CN109194193B - 桥式自适应压电能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥式自适应压电能量采集器，该采集器包括两端固定的单晶压电梁及设置在压电梁两端的活动质量块，压电梁横向中轴线的两侧对称开设有滑动通槽，质量块通过连接件对应吊装在滑动通槽中；质量块可随梁的振动在槽中移动；能够随着外界激励的变化，自动调整梁的谐振频率，与外激励相匹配，有效拓宽了能量收集频带，提升了电压输出，并且质量块能够自主移动到系统的平稳位置振动，使输出电压稳定，从而有效提高了振动能量收集效率。
Description
技术领域
本发明属于发电装置领域，具体涉及一种桥式自适应压电能量采集器。
背景技术
近年来，随着微电子和无线通讯技术的不断发展，推动了大规模无线传感器网络、可穿戴设备、物联网技术的进步，其在军事、医疗、环境监测、工业自动化等多个领域的应用备受瞩目。这些无线传感器网络、可穿戴设备均依靠传统电池提供电量，但是传统电池具有使用寿命短、体积大、污染环境等缺点，且在一些场合难以更新维护，给实际应用带来了困难，限制了无线传感器网络的大规模应用。
为解决上述问题，人们提出了压电振动发电技术。其中，悬臂梁式压电能量采集器因结构简单，易产生相对较大的应变，得到了广泛地设计和研究。但传统的悬臂梁式压电能量采集器，只在谐振频率下有较大电压输出，一旦偏离谐振频率，输出电压便骤然下降，而在实际应用中，环境频率往往在某一范围内不断变化，不具有固定周期，工作频率单一的悬臂梁式压电能量采集器已无法满足使用需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够自适应调整谐振频率的压电能量采集器，在实际应用中能够随着外部环境自适应调节谐振频率，提高振动能量采集效率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种桥式自适应压电能量采集器，包括压电梁、压电片以及质量块，压电梁两端固定形成桥，其横向中轴线的两侧对称开设有滑动通槽，压电片贴附在压电梁的上/下表面且对应位于两滑动通槽的侧面处，分别悬挂在压电梁两端的质量块各自通过连接件对应安装在横向中轴线两侧的滑动通槽上，质量块通过连接件可沿滑动通槽滑动或紧固在滑动通槽上。
进一步，滑动通槽的中轴线与压电梁的纵向中轴线重合，设置在滑动通槽两侧的压电片关于纵向中轴线对称。
进一步，压电梁的上、下表面均设有压电片。
进一步，开设在横向中轴线两侧的滑动通槽一端距离压电梁横向中轴线一定距离，另一端开至压电梁的固定端头处。
进一步，压电梁为板状单晶压电梁。
进一步，压电梁采用铜制成。
进一步，压电片采用PZT-51压电陶瓷制成。
进一步，质量块采用ABS树脂制成。
进一步，质量块通过连接件可拆卸安装在滑动通槽上。
本发明的有益效果在于：在频率不断变化或在一定范围内波动的环境振动中，该采集器不仅存在主共振与亚谐共振，而且移动质量块能够改变桥式压电梁结构的谐振频率，从而拓宽能量采集的频带，同时质量块与压电梁之间发生冲击，可提升桥式能量收集装置的电压输出，并且质量块能够自主地移动到某一位置进行平稳振动，保证了输出电压稳定。总的来说，该采集器能够随着外界激励或环境振动而自主调节谐振频率，能够有效拓宽能量收集频带，提升电压输出，从而提高振动能量收集效率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的主视图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的A-A截面示意图；
图4为质量块固定于压电梁上某一位置下的开路电压与激振频率的关系图；
图5为质量块固定于压电梁上某一位置在不同激励加速度下的开路电压与激振频率的关系图；
图6为质量块在压电梁上不同位置下的开路电压与激振频率关系图；
