CN109039156B - 一种双梁弯扭耦合振动模式的压电俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双梁弯扭耦合振动模式的压电俘能器，包括：两个结构相同的主梁和一个横梁，第一压电悬臂主梁、第二压电悬臂主梁在水平方向上阵列排布，且两主梁之间间隔一定距离，两压电片分别粘贴在其上，压电悬臂横梁在水平面内垂直两压电主梁放置，压电悬臂横梁两端放置有大小不同的两个质量块。本发明采用双梁结构，并用压电悬臂横梁连接，使得双梁有相同振动输出相位，实现了无损串联，增大了系统输出功率；另一方面，引入带有双质量块的压电悬臂横梁，使得系统进行弯扭耦合振动，二阶模态频率大幅度降低，拓宽了系统俘频范围；改变两压电悬臂主梁的放置方式，来适应不同的振动环境。
Description
技术领域
本发明涉及压电发电领域，具体涉及一种弯扭耦合振动模式的压电俘能器，适用于低频、宽频环境下的能量收集。
背景技术
随着无线通讯与MEMS技术的不断发展，人们对于小尺寸的微电子设备需求越来越高，能收集周围环境振动能的能量收集器渐渐引起了国内外专家的关注。目前，国内外研究者提出将振动能量转化为电能的方式有三种：电磁式、压电式和静电式。其中，压电式能量收集器因具备小型化可与MEMS系统很好的集成、结构简单、无需启动电源、无污染、能量输出密度大等诸多优点，受到研究者的广泛重视。
目前，压电能量收集器主要采用的是悬臂梁式振动模式收集能量，并在悬臂梁末端添加质量块来降低俘能系统的结构阻尼，以达到增大输出功率和降低俘能频率的目的。然而这类单悬臂梁式能量采集器的谐振频率一般都偏高，无法适应日常生活中的低频振动环境；并且俘能器仅能在谐振频率附近很小的范围内收集能量，即收集外界能量的频率带宽很窄。所以，一些学者开始着手研究如何降低俘能器的谐振频率，拓宽其俘能频率以及提高俘能器的输出性能。马来西亚沙巴大学的Chow Man-Sang和Jedol Dayou提出了一种宽度分割法，即当悬臂梁总宽度一定，分成数个悬臂梁的情况下，减小每个压电悬臂梁的宽度能够有效降低机械阻尼，提高俘能系统在谐振状态下的输出。接着马来西亚沙巴大学的JedolDayou对其又提出了改进，在原有装置基础上，不同梁末端放置大小不一的质量块，从而产生不同梁之间的频率差，从而扩大了俘能系统的整体俘频带宽，但是各悬臂梁输出振动相位不一致，导致输出功率下降。重庆大学的陈永军，温泉等人设计了一种基于故障监测的MEMS压电能量收集器，该能量收集器采用了共质量块压电悬臂梁阵列结构。与普通的多梁俘能系统相比，共用一个质量块，结构上组成了串联结构，保证了各悬臂梁输出有同样的振动相位，实现了无损串联，增大了系统输出性能。但是，上述技术方案虽然使得压电收集器的性能提升，但是要么是提高了系统的输出功率，要么是提高了工作频带宽，并且一项指标的提升往往伴随着其他性能的降低，兼顾两者的压电俘能器还有待研究。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种双梁弯扭耦合振动式的压电悬臂梁。该结构通过双梁结构提高俘能系统输出频率，通过引入横梁上放置的不同大小质量块，从而产生弯扭耦合振动，提高俘能系统的带宽。该结构能够更好的适应周围的振动环境，在低频振动环境的下，转换更多的能量，有较大的输出功率。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种双梁弯扭耦合振动模式的压电俘能器结构，包括两个结构相同的主梁和一个横梁：第一压电悬臂主梁、第二压电悬臂主梁在水平方向上阵列排布，且两主梁之间间隔一定距离，压电悬臂横梁在水平面内垂直两压电主梁放置。其中压电悬臂主梁包括：基底片和压电片，压电片用导电胶GT530粘接在基底片的上表面，压电片和基底片上都通过焊接镀上一层金属电极，并外引出一根导线。压电悬臂横梁包括：基底片和两个大小、重量不等的质量块，分别用胶水粘接在基底片的两端。两个压电悬臂主梁的根部固定连接在基座上。
