圆弧型压电式能量收集器相比于双自由度圆弧型压电式能量收集器结构由原先的6层复合搭建简化为3层，并将固定质量块、可调质量块、压电层统一简化为圆弧型，也极大简化了工艺制作过程。
可调质量块通过改变两个质量块的距离，即可变化可调质量块的移动角度，如图2所示。对质量块顶部施加边界载荷为10pa的压力作为激励，变化可调质量块的移动角度，以10度为间隔，得出弧度范围在10度到140度的双阶级圆弧型压电式能量收集器的输出功率与角度变化关系图，如图3所示，横坐标代表角度，纵坐标代表输出功率，输出功率随着角度的递增呈现先增大后减小，再增大再减小的变化趋势。从图3中可直观地看出，当可调质量块的移动角度为50度、90度、120度的一定结构下产生很高的功率，当可调质量块的移动角度为60度时，双阶级圆弧型压电式能量收集器能产生0.032W的最大输出功率。
为了突出双阶级圆弧型压电式能量收集器具有功率优势，通过弧度为180度的双阶级圆弧型压电式能量收集器与高性能圆弧型压电能量收集器和双自由度圆弧型压电式能量收集器相对比，只改变三种不同的形状的结构作为对比参量，其余参量均保持不变，高性能圆弧型压电能量收集器和双自由度圆弧型压电式能量收集器的结构。
将这三种结构进行对比，所得结果如下表1所示：
表1 不同结构下圆弧型压电式功率参数对比
| 功率（W） | 频率（Hz） | |
| 高性能圆弧型压电能量收集器 | 0.048 | 60 |
| 双阶级圆弧型压电式能量收集器 | 0.032 | 43 |
通过对比，双阶级圆弧型压电式能量收集器能产生较大的输出功率，且此时对应的一阶频率小。
在同样条件下，得出弧度范围在10度到140度的双阶级圆弧型压电式能量收集器的频率与角度变化关系图，如图4所示。双阶级圆弧型压电式能量收集器具备一阶频率所对应的功率大，但一阶频率小的优点。由图4可知，双阶级圆弧型压电式能量收集器产生的最大输出功率略低于高性能圆弧型压电能量收集器产生的最大输出功率，可调质量块的移动角度不断变化时，其频率均低于50Hz。在移动角度为50度、90度、120度的一定结构下产生大的输出功率，60度时产生的最大输出功率，体现了双阶级圆弧型压电式能量收集器产生高功率低频率的特性且频率可调。
变化可调质量块的移动角度，以10度为间隔，得出弧度范围在10度到140度的双阶级圆弧型压电式能量收集器的频率与角度变化关系图，如图4所示，纵坐标表示频率，横坐标表示移动角度。频率随着移动角度的递增呈现不断变小的趋势，当可调质量块的移动角度为20度时，其对应的频率最大，为50Hz。结合图4，可知双阶圆弧型能量收集器在不同角度下的频率均低于50Hz，明显优于高性能圆弧型压电能量收集器，较优于双自由度圆弧型压电式能量收集器。
该双阶级圆弧型压电式能量收集器在几何结构上具有两种构型，性能优势上无差异，但可在多集成的空间构型上提供较多的组合结构，有利于整体结构布局，具体地，两种结构分别如下，A型双阶级圆弧型压电式能量收集器，如图5所示；B型双阶级圆弧型压电式能量收集器，如图6所示。
该能量收集器可在特定结构下产生高功率，一阶频率小，其特殊的圆弧结构可以吸收顶面与侧面方向的振动能量。
该结构容易加工，结构简单，易于MEMS集成，也同时具备高性能与双自由度技术优势的结构，可作为压电集成芯片的集成单元小模块。
双阶级圆弧型压电式能量收集器是基于双自由度圆弧型压电式能量收集器的改进，这种结构简化的能量收集器更易于微型化、集成化，因而具有较大的研究价值。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：包括悬臂梁、压电层、固定质量块和可调质量块，所述悬臂梁为一圆弧形薄片，所述压电层附着于圆弧形薄片上，所述固定质量块附着于圆弧形薄片的一端，所述可调质量块可活动地附着于圆弧形薄片上，所述圆弧形薄片的右端附着设置有金属固定端。
2.根据权利要求1所述的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度。
3.根据权利要求1所述的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述固定质量块和可调质量块间隙设置，所述固定质量块附着于圆弧形薄片的左端。
5.根据权利要求1所述的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述固定质量块和可调质量块的长、宽、高均为10mm，弧长为10rad。
6.根据权利要求1所述的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述固定质量块和可调质量块采用镍材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述可调质量块的移动角度为10°~140°。
8.根据权利要求7所述的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述可调质量块的移动角度为60°。
9.根据权利要求1所述的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述压电层为PZT-5H。
10.根据权利要求1所述的一种双阶级圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为140度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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