CN108832843B - 一种基于d15模式的压电扭转俘能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于D15模式的压电扭转俘能器，包括基体梁和沿基体梁轴线分布且对基体梁施加扭矩的至少一个附加梁；附加梁包括分别位于基体梁两侧且一端与基体梁连接的第一侧梁和第二侧梁；第一侧梁和第二侧梁自由端上下表面均设有质量块；基体梁两端均具有夹持端，其中一个夹持端固支，另一个仅可沿所述基体梁的轴线移动；靠近基体梁夹持端的上下表面均设有D15模式压电片，D15模式压电片与其相对应的夹持端之间具有间隙。本发明的附加梁因构型不对称易形成扭矩，故在振动过程中有助于增加能量输出，进而提高了能量转化效率。

Description

一种基于D15模式的压电扭转俘能器
技术领域
本发明涉及一种基于D15模式的压电扭转俘能器，属于压电片D15模式应用领域和新能源技术领域。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)、无线传感网络和植入式精密微器件等的快速发展，以电池为代表的传统供能方式因存在质量大、寿命短、体积大、更换困难等弊端，已不能满足工业需求。因此，急需寻找器件供电的替代方法。因为压电俘能器具有机电转换效率高，易集成，无电磁干扰和灵敏度高等优点，所以其研究受到越来越多的关注。
因压电系数越高，俘能器的输出电压和功率越大，且常用压电材料(如：PZT-5H，PZT-51等)的压电系数满足D15>D33>D31，故基于D15模式的俘能器具有较高的输出电压和功率。例如，悬臂式扭转俘能器比传统悬臂式俘能器具有更低的电能损耗和更高的输出功率。但该扭转俘能器的质量块较大、谐振频率较高，不利于俘获低频处的能量；一种剪切俘能器先将竖向载荷转换为水平推力，再将水平推力转换为施加到压电材料上的剪切力。尽管该剪切俘能器实现了路面能量的俘获；但能量在转换过程中会产生损耗，降低俘能效率。此外，该俘能器具有结构复杂，体积较大等不足。
发明内容
基于现有扭转俘能器依然存在的结构复杂、体积较大、谐振频率较高和俘能效率低等问题，提出了一种基于D15模式的压电扭转俘能器。为了调节扭转俘能器的谐振频率，电压和带宽，分析了预紧力、短附加梁的宽度和质量块厚度对扭转俘能器的影响，进而有助于设计出环境适应性更好的扭转俘能器，从而实现其工程实用价值。本发明采用的技术手段如下：
一种基于D15模式的压电扭转俘能器，包括基体梁和沿所述基体梁轴线分布且对所述基体梁施加扭矩的至少一个附加梁；
所述附加梁包括分别位于所述基体梁两侧且一端与所述基体梁连接的第一侧梁和第二侧梁；
所述第一侧梁的自由端到所述基体梁的距离与所述第二侧梁的自由端到所述基体梁的距离不等(易形成对所述基体梁施加的扭矩)，且所述第二侧梁的自由端到所述基体梁的距离大于等于0，当等于0时，所述附加梁为单侧梁；
所述第一侧梁和所述第二侧梁自由端上下表面均设有质量块；
所述基体梁两端均具有夹持端，其中一个夹持端固支(限制其六个自由度)，另一个仅可沿所述基体梁的轴线移动，其移动是依靠外力做功使所述基体梁发生弹性变形实现的，当沿所述基体梁的轴线对其施加预紧力后，其固支；
靠近所述基体梁夹持端的上下表面均设有D15模式压电片，所述D15模式压电片与其相对应的所述夹持端之间具有间隙。
通过分析所述第一侧梁、所述第二侧梁和所述质量块的结构和材料参数以及对非固支夹持端施加的预紧力对所述压电扭转俘能器的谐振频率、电压幅值和俘能带宽的影响，进而实现对所述压电扭转俘能器性能的调控。
所述D15模式压电片与所述基体梁粘结；
所述质量块与所述第一侧梁和所述第二侧梁粘结。
所述基体梁与所述第一侧梁和所述第二侧梁为一体结构或之间通过焊接、铆接等方式连接。
位于同一端的所述D15模式压电片串联或并联。
所述D15模式压电片之间串联或并联。
