CN110071661B - 一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，包括基座和四个压电能量回收模块，所述压电能量回收模块设置有四个，每个压电能量回收模块的通过基座上的安装孔水平固定在基座上；所述压电能量回收模块包括第一L型压电悬臂梁、第二L型压电悬臂梁、质量块、压电材料和自适应调频模块，调频底座垂直于近基座端端面的两个侧面上均设置有中部插接口和端部插接口，中部插接口设置在调频底座侧面的中部，端部插接口设置在调频底座侧面远离近基座端的一侧，端部插接口用于插接第一L型压电悬臂梁，中部插接口用于插接第二L型压电悬臂梁；本发明具有低频振动收集能力、宽频带振动收集能力，且能量输出功率大，体积小。
Description
技术领域
本发明涉及基于压电材料的振动能量回收领域，适用于给无线传感节点或低功耗电子设备功能，尤其涉及一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置。
背景技术
随着无线传感技术和低功耗电子设备的发展，利用能量收集装置从环境中收集能量给无线传感节点或低功耗电子设备供电已经成为可能。目前，在已有的几类能量回收技术中，基于压电材料的振动能量回收技术具有结构简单、能量密度高、易于集成等优点，已得到广泛的研究和应用。压电能量收集关键技术主要有宽频带能量收集、低频振动收集能力、及高性能收集电路。
就宽频带能量收集技术目前主要可分为两类。第一类是设计自身谐振频率可调谐的结构，有力学和电学调节两种办法。第二类是宽带响应设计，使得能量收集装置可工作在一定宽度的频带上方法有：多模态法、引入限幅器、利用耦合振子、双稳态结构和增加阻尼等。低频振动收集能力主要有两种方案：一是通过增大质量或减小刚度来降低能量收集技术的谐振频率，使之与激励源频率相同；二是利用频率变频技术FUT将低频振动转换为高频振动再吸收利用。
然而现有的低频振动能量回收和宽带频率响应特性导致现有装置结构不够紧凑，占地比较大，同时能量输出比较低，因此，如何提高结构紧凑度和能量输出率是本领域十分重要的研究方向。
针对提高压电能量回收装置在低频振动能量回收和宽带频率响应特性两个方面的性能，并经过结构的合理布置使得装置更加简单紧凑，并且具有能量输出功率大等特点。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的压电能量回收装置结构不够紧凑且能量输出较低的问题，针对提高压电能量回收装置在低频振动能量回收和宽带频率响应特性两个方面的性能，提出了一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，能够通过结构的合理布置使得装置更加简单紧凑，并且具有能量输出功率大等特点。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，包括基座和四个压电能量回收模块，所述基座为水平方向横截面呈八面体状的柱体，基座上设置有四个安装孔，四个安装孔间隔分布在基座的八个侧面上；所述压电能量回收模块设置有四个，每个压电能量回收模块的通过基座上的安装孔水平固定在基座上；
所述压电能量回收模块包括第一L型压电悬臂梁、第二L型压电悬臂梁、质量块、压电材料和自适应调频模块，所述自适应调频模块包括调频底座、滑块和弹簧，所述调频底座的上端面上设置有滑槽，滑块套装在调频底座上端面的滑槽内，滑块的两端通过两根弹簧连接到滑槽的两个端面上；所述调频底座的近基座端插接在基座的安装孔内，调频底座垂直于近基座端端面的两个侧面上均设置有中部插接口和端部插接口，中部插接口设置在调频底座侧面的中部，端部插接口设置在调频底座侧面远离近基座端的一侧，端部插接口用于插接第一L型压电悬臂梁，中部插接口用于插接第二L型压电悬臂梁；
