CN108847785A - 基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置，包括呈“冂”字形的外梁，外梁水平设置，外梁自由端的顶部粘接有第一质量块；外梁内部设有波纹形的压电内梁，压电内梁的一端粘接于第一质量块底部，压电内梁另一端的顶部粘接有第二质量块；所述压电内梁包含波纹形基底，波纹形基底的顶面与底面分别敷设有PVDF薄膜；压电内梁受外界振源激励上下振动，并通过PVDF薄膜产生压电效应，在振动时上下表面产生电势差，实现将机械能转化为电能；可通过在内梁的上下表面连接导线，实现电压的输出；本发明能够大幅度降低压电式振动能量采集器的固有频率，拓宽带宽，能够感应环境中微弱的振动。
Description
技术领域
本发明涉及微机电设备技术领域，具体是基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置。
背景技术
随着来无线传感网络的发展，传感器节点已被应用于环境监测、农业应用、生命健康以及交通管控等领域，而节点供能是目前亟待解决的关键问题。传统的节点供能方式存在容量小、难更换等不足，采用环境能量获取的方式是一种有效解决途径。
目前，能量收集方式分为压电式、电磁式和静电式等，其中压电式能量收集技术因结构简单、能量密度高、环境友好、不受电磁干扰等优点而被广泛应用于振动能量收集技术。车辆驶过的路面、工作中的机器、运动的人体等都是环境中常见的振动源，它们振动频率约在0Hz～250Hz之间，属于低频振动。因此，用于振动能量收集的压电振子应在此范围内应有多阶谐振频率或较宽的工作频带。
传统的单自由度压电振子因其结构紧凑、简单而被广泛应用，但其仍然存在固有频率高、能量收集效率低等不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置，该采集装置能够降低固有频率，拓宽带宽，感应环境中微弱的振动。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置，包括呈“冂”字形的外梁，外梁水平设置，外梁自由端的顶部粘接有第一质量块；外梁内部设有波纹形的压电内梁，压电内梁的一端粘接于第一质量块底部，压电内梁另一端的顶部粘接有第二质量块；所述压电内梁包含波纹形基底，波纹形基底的顶面与底面分别敷设有PVDF薄膜。
进一步的，所述外梁为铝制。
进一步的，所述第一质量块与第二质量块均为长方体钢块，第一质量块的体积大于第二质量块。
进一步的，所述压电内梁呈正弦波形。
本发明的有益效果是，外梁与压电内梁的自由端分别附着有第一质量块与第二质量块，且外梁封闭端为固定端；工作时，外梁的封闭端固定，压电内梁受外界振源激励上下振动，并通过PVDF薄膜产生压电效应，在振动时上下表面产生电势差，实现将机械能转化为电能；可通过在内梁的上下表面连接导线，实现电压的输出；本发明的特有结构设计能够大幅度降低压电式振动能量采集器的固有频率，拓宽带宽，能够感应环境中微弱的振动。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的爆炸示意图；
图3是本发明压电内梁的侧视局部放大示意图。
具体实施方式
结合图1与图2所示，本发明提供基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置，包括呈“冂”字形的外梁1，外梁1水平设置，外梁1的开口端为自由端，外梁1的封闭端为固定端，外梁1自由端的顶部粘接有第一质量块2；外梁1内部设有波纹形的压电内梁3，压电内梁3的一端粘接于第一质量块2底部，压电内梁3另一端的顶部粘接有第二质量块4；压电内梁3连接第一质量块2的一端为固定端，压电内梁3连接第二质量块4的一端为自由端。
作为优选的，结合图3所示，压电内梁3呈正弦波形，压电内梁3包含波纹形基底3a，波纹形基底3a的顶面与底面分别敷设有上PVDF薄膜3b与下PVDF薄膜3c，上PVDF薄膜3b与下PVDF薄膜3c分别连接有导线5。
作为优选的，外梁1为铝制。第一质量块2与第二质量块4均为长方体钢块，第一质量块2的体积大于第二质量块4。
外梁与压电内梁的自由端分别附着有第一质量块与第二质量块，且外梁封闭端为固定端；工作时，外梁的封闭端固定，压电内梁受外界振源激励上下振动，并通过PVDF薄膜产生压电效应，在振动时上下表面产生电势差，实现将机械能转化为电能；通过在内梁的上下表面连接导线，实现电压的输出；本发明的特有结构设计能够大幅度降低压电式振动能量采集器的固有频率，拓宽带宽，能够感应环境中微弱的振动。在具体应用时，还可以在PVDF薄膜上涂覆防水涂层，用于收集水流动时的振动能量，也可以将其放入其他振动环境中收集振动能量，由于PVDF薄膜的低杨氏模量使能量采集装置非常灵活并且对微弱振动更加敏感，为植入式电子设备和无线传感器的供电提供了一种有效途径。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (4)
1.基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置，其特征在于，包括呈“冂”字形的外梁，外梁水平设置，外梁自由端的顶部粘接有第一质量块；外梁内部设有波纹形的压电内梁，压电内梁的一端粘接于第一质量块底部，压电内梁另一端的顶部粘接有第二质量块；所述压电内梁包含波纹形基底，波纹形基底的顶面与底面分别敷设有PVDF薄膜。
2.根据权利要求1所述的基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置，其特征在于，所述外梁为铝制。
3.根据权利要求1或2所述的基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置，其特征在于，所述第一质量块与第二质量块均为长方体钢块，第一质量块的体积大于第二质量块。
4.根据权利要求1所述的基于波纹梁的两自由度低频振动能量采集装置，其特征在于，所述压电内梁呈正弦波形。
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| CN104993738A (zh) * | 2015-07-09 | 2015-10-21 | 清华大学深圳研究生院 | 一种压电能量收集器 |
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