CN108847786B - 一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器，包括主梁和沿所述主梁轴线分布的至少一组侧梁组；所述侧梁组包括位于所述主梁两侧且一端与所述主梁连接的侧梁；所述侧梁自由端上下表面均设有质量块；所述主梁两端的上下表面均设有压电片；所述主梁两端均具有夹持端，其中一个夹持端固支，另一个仅可沿所述主梁的轴线移动。本发明所提出的预压俘能器，具有可调频、高幅值和大带宽的优点。通过改变侧梁、主梁和质量块的结构和材料参数以及对非固支夹持端施加的轴向力，即可实现预压俘能器的谐振频率、电压幅值、位移幅值以及带宽的调节。因提出的预压俘能器具有结构简单、易于制备、成本低且操作方便等优点，故其工程实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器，属于振动检测、压电发电与能量回收技术领域。
背景技术
随着微电子技术和无线通信技术的飞速发展，使得无线传感器、植入式设备和健康监测设备等低功耗设备在工业、交通、军事、医疗等多个领域得到广泛应用。大多数电子器件所需的能量是由传统化学电池提供的。但因传统电池具有体积大、寿命短、更换困难和污染环境等不可避免的缺点，使其难以满足微器件和低功耗设备的工业需求。目前，压电俘能器因具有结构简单、高能量密度、易小型化和集成化等优点，受到越来越多的关注。
尽管压电俘能器的类型多种多样，但当振动频率稍微远离俘能器的谐振频率时，俘能器的性能明显下降，严重影响了俘能器在不同振动环境中应用。为此，研究人员提出了具有自动调频和宽频的压电俘能器。例如：一种可调频阵列式压电俘能器，该俘能器通过改变压电堆栈的频率实现俘能器的调频。由于压电堆栈与铝合金基板粘接，使其调节过程较为复杂，调节频率范围有限。现有技术提出通过轴向力调节俘能器的谐振频率，但轴向力调节俘能器的谐振频率范围依然有限。一种压电-电磁复合式低频带宽俘能器，虽然该俘能器可以通过压电俘能和电磁俘能来增加俘能器的带宽，但无法实时调节俘能器的谐振频率；此外，混合式俘能器还存在制备过程复杂和体积较大等不足。
因此，通过上述分析可知：在可调频和宽频方面，现有压电俘能器依然存在制备过程复杂、体积大和调频范围有限等问题。为此，急需设计一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器。通过调节所述侧梁、所述主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轴向力，改变所述预压俘能器的等效刚度和等效质量，进而实现所述预压俘能器的谐振频率、电压幅值、位移幅值以及带宽的调节。
本发明采用的技术手段如下：
一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器，包括主梁和沿所述主梁轴线分布的至少一组侧梁组；
所述侧梁组包括位于所述主梁两侧且一端与所述主梁连接的侧梁；
所述侧梁自由端上下表面均设有质量块；
所述主梁两端的上下表面均设有压电片；
所述主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)，另一个仅可沿所述主梁的轴线移动，其移动是依靠外力做功使所述主梁发生弹性变形实现的，当沿所述主梁的轴线对其施加压力后，其固支。
工作状态下，通过调节所述侧梁、所述主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轴向力，改变所述预压俘能器的等效刚度和等效质量，进而实现所述预压俘能器的谐振频率、电压幅值、位移幅值以及带宽的调节。
所述压电片与所述主梁粘结；
所述质量块与所述侧梁粘结。
所述主梁和所述侧梁为一体结构或之间通过胶接、铆接等方式连接。
位于同一端的所述压电片串联或并联。
所述压电片之间串联或并联。
本发明具有以下优点：
1)本发明所提出的预压俘能器，具有可调频、高幅值和大带宽的优点。通过改变侧梁、主梁和质量块的结构和材料参数以及对非固支夹持端施加的轴向力，即可实现预压俘能器的谐振频率、电压幅值、位移幅值以及带宽的调节。因提出的预压俘能器具有结构简单、易于制备、成本低且操作方便等优点，故其工程实用性强。
2)通过改变侧梁和质量块的结构和材料参数，预压俘能器的等效质量meq改变，但其等效刚度keq基本不变，故谐振频率改变，从而扩大了预压俘能器的调频范围，进而提高了其环境适应性，拓宽了其应用领域。
3)本发明所设计的侧梁和质量块除了具有调频功能外，还具有增大预压俘能器位移幅值的特点，该特点在工程实践中有助于检测环境中的振动。
基于上述理由本发明可在振动检测、压电发电与能量回收等技术领域广泛推广。