所述第一L型压电悬臂梁由第一长臂边和第一短臂边组成，所述第一长臂边和第一短臂边相互垂直设置且一体式成型，第一长臂边的一端连接第一短臂边，第一长臂边的另一端插接在调频底座的端部插接口上，所述第一长臂边的上表面上覆盖有压电材料，所述第一短臂边的端部设置有质量块；
所述第二L型压电悬臂梁由第二长臂边和第二短臂边组成，所述第二长臂边和第二短臂边相互垂直设置且一体式成型，第二长臂边的一端连接第二短臂边，第二长臂边的另一端插接在调频底座的中部插接口上，所述第二长臂边的上表面上覆盖有压电材料，所述第二短臂边的端部设置有质量块；
所述第二L型压电悬臂梁的第二长臂边的长度比第一L型压电悬臂梁的第一短臂边的长度短，第一L型压电悬臂梁和第二L型压电悬臂梁连接在调频底座的不同侧面上；四个压电能量回收模块的自适应调频模块上插接第一L型压电悬臂梁和第二L型压电悬臂梁后构成回形结构。
进一步的，所述第一长臂边和第二长臂边的宽度相同，第一短臂边和第二短臂边的宽度相同。
进一步的，所述压电材料呈板状，第一长臂边上的压电材料的宽度与第一长臂边的宽度相同，第一长臂边上的压电材料的长度略低于第一长臂边的长度；第二长臂边上的压电材料的宽度与第二长臂边的宽度相同；第二长臂边上的压电材料的长度略低于第二长臂边的长度。
进一步的，所述基座上的安装侧面设置有螺栓固定孔，通过穿过螺栓固定孔的螺栓将插接在安装孔上的调频底座固定。
进一步的，所述调频底座的中部插接口和端部插接口的底部均设置有螺栓固定孔，通过穿过螺栓固定孔的螺栓将插接在中部插接口和端部插接口上的第一L型压电悬臂梁和第二L型压电悬臂梁固定。
进一步的，所述质量块通过螺栓安装在第一L型压电悬臂梁的第一短臂边和第二L型压电悬臂梁的第二短臂边端部，质量块的质量根据环境条件更换，能够适应不同频率的环境。
进一步的，滑块两端连接的弹簧长度和弹性模量均相同。
本发明的具体工作流程如下：将本装置通过基座安装在有振动源的环境中，当环境中产生振动时，该装置的第一L型悬臂梁和第二L型悬臂梁将因为受到激励而产生振动，进而产生形变；压电材料贴附在第一L型悬臂梁和第二L型悬臂梁上同样会受到形变的影响产生形变，进而实现能量收集。质量块可以调节第一L型悬臂梁和第二L型悬臂梁谐振频率，自适应调频模块上配置滑槽、弹簧和滑块，滑块在平衡状态下位于滑块中间，自适应调频模块利用调整整个系统的重心来提高整个装置的频率相应范围，当系统受到激励时整个装置处于非平衡状态，此时滑块能够在滑槽内移动，使得整个系统的重心得以调整，进而调整整个装置的谐振频率；当系统处于平衡状态时，滑块在弹簧的作用下恢复到初始状态。
本发明的有益效果在于：
1、本发明具有低频振动收集能力、高频带振动收集能力，且能量输出功率大，体积小。
2、本发明的每个自适应调频模块上均设置有第一L型悬臂梁和第二L型悬臂梁，且第一L型悬臂梁和第二L型悬臂梁的大小不同，能够同时满足低频振动收集能力和高频带振动收集能力，间接提高了能量输出功率。
3、本发明通过第一L型悬臂梁和第二L型悬臂梁使一阶固有频率和二阶固有频率之间更加靠近，第一L型悬臂梁和第二L型悬臂梁的叠加使整体的频率近似为宽屏结构，从而实现多模态的方法提高宽频带。
4、由于正常环境中振动源频率都比较低，本发明为了具有低频振动收集能力在第一L型悬臂梁和第二L型悬臂梁的自由端加了一个质量块，通过增大质量来降低系统中的谐振频率，使之与激励源频率相同，使得系统具有低频振动收集能力，提高系统的转化效率，而且质量块质量可以根据环境条件进行更换，适应不同频率的环境。
5、本发明采用第一L型悬臂梁和第二L型悬臂梁的L型结构在相同条件下使得系统的刚度降低，进而降低系统的谐振频率，缩短L型悬臂梁的多阶谐振频率之间的差距，提高整体结构能量补货频率。
6、本发明的自适应调频模块上配置滑槽、弹簧和滑块，滑块在平衡状态下位于滑块中间，自适应调频模块利用调整整个系统的重心来提高整个装置的频率相应范围，当系统受到激励时整个装置处于非平衡状态，此时滑块能够在滑槽内移动，使得整个系统的重心得以调整，进而调整整个装置的谐振频率；当系统处于平衡状态时，滑块在弹簧的作用下恢复到初始状态。