进一步地，根据Chow Man-Sang和Jedol Dayou提出的宽度分割法，悬臂梁总宽度一定的时候，系统主梁分为N个，外界引入一个d(t)＝d0sin(2πft)的正弦振动源用作系统激励，则俘能系统的输出开路电压为：
其中，A为基底层和压电层之间的厚度比，B为基底层和压电层之间的杨氏模量之比，N为主梁个数，g31为压电层材料的压电应力常数，L为压电层的长度，K为整体结构(压电层和基底层结构的复合)的弹性常数，d0为系统激励幅值，h＝1+A4(1-B)2-2A(2A2-3A+2)(1-B)，w为基底层的宽度，tb为压电层的厚度，ξ为系统结构的阻尼比，r为外界激励频率和系统谐振频率的比值，f为激振力的频率。
进一步地，系统包含一对放置在压电悬臂横梁上的不同重量的偏置质量块，通过该方式产生一个扭矩，使得压电悬臂主梁产生弯扭耦合振动。引入扭转运动后，随着不对称度的增加，系统的二阶模态频率会大幅度减小，使得二阶模态频率更靠近一阶模态频率，这意味着外界环境振动频率变化时，二阶模态频率附近也能收集能量，即弯扭耦合振动模式下的压电俘能器，能从更大范围内的激振频率中收集能量，拓宽了俘能系统的工作频带。
进一步地，上述两压电悬臂主梁设计方式分两种，第一种是两压电悬臂主梁相对压电悬臂横梁对称分布，随着两压电悬臂主梁距离的增大，系统阻尼比ξ降低，带入[0006]的式子中，输出开路电压增大，即在一定距离范围内，随着两压电悬臂主梁的间距增大，俘能系统能得到更大的输出电压。Ansys仿真软件验证了结果的真实性，并且发现随着两压电悬臂主梁间距的增大，输出电压增大的同时，系统的一阶模态频率与二阶模态频率也随之增大；第二种是两压电悬臂主梁相对压电悬臂横梁非对称分布，两者集中偏向横梁上大的质量块那端或者小的质量块那端。弯矩公式M＝F1L1-F2F2，其中F1为大的质量块的重力，L1为大的质量块到两压电悬臂主梁中心的距离，F2为小的质量块的重力，L2为小的质量块到两压电悬臂主梁中心的距离。两压电悬臂主梁偏向压电悬臂横梁上大的质量块那端时，由于L，1减小，L2增大，M减小，此时系统弯振模式占主导，系统在一阶模态处有较大的输出功率，二阶模态处输出功率较小。两压电悬臂主梁偏向压电悬臂横梁上小的质量块那端时，由于L1增大，L2减小，M增大此时系统扭转模式占主导，系统在一阶模态和二阶模态处有相近的输出功率，且一阶模态频率降低。根据外界实际应用情况使用不同两压电悬臂主梁位置的设计方案，比如环境中有2个不同激振频率的振动源时应采用两压电悬臂主梁偏向压电悬臂横梁上小的质量块那端的设计方案。
本发明的有益效果：①采用宽度分割法，在悬臂梁总宽度一定情况下，分割为两个压电悬臂主梁，提高了系统的输出电压。②通过横梁两端放置不同重量的质量块，使得悬臂梁产生弯扭耦合模式振动，从而使得二阶模态频率大幅度降低，拓宽了系统俘频范围。③可通过改变双压电悬臂主梁的位置分布情况，来适应不同振动环境。
附图说明
图1是本发明双梁弯扭耦合振动压电俘能器结构示意图；
图2是本发明双梁弯扭耦合振动压电俘能器的电路连接示意图；
图3是本发明主梁对称式放置压电俘能器的电压随频率变化曲线图；