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具有可调频、高幅值和大带宽的预压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具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器的俯视图。
图3为本发明的具体实施方式中一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器的侧视图。
图4为本发明的具体实施方式中轴向力P对预压俘能器谐振频率，电压幅值，位移幅值和带宽的影响曲线。
图5为本发明的具体实施方式中侧梁宽度Ws对预压俘能器谐振频率，电压幅值，位移幅值和带宽的影响曲线。
图6为本发明的具体实施方式中质量块厚度tm对预压俘能器谐振频率，电压幅值，位移幅值和带宽的影响曲线。
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6所示，一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器，包括主梁2和沿所述主梁2轴线分布的一组侧梁组；
所述侧梁组包括位于所述主梁2两侧且一端与所述主梁2连接的侧梁3；所述主梁2和所述侧梁3为一体结构。
所述侧梁3自由端上下表面均粘结有质量块4；
所述主梁2两端的上下表面均粘结有压电片1；所述压电片1之间并联。
所述主梁2两端均具有夹持端5，其中一个夹持端5固支，另一个仅可沿所述主梁2的轴线移动，施加轴向力P后，其固支。
本具体实施方式中所述压电片1(长lp，宽W，厚tp)、所述主梁2(长lm1+l1+lm2，宽W，厚tsh)、所述侧梁3(长l1，宽Ws，厚tsh)、所述质量块4(长l1，宽Wm，厚tm)。
图4所示为通过谐响应分析得到的轴向力P对预压俘能器谐振频率，电压幅值，位移幅值以及带宽的影响。分析过程中压电片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lm1＝lm2＝30mm，lp＝8mm，l1＝W＝5mm，Ws＝22mm，Wm＝4mm，tp＝0.2mm，tsh＝tm＝0.5mm。当预压俘能器阻尼比为0.014且受到沿主梁2厚度方向0.64G(1G＝9.8m/s2)的激励加速度时，轴向力P对预压俘能器性能的影响如图4(b)-(d)。图4(d)中带宽对应的电压均超过4V。由图4可知：随着轴向力P的增大，预压俘能器的谐振频率降低，电压幅值、位移幅值和带宽均增大。
图5为侧梁3宽度Ws对预压俘能器谐振频率，电压幅值，位移幅值和带宽的影响。分析过程中除了侧梁3宽度Ws和施加P＝30N的轴向力外，其他参数均与图4的相同。由图5可知：随着侧梁3宽度的增加，谐振频率降低，电压幅值和位移幅值增大，带宽先升高后降低。因此，为了扩大预压俘能器的带宽，需要合理设计侧梁3宽度。
图6所示为通过谐响应分析得到的质量块4厚度tm对预压俘能器谐振频率，电压幅值，位移幅值和带宽的影响。分析过程中除了质量块4厚度tm和施加P＝30N的轴向力外，其他参数均与图4的相同。由图6可知：随着质量块4厚度tm的增加，谐振频率降低，电压幅值、位移幅值和带宽均增大。
此外，需要注意的是：因距侧梁3自由端2mm处的位移幅值比主梁2中心位移幅值大，如图4(c)、图5(c)和图6(c)所示；所以，所述预压俘能器实现了中心位移的放大。该特点在工程实践中有助于检测环境中的振动，进而扩大了预压俘能器的应用范围。
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)
1.一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器，其特征在于，包括主梁和沿所述主梁轴线分布的至少一组侧梁组；
所述侧梁组包括位于所述主梁两侧且一端与所述主梁连接的侧梁；
所述侧梁自由端上下表面均设有质量块；
所述主梁两端的上下表面均设有压电片；
所述主梁两端均具有夹持端，其中一个夹持端固支，另一个仅可沿所述主梁的轴线移动，当沿所述主梁的轴线对其施加轴向力后，其固支。
2.根据权利要求1所述的预压俘能器，其特征在于：所述压电片与所述主梁粘结；
所述质量块与所述侧梁粘结。
3.根据权利要求1所述的预压俘能器，其特征在于：所述主梁和所述侧梁为一体结构或之间通过胶接或铆接连接。
4.根据权利要求1所述的预压俘能器，其特征在于，位于同一端的所述压电片串联或并联。
5.根据权利要求1所述的预压俘能器，其特征在于，所述压电片之间串联或并联。
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