所述压电扭转俘能器的谐振频率、电压幅值和俘能带宽的调节方法是：当所述压电扭转俘能器的结构和材料参数一定时，其等效质量meq一定。当施加到非固支夹持端的预紧力一定时，其等效刚度keq一定。此时，所述压电扭转俘能器的谐振频率一定。当外界激励一定时，所述压电扭转俘能器的电压幅值和俘能带宽一定。通过改变所述第一侧梁、所述第二侧梁和所述质量块的结构和材料参数以及对非固支夹持端施加的预紧力，即可实现所述压电扭转俘能器谐振频率、电压幅值和俘能带宽的调节。
本发明具有以下优点：
1、本发明因采用D15模式压电片，进而具有较高输出电压和输出功率的优点。此外，对非固支夹持端施加的预紧力可有效调节压电扭转俘能器的谐振频率。该操作简单易行。
2、本发明所设计的附加梁和质量块不仅具有调节谐振频率的功能，还具有调控电压幅值和俘能带宽的功能。此外，由于附加梁和质量块的调节过程具有可靠性高、制备方便和成本低等优点，进一步提高了其工程实用性。
3、本发明的附加梁因构型不对称易形成扭矩，故在振动过程中有助于增加能量输出，进而提高了能量转化效率。
基于上述理由本发明可在压电片D15模式应用领域和新能源技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的具体实施方式中一种基于D15模式的压电扭转俘能器的空间结构示意图。
图2为本发明的具体实施方式中一种基于D15模式的压电扭转俘能器的俯视图。
图3为本发明的具体实施方式中一种基于D15模式的压电扭转俘能器的主视图。
图4为本发明的具体实施方式中当施加不同预紧力时，激励频率对压电扭转俘能器电压的影响。
图5为本发明的具体实施方式中预紧力对压电扭转俘能器带宽的影响。
图6为本发明的具体实施方式中当第二侧梁的宽度Ws2变化时，激励频率对压电扭转俘能器电压的影响。
图7为本发明的具体实施方式中第二侧梁的宽度Ws2对压电扭转俘能器带宽的影响。
图8为本发明的具体实施方式中当质量块厚度Tm变化时，激励频率对压电扭转俘能器电压的影响。
图9为本发明的具体实施方式中质量块厚度Tm对压电扭转俘能器带宽的影响。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图9所示，一种基于D15模式的压电扭转俘能器，包括基体梁4和沿所述基体梁4轴线分布且对所述基体梁4施加扭矩的至少一个附加梁；
所述附加梁包括分别位于所述基体梁4两侧且一端与所述基体梁4连接的第一侧梁3和第二侧梁5；
所述第一侧梁3的自由端到所述基体梁4的距离与所述第二侧梁5的自由端到所述基体梁4的距离不等，且所述第二侧梁5的自由端到所述基体梁4的距离大于等于0；
所述第一侧梁3和所述第二侧梁5自由端上下表面均设有质量块2；
所述基体梁4两端均具有夹持端6，其中一个夹持端6固支，另一个仅可沿所述基体梁4的轴线移动，当沿所述基体梁的轴线对其施加预紧力P后，其固支；
靠近所述基体梁4夹持端6的上下表面均设有D15模式压电片1，所述D15模式压电片1与其相对应的所述夹持端6之间具有间隙ΔL。
所述D15模式压电片1与所述基体梁4粘结；
所述质量块2与所述第一侧梁3和所述第二侧梁5粘结。
所述基体梁4与所述第一侧梁3和所述第二侧梁5为一体结构。
所述D15模式压电片1之间并联。
本具体实施方式中所述D15模式压电片1(长Lp，宽W，厚Tp，极化方向沿宽度方向，电场方向沿长度方向)、所述质量块2(长L2，宽Wm，厚Tm)、所述第一侧梁3(长L2，宽Ws1，厚Tsh)、所述基体梁4(长L1+L2+L3，宽W，厚Tsh)和所述第二侧梁5(长L2，宽Ws2，厚Tsh)
图4所示为当施加不同预紧力P时，激励频率对压电扭转俘能器电压的影响。需要注意的是：压电扭转俘能器电压是指D15模式压电片1的并联电压。分析过程中D15模式压电片1的材料为PZT-5H，其他结构的材料均为弹簧钢(弹性模量为196.5GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3)。此外，分析中用到的尺寸参数包括L1＝L2＝30mm，Lp＝8mm，ΔL＝2mm，L2＝W＝5mm，Ws1＝22mm，Ws2＝6mm，Wm＝4mm，Tp＝0.2mm，Tsh＝Tm＝0.5mm。压电扭转俘能器的阻尼比为0.014且受到沿基体梁4厚度方向0.3G(1G＝9.8m/s2)的激励加速度。由图4可知：随着预紧力P的增大，压电扭转俘能器的一阶和二阶谐振频率均降低；一阶和二阶谐振频率对应的电压幅值均先增大后减小。但一阶谐振频率对应的电压幅值明显大于二阶谐振频率对应的电压幅值。