图7为质量块在压电梁上不同位置下的开路电压有效值与质量块位置关系图；
图8为在一确定激励频率与振幅下，移动质量块与固定质量块的开路电压时域图；
图9为质量块位于滑动通槽中靠近压电梁横向中心一端并随梁振动的移动曲线和开路电压时域响应曲线；
图10为质量块位于滑动通槽靠压电梁固定端头并随梁振动的移动曲线和开路电压时域响应曲线。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1、2、3所示，本发明中的桥式自适应压电能量采集器，包括压电梁1、压电片4以及质量块2，压电梁1两端固定形成桥，其横向中轴线的两侧对称开设有滑动通槽5，压电片4贴附在压电梁1上表面且对应位于两滑动通槽5的侧面处，分别悬挂在压电梁1两端的质量块2各自通过连接件3对应安装在横向中轴线两侧的滑动通槽5上，质量块2通过连接件3可沿滑动通槽滑动或是紧固在滑动通槽5上。
具体的，压电梁1为单晶压电梁，两个质量块可活动，单晶压电梁两端固定设置，即成桥式结构，此处的固定设置是指压电梁1通过固定件固定安装，如通过专用夹具固定、或通过螺钉等紧固件固定于墙壁等方式。
本实施例中，开设在横向中轴线两侧的滑动通槽5一端距离压电梁横向中轴线一定距离，另一端开至压电梁的固定端头处。在长度方向上，滑动通槽5的中轴线与压电梁1的纵向中轴线重合，滑动通槽两侧的压电梁1上表面均设有压电片且滑动通槽两侧的压电片关于纵向中轴线对称。两质量块2各自通过一个可拆卸的连接件3将质量块限定在滑动通槽5内。通过上述结构，当压电梁1在外界激励下振动，将带动其上质量块的振动与移动，质量块与压电梁间的冲击使系统电压输出提升，同时质量块位置的移动，改变了系统的谐振频率，并且质量块能够自主地移动到系统的平稳位置进行平稳振动，使输出电压更为稳定，从而能够有效提升压电振动发电装置的振动能量收集效率，有效解决了传统技术中单一激励频率与激励振幅下具有的输出问题。
本实施例中，质量块通过连接件3将其活动范围限定在压电梁1的滑动通槽5内，通过这种结构，质量块不仅可以固定于压电梁1上的某一位置，也可以在滑动通槽5内自由移动。
本实施例中，压电梁1上两滑动通槽5的长度可根据实验验证情况确定，当质量块越远离压电梁横向中轴线位置，输出电压越高；同时为保证较高的电压输出与能量转化效率，质量块的活动范围应限定在输出较高的范围内，故槽的长度应适当。
本实施例中，压电梁为板状结构，压电梁的上表面设置了压电片，通过这种结构，能够有效提高振动能量的收集效率以及提高电能的转化。当然，压电梁的上下表面均可设置压电片4，压电片4也可直接采用现有的压电片，并具有输出电极等结构，通过电极和导线与整流存储电路连接，比如陶瓷压电片，压电梁1采用金属材料，优选采用铜材料，下面以某一具体实例为例进行说明：
在本实例中，压电梁采用铜制成，压电片采用PZT-51压电陶瓷，质量块采用ABS树脂制成，实例中的具体参数如下表。
采用表中的参数，经过仿真与实验验证后，得到图4至图9的实验结果图。
从图4中可以看出：当质量块固定于压电梁1上某一位置时，输出电压存在两个峰值：第一个波峰所对应的频率即亚共振频率为22.5Hz，第二个波峰所对应的频率即主共振频率为38.4Hz，且在38.4～44Hz区间内，都有着良好的电压输出且在主共振频率附近，可以看到明显的跳跃现象。从33.8Hz到38.4Hz，电压幅值从0.032V突变到0.088V，输出电压得到了大幅提升。
从图5可以看出：随着激励加速度的增大，系统的输出电压也有所增大，表现出与图4相似的趋势，即具有主共振和亚谐共振，以及非线性系统所特有的跳跃现象。同时随着外部激励加速的提高，桥式压电结构的谐振频率逐渐前移。
图6和图7分别是在“扫频范围为20～80Hz、扫频时间为90s”的设定下得到的质量块固定于压电梁不同位置时系统输出电压的时间历程图和有效值的变化曲线。由于激振时间和扫频范围以及采集卡的采集频率相同，所以可以认为时域图中的每个时间点对应了相同的频率。