7、本发明采用四组L型悬梁臂结构，整体呈回形布置，呈现出近似于对称布置的阵列布置，在压电转换效率较低的情况下，同样的振动可以达到原先单悬臂梁功率的四倍，同时采用回形布置极大减少了整个装置的体积。
附图说明
图1是本发明一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置的整体结构示意图。
图2是本发明压电能量回收模块的结构示意图。
图3是本发明自适应调频模块的结构示意图。
图中，1-基座、2-压电能量回收模块、3-第一L型压电悬臂梁、4-第二L型压电悬臂梁、5-质量块、6-压电材料、7-自适应调频模块、8-调频底座、9-滑块、10-弹簧、11-滑槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，包括基座1和四个压电能量回收模块2，所述基座1为水平方向横截面呈八面体状的柱体，基座1上设置有四个安装孔，四个安装孔间隔分布在基座1的八个侧面上；所述压电能量回收模块2设置有四个，每个压电能量回收模块2的通过基座1上的安装孔水平固定在基座1上。所述基座1上的安装侧面设置有螺栓固定孔，通过穿过螺栓固定孔的螺栓将插接在安装孔上的调频底座8固定。
如图2～3所示，所述压电能量回收模块2包括第一L型压电悬臂梁3、第二L型压电悬臂梁4、质量块5、压电材料6和自适应调频模块7，所述自适应调频模块7包括调频底座8、滑块9和弹簧10，所述调频底座8的上端面上设置有滑槽11，滑块9套装在调频底座8上端面的滑槽11内，滑块9的两端通过两根弹簧10连接到滑槽11的两个端面上，滑块9两端连接的弹簧10长度和弹性模量均相同。
所述调频底座8的近基座1端插接在基座1的安装孔内，调频底座8垂直于近基座1端端面的两个侧面上均设置有中部插接口和端部插接口，中部插接口设置在调频底座8侧面的中部，端部插接口设置在调频底座8侧面远离近基座1端的一侧，端部插接口用于插接第一L型压电悬臂梁3，中部插接口用于插接第二L型压电悬臂梁4。每个调频底座8上设置有两个中部插接口和两个端部插接口，第一L型压电悬臂梁3和第二L型压电悬臂梁4插接位置并非一定要位于某一侧，只要四个调频底座8统一进行插接形成回形机构即可。
所述第一L型压电悬臂梁3由第一长臂边和第一短臂边组成，所述第一长臂边和第一短臂边相互垂直设置且一体式成型，第一长臂边的一端连接第一短臂边，第一长臂边的另一端插接在调频底座8的端部插接口上，所述第一长臂边的上表面上覆盖有压电材料6，所述第一短臂边的端部设置有质量块5。
所述第二L型压电悬臂梁4由第二长臂边和第二短臂边组成，所述第二长臂边和第二短臂边相互垂直设置且一体式成型，第二长臂边的一端连接第二短臂边，第二长臂边的另一端插接在调频底座8的中部插接口上，所述第二长臂边的上表面上覆盖有压电材料6，所述第二短臂边的端部设置有质量块5。所述调频底座8的中部插接口和端部插接口的底部均设置有螺栓固定孔，通过穿过螺栓固定孔的螺栓将插接在中部插接口和端部插接口上的第一L型压电悬臂梁3和第二L型压电悬臂梁4固定。
所述质量块5通过螺栓安装在第一L型压电悬臂梁3的第一短臂边和第二L型压电悬臂梁4的第二短臂边端部，质量块5的质量根据环境条件更换。
所述第二L型压电悬臂梁4的第二长臂边的长度比第一L型压电悬臂梁3的第一短臂边的长度短，第一L型压电悬臂梁3和第二L型压电悬臂梁4连接在调频底座8的不同侧面上；四个压电能量回收模块2的自适应调频模块7上插接第一L型压电悬臂梁3和第二L型压电悬臂梁4后构成回形结构。
所述第一长臂边和第二长臂边的宽度相同，第一短臂边和第二短臂边的宽度相同。所述压电材料6呈板状，第一长臂边上的压电材料6的宽度与第一长臂边的宽度相同，第一长臂边上的压电材料6的长度略低于第一长臂边的长度；第二长臂边上的压电材料6的宽度与第二长臂边的宽度相同；第二长臂边上的压电材料6的长度略低于第二长臂边的长度。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (4)
