CN108964519A - 一种基于rl共振电路的板式能量俘获结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构及方法，在板式宿结构上粘接压电片，压电片随着板式宿结构的振动而发生形变，产生压电效应，即俘获物体的振动运动能量而产生可利用的电能。在压电片的电极两端串联外接电路，外接电路包括由电阻和电感组成的RL振动共振电路和储能电路，利用电感和电阻的共振电路中的电能为压电片提供电压，产生逆压电效应，反过来为板式宿结构提供振动能量，再利用振荡共振电路中的振动响应频率与板式宿结构和压电片组成的整体结构的机械振动响应频率相耦合，产生共振，来提高整体结构的能量俘获效率。本发明具有较好的工程可实现性，为振动能量俘获提供了一种新的方法，且能量俘获效率将更高，效果更好。

Description

一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构及方法

技术领域

本发明涉及一种利用外接电路的振荡电路共振特性提高振动能量俘获效率的结构及方法，具体为一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构及方法。

背景技术

现阶段振动能量俘获的外接电路多为直接储能的形式来进行俘能，如使用单一电阻作为外接电路来使用振动俘获的电能，并没有充分考虑外接电路自身的电气特性对能量俘获效率的影响。为了更加高效地俘获振动能量，本发明设计了RL共振电路，并与板式能量俘获结构相结合，组成了高效的RL共振能量俘获板，即发明了一种基于RL共振电路板式能量俘获方法共振电路。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，更加高效地俘获振动能量，本发明提出了一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构及方法，其原理是：在板式宿结构上粘接压电片，压电片随着板式宿结构的振动而发生形变，产生压电效应，即俘获物体的振动运动能量而产生可利用的电能。在压电片的电极两端串联外接电路，外接电路包括由电阻和电感组成的RL振动共振电路和储能电路，利用电感和电阻的共振电路中的电能为压电片提供电压，产生逆压电效应，反过来为板式宿结构提供振动能量，再利用振荡共振电路中的振动响应频率与板式宿结构和压电片组成的整体结构的机械振动响应频率相耦合，产生共振，来提高整体结构的能量俘获效率。

本发明的技术方案为：

所述一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构，其特征在于：包括压电片、板式宿结构和外接电路；所述压电片完全贴附固定在板式宿结构上；所述外接电路包括振荡共振电路和储能电路，振荡共振电路的振荡频率与压电片和板式宿结构组成的整体结构的振动响应频率接近，满足振荡频率与振动响应频率产生共振要求；所述外接电路包括RL振荡共振电路和储能电路，压电片的电极两端串联RL振荡共振电路；振荡共振电路并联储能电路。

进一步的优选方案，所述一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构，其特征在于：振荡共振电路的振荡频率与压电片和板式宿结构组成的整体结构的振动响应频率差距不超过3Hz。

进一步的优选方案，所述一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构，其特征在于：振荡共振电路采用电阻和电感串联形式的RL振荡共振电路。

进一步的优选方案，所述一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构，其特征在于：振荡共振电路的振荡频率可调，能够根据压电片和板式宿结构组成的整体结构的振动响应频率进行调整，以满足振荡频率与振动响应频率产生共振要求。

利用上述结构实现能量俘获的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：压电片和板式宿结构组成的整体结构接收外部激励；

步骤2：压电片随板式宿结构共同振动，压电片内部产生电荷移动，压电片电极产生电压，输出到外接电路，将振动能量转换为电能；

步骤3：外接电路接收的一部分电能输出至储能电路，外接电路接收的另一部分电能输出至RL振荡共振电路，通过振荡电压形式提供给压电片，产生逆压电效应，为压电片和板式宿结构组成的整体结构增加了由RL振荡共振电路产生的激励振动，并与所述整体结构自身的振动耦合，强化力电耦合特性。