从图6可以看出：当质量块处于不同位置时，该采集器在达到最大输出电压时处于不同的激振频率，并且随着质量块的外移，主共振谐振频率逐渐升高，故而可说明质量块的移动，改变了系统的共振频率。
从图7可以看出：有效电压在质量块位于压电梁边缘的位置时值最大，为0.104V，质量块越接近梁的中心位置，输出电压越低，在质量块位于中心时有效输出电压最低，为0.017V。
从图8可以看出：质量块为自由移动时，系统的输出电压明显大于质量块固定时的输出电压，且质量块自由移动使输出电压在大部分时间里都保持在较高的电压输出，而质量块固定时，大部分时间都处于较低的电压输出状态，仅有在处于谐振时，峰值电压才仅能与移动质量块的输出电压相比。
从图9可以看出，在受到激励后，质量块无法在x＝-3稳定振动，而是逐渐偏离，并缓慢向x＝-3.5移动，直到在x＝-3.5处保持稳定的振动及输出。就电压而言，随着质量块从x＝-3逐渐向x＝-3.5移动，输出电压也随之增大，并在x＝-3.5有了较为平稳的输出，峰值电压能达到0.3V，这与图7得到的质量块不同位置下电压输出的趋势一致。
从图10可以看出，质量块无法在x＝-5稳定振动，而是逐渐向中心靠拢。此时的电压输出随着质量块逐渐偏离压电梁的边缘位置而减小，并且由于质量块的不稳定振动，导致电压输出也不稳定，但整体为下降趋势。质量块在达到x＝-3.5处后，开始在这个位置往复运动，输出电压变得平稳。可以看出，x＝-3.5是压电梁上的一个平衡位置，在这个位置上，质量块会更为平稳的振动，并输出稳定的电压，而这个位置由激振条件和质量块与压电梁之间的间隙和摩擦力等因素所综合决定。
本次试验是将桥式压电梁的中心位置设为0，压电梁的位置范围设定为[-6，6]，滑动通槽开于x＝-5至x＝-3和x＝5至x＝3范围。由于桥式梁本身具有的对称性，且质量块本身具有一定的宽度，故图4至图10仅在压电梁的[-5，0]位置范围内进行了研究。对于不同桥式梁及不同质量块的波动情况，其规律可推导得出，此处不再赘述。
综上可知：实际应用中，在频率不断变化或在一定范围内波动的环境振动中，该采集器不仅存在主共振与亚谐共振，而且移动质量块能够改变桥式压电梁结构的谐振频率，从而拓宽能量采集的频带，同时质量块与压电梁之间发生冲击，可提升桥式能量收集装置的电压输出，并且质量块能够自主地移动到某一位置进行平稳振动，保证了输出电压稳定。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种桥式自适应压电能量采集器，包括压电梁、压电片以及质量块，其特征在于：压电梁两端固定形成桥，其横向中轴线的两侧对称开设有滑动通槽，压电片贴附在压电梁的上和/或下表面且对应位于两滑动通槽的两侧，分别悬挂在压电梁两端的质量块各自通过连接件对应安装在横向中轴线两侧的滑动通槽上，质量块通过连接件可沿滑动通槽滑动至压电梁的平衡位置，该平衡位置由质量块与压电梁之间的间隙和摩擦力决定；滑动通槽的中轴线与压电梁的纵向中轴线重合，设置在滑动通槽两侧的压电片关于纵向中轴线对称；开设在横向中轴线两侧的滑动通槽一端距离压电梁横向中轴线一定距离，另一端开至压电梁的固定端头处。
2.根据权利要求1所述的桥式自适应压电能量采集器，其特征在于：压电梁的上、下表面均设有压电片。
3.根据权利要求1～2任一所述的桥式自适应压电能量采集器，其特征在于：压电梁为板状单晶压电梁。
4.根据权利要求3所述的桥式自适应压电能量采集器，其特征在于：压电梁采用铜制成。
5.根据权利要求4所述的桥式自适应压电能量采集器，其特征在于：压电片采用PZT-51压电陶瓷制成。
6.根据权利要求5所述的桥式自适应压电能量采集器，其特征在于：质量块采用ABS树脂制成。
7.根据权利要求1所述的桥式自适应压电能量采集器，其特征在于：质量块通过连接件可拆卸安装在滑动通槽上。
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