1.一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，其特征在于：包括基座（1）和四个压电能量回收模块（2），所述基座（1）为水平方向横截面呈八面体状的柱体，基座（1）上设置有四个安装孔，四个安装孔间隔分布在基座（1）的八个侧面上；所述压电能量回收模块（2）设置有四个，每个压电能量回收模块（2）的通过基座（1）上的安装孔水平固定在基座（1）上；
所述压电能量回收模块（2）包括第一L型压电悬臂梁（3）、第二L型压电悬臂梁（4）、质量块（5）、压电材料（6）和自适应调频模块（7），所述自适应调频模块（7）包括调频底座（8）、滑块（9）和弹簧（10），所述调频底座（8）的上端面上设置有滑槽（11），滑块（9）套装在调频底座（8）上端面的滑槽（11）内，滑块（9）的两端通过两根弹簧（10）连接到滑槽（11）的两个端面上；所述调频底座（8）的近基座（1）端插接在基座（1）的安装孔内，调频底座（8）垂直于近基座（1）端端面的两个侧面上均设置有中部插接口和端部插接口，中部插接口设置在调频底座（8）侧面的中部，端部插接口设置在调频底座（8）侧面远离近基座（1）端的一侧，端部插接口用于插接第一L型压电悬臂梁（3），中部插接口用于插接第二L型压电悬臂梁（4）；
所述第一L型压电悬臂梁（3）由第一长臂边和第一短臂边组成，所述第一长臂边和第一短臂边相互垂直设置且一体式成型，第一长臂边的一端连接第一短臂边，第一长臂边的另一端插接在调频底座（8）的端部插接口上，所述第一长臂边的上表面上覆盖有压电材料（6），所述第一短臂边的端部设置有质量块（5）；
所述第二L型压电悬臂梁（4）由第二长臂边和第二短臂边组成，所述第二长臂边和第二短臂边相互垂直设置且一体式成型，第二长臂边的一端连接第二短臂边，第二长臂边的另一端插接在调频底座（8）的中部插接口上，所述第二长臂边的上表面上覆盖有压电材料（6），所述第二短臂边的端部设置有质量块（5）；
所述第二L型压电悬臂梁（4）的第二长臂边的长度比第一L型压电悬臂梁（3）的第一短臂边的长度短，第一L型压电悬臂梁（3）和第二L型压电悬臂梁（4）连接在调频底座（8）的不同侧面上；四个压电能量回收模块（2）的自适应调频模块（7）上插接第一L型压电悬臂梁（3）和第二L型压电悬臂梁（4）后构成回形结构；
所述第一长臂边和第二长臂边的宽度相同，第一短臂边和第二短臂边的宽度相同；
所述压电材料（6）呈板状，第一长臂边上的压电材料（6）的宽度与第一长臂边的宽度相同，第一长臂边上的压电材料（6）的长度略低于第一长臂边的长度；第二长臂边上的压电材料（6）的宽度与第二长臂边的宽度相同；第二长臂边上的压电材料（6）的长度略低于第二长臂边的长度；
所述质量块（5）通过螺栓安装在第一L型压电悬臂梁（3）的第一短臂边和第二L型压电悬臂梁（4）的第二短臂边端部，质量块（5）的质量根据环境条件更换。
2.根据权利要求1所述的一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，其特征在于：所述基座（1）上的安装侧面设置有螺栓固定孔，通过穿过螺栓固定孔的螺栓将插接在安装孔上的调频底座（8）固定。
3.根据权利要求1所述的一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，其特征在于：所述调频底座（8）的中部插接口和端部插接口的底部均设置有螺栓固定孔，通过穿过螺栓固定孔的螺栓将插接在中部插接口和端部插接口上的第一L型压电悬臂梁（3）和第二L型压电悬臂梁（4）固定。
4.根据权利要求1所述的一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，其特征在于：滑块（9）两端连接的弹簧（10）长度和弹性模量均相同。
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