有益效果

本发明的优点是：通过将压电片粘接在板式宿结构表面，俘获板式宿结构的结构振动能量来转化为电能；再利用压电片串联电感和电阻的振荡共振电路来反向作用于板式宿结构，两种振动耦合在一起增大整体结构的能量俘获效率，相对于直接俘获板式宿结构的振动能量，本发明能量俘获效率更高。本发明充分结合电学与动力学的基础原理，原理简单具有较好的工程应用价值，容易实现，为振动能量俘获提供了一种新的方法，且能量俘获效率将更高，效果更好。在未来振动能量俘获领域内可以广泛使用，商业价值较高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明板式振动能量俘获结构的三维图；

图2是本发明板式振动能量俘获结构的二维截面示意图。

参照附图，本发明中包括压电部分1、压电片11、压电片电极12、板式宿结构2、外接电路3、电感31、共振电阻32、储能电阻33、安装台4。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明中板式宿结构具体形式不限，可为简支板或固支板等结构。

下面实施方式中以板式宿结构为悬臂板为例，如图1、2所示，本发明是这样来工作和实施的，一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构，其中包括压电部分1、悬臂板2、外接电路3、悬臂板安装台4；压电部分1分为压电片11和压电片电极12；外接电路3包括电感31、共振电阻32、储能电阻33。

所述压电部分1中压电片11粘接在悬臂板2上，RL振荡共振电路由电感31和共振电阻32组成，储能电路用储能电阻33表示。如图2所示，悬臂板2一端固定在悬臂板安装台4上，当悬臂板2振动时，由于压电片11与悬臂板2粘接在一起，压电片11随悬臂板2一起振动；由于压电效应，压电片11内部产生电荷移动，压电片电极12产生电压，将悬臂板2的振动能量转换为电能；压电片电极12产生电压在外接电路3中一部分通过电感31和共振电阻32组成的振荡共振电路，另一部分通过储能电阻33表示的储能电路；由于电感31和共振电阻32之间形成共振电路，反过来为压电片11提供电能，产生逆压电效应，带有振荡电压的逆压电效应表现为悬臂板2又增加了一部分外接电路3提供的外激励振动，通过压电部分1以及悬臂板2自身的振动和外接电路3中由电感31和共振电阻32组成的振荡电路提供的外激励振动相互耦合，此时相对于不形成振荡效应的外接电路3中只有电阻32组成的储能电路的情况而言，有振荡电路的外接电路3，即同时有电感31和共振电阻32的外接电路3体现为强化了力电耦合特性，提高了外接电路3的振动能量俘获效率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构，其特征在于：包括压电片、板式宿结构和外接电路；所述压电片完全贴附固定在板式宿结构上；所述外接电路包括振荡共振电路和储能电路，振荡共振电路的振荡频率与压电片和板式宿结构组成的整体结构的振动响应频率接近，满足振荡频率与振动响应频率产生共振要求；所述外接电路包括RL振荡共振电路和储能电路，压电片的电极两端串联RL振荡共振电路；振荡共振电路并联储能电路。

2.根据权利要求1所述一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构，其特征在于：振荡共振电路的振荡频率与压电片和板式宿结构组成的整体结构的振动响应频率差距不超过3Hz。

3.根据权利要求2所述一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构，其特征在于：振荡共振电路采用电阻和电感串联形式的RL振荡共振电路。

4.根据权利要求3所述一种基于RL共振电路的板式能量俘获结构，其特征在于：振荡共振电路的振荡频率可调，能够根据压电片和板式宿结构组成的整体结构的振动响应频率进行调整，以满足振荡频率与振动响应频率产生共振要求。

5.利用权利要求1所述结构实现能量俘获的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：压电片和板式宿结构组成的整体结构接收外部激励；

步骤2：压电片随板式宿结构共同振动，压电片内部产生电荷移动，压电片电极产生电压，输出到外接电路，将振动能量转换为电能；

步骤3：外接电路接收的一部分电能输出至储能电路，外接电路接收的另一部分电能输出至RL振荡共振电路，通过振荡电压形式提供给压电片，产生逆压电效应，为压电片和板式宿结构组成的整体结构增加了由RL振荡共振电路产生的激励振动，并与所述整体结构自身的振动耦合，强化力电耦合特性。