图4是本发明主梁偏置向质量块5压电俘能器的电压随频率变化曲线图；
图5是本发明主梁偏置向质量块7压电俘能器的电压随频率变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种双梁弯扭耦合振动模式的压电俘能器，如图1所示，该俘能器包括：固定基座1，两个一端连接在固定基座1上的压电悬臂主梁2、8，压电层3、4分别用导电胶粘接在压电悬臂主梁2、8上，压电悬臂横梁6在同一水平面内与两个压电悬臂主梁垂直放置，并与其连接在一起，在压电悬臂横梁6的两端分别放置质量大小不一的两个质量块5、7，质量块通过胶水粘接在其上。在制作时，压电悬臂主梁2、8，压电悬臂横梁6由铜片直接裁剪为一个整体—基底层，此处分开是为了利于理解。压电悬臂主梁2、8的分布方式可根据环境需求，选择相对压电悬臂横梁6对称式分布或偏置分布，此处以对称式分布为例，且压电悬臂主梁2、8之间距离为主梁2的宽度。
如图2所示，压电悬臂主梁2上粘接有第一根导线9，其上的压电片8粘接有第二根导线10，并引出接到压电悬臂主梁8，其上的压电片4引出导线11，外接到外部供电系统。以往多梁系统，由于各梁振动相位不一致，导致各梁串联时各输出电压并不能完美叠加，会有一部分内耗，这里通过压电悬臂横梁将两根压电悬臂主梁连接在一起，系统的振动相位一致，实现了无损串联。
外界激励时，俘能器悬臂梁发生振动，压电悬臂横梁上的两个偏置质量块的放置最终产生一个扭矩，使得两压电悬臂主梁在弯曲振动的同时，也有扭转运动。弯扭耦合振动使得系统二阶模态频率大幅度降低，增大了系统俘频范围，总宽度一定的同时，分为两个压电悬臂主梁，使得系统输出功率提升，从而能在低频环境中，从更宽的频率范围内俘能，并且输出更大的电压。
如图3、4、5所示，选取适当的参数，仅改变两压电悬臂主梁的放置方式，分别为对称式的放置方式，偏置向质量块5的放置方式，以及偏置向质量块7的放置方式三种不同的放置方式。在ansys仿真软件中模拟，得到外界激励响应模型下的输出电压曲线，验证了上述理论的正确性，为后续俘能器的设计、性能优化以及研制提供理论指导。
以上结合附图，对本发明的具体实施方式进行了说明，但本实施例只给出了最简单基本的结构，实际上本发明的技术方案并不局限与上述实施方式，所属领域技术人员应该明白，在本发明的基础上，不需要付出创造性劳动即可做出的各种变形或改动仍在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种双梁弯扭耦合振动模式的压电俘能器，其特征在于，包括固定基座(1)，两个一端连接在固定基座(1)上的压电悬臂主梁(2、8)，压电层(3、4)分别用到点胶粘接在压电悬臂主梁(2、8)上，压电悬臂横梁(6)在同一水平面内与两个压电悬臂主梁垂直放置，并与其连接在一起，在压电悬臂横梁(6)的两端分别放置质量大小不一的两个质量块(5、7)；
其中，所述压电悬臂主梁(2、8)采用宽度分割法，在悬梁总宽度一定时，进行分割获得；
当外接激励时，浮能器悬臂梁发生振动，压电悬臂横梁上的两个偏置质量块产生弯曲与扭转的耦合。
2.根据权利要求1的双梁弯扭耦合的压电俘能器，其特征在于，可根据不同的外界环境，来选取两压电悬臂主梁的放置方式；包括两压电悬臂主梁相对压电悬臂横梁对称分布和非对称分布；
其中，两压电悬臂主梁相对压电悬臂横梁非对称分布时，两压电悬臂主梁集中偏向压电悬臂横梁上大的质量块端或小的质量块端。
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