图5是根据图4中电压超过15V(图4中横线的电压为15V)的频带绘制的，描述了预紧力P对压电扭转俘能器带宽的影响。由图5可知：当施加的预紧力P一定时，二阶谐振频率处的带宽小于一阶谐振频率处的带宽。此外，施加的预紧力P越大，二阶谐振频率处的带宽先缓慢增加后明显减小；一阶谐振频率处的带宽先缓慢变化后明显减小。因此，为了满足压电扭转俘能器具有较低谐振频率和较大带宽的性能，需要合理施加预紧力P。
图6为当第二侧梁5的宽度Ws2变化时，激励频率对压电扭转俘能器电压的影响。分析过程中除了第二侧梁5宽度Ws2和施加15N的预紧力外，其他参数均与图4的相同。由图6可知：随着第二侧梁5宽度的增加，二阶谐振频率明显降低；一阶谐振频率虽下降，但变化不明显。故，一阶和二阶谐振频率的差值减小。此外，增大第二侧梁5宽度，有助于增加二阶谐振频率对应的电压幅值，但降低了一阶谐振频率对应的电压幅值。因此，在满足电压幅值的条件下，尽量增加第二侧梁5的宽度，有助于减小一阶和二阶谐振频率的差值。
图7是根据图6中电压超过15V(图6中横线的电压为15V)频带绘制的，描述了第二侧梁5宽度对压电扭转俘能器带宽的影响。由图7可知：一阶谐振频率处的带宽大于二阶谐振频率处的带宽。此外，随着第二侧梁5宽度的增加，二阶谐振频率处的带宽显著增加，但一阶谐振频率处的带宽略有增加。结合图6可知：增加第二侧梁5的宽度不仅有助于拓宽频带，还有助于减小一阶和二阶谐振频率的频差。
图8所示为当质量块2厚度Tm变化时，激励频率对压电扭转俘能器电压的影响。分析过程中除了质量块2厚度Tm和施加15N的预紧力，其他参数均与图4的相同。由图8可知：随着质量块2厚度的增加，一阶和二阶谐振频率均降低；其频差减小；但其对应的电压幅值增大。
图9是根据图8中电压超过15V(图8中横线的电压为15V)的频带绘制的，描述了质量块2厚度Tm对压电扭转俘能器带宽的影响。由图9可知：一阶谐振频率处的带宽大于二阶谐振频率处的带宽。此外，随着质量块2厚度Tm的增加，一阶和二阶谐振频率处的带宽均增加。结合图8可知：增加质量块2厚度Tm不仅有助于拓宽频带，减小频差，更利于增大电压幅值。
通过上述分析可知：通过调节附加梁和质量块2的结构参数以及对非固支夹持端6施加的预紧力P可以控制压电扭转俘能器的谐振频率、电压幅值和俘能带宽，进而为设计出环境适应性更好的压电扭转俘能器奠定了基础。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于D15模式的压电扭转俘能器，其特征在于，包括基体梁和沿所述基体梁轴线分布且对所述基体梁施加扭矩的至少一个附加梁；
所述附加梁包括分别位于所述基体梁两侧且一端与所述基体梁连接的第一侧梁和第二侧梁；
所述第一侧梁的自由端到所述基体梁的距离与所述第二侧梁的自由端到所述基体梁的距离不等，且所述第二侧梁的自由端到所述基体梁的距离大于等于0；
所述第一侧梁和所述第二侧梁自由端上下表面均设有质量块；
所述基体梁两端均具有夹持端，其中一个夹持端固支，另一个仅可沿所述基体梁的轴线移动，当沿所述基体梁的轴线对其施加预紧力后，其固支；
靠近所述基体梁夹持端的上下表面均设有D15模式压电片，所述D15模式压电片与其相对应的所述夹持端之间具有间隙。
2.根据权利要求1所述的压电扭转俘能器，其特征在于，所述D15模式压电片与所述基体梁粘结；所述质量块与所述第一侧梁和所述第二侧梁粘结。
3.根据权利要求1所述的压电扭转俘能器，其特征在于，所述基体梁与所述第一侧梁和所述第二侧梁为一体结构或之间通过焊接或铆接连接。
4.根据权利要求1所述的压电扭转俘能器，其特征在于，位于同一端的所述D15模式压电片串联或并联。
5.根据权利要求1所述的压电扭转俘能器，其特征在于，所述D15模式压电片之间串联或并联。
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