CN110138272A - 一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，包括多梁耦合的非线性压电梁和夹持装置，所述夹持装置活动连接于压电梁的顶部和底部，所述压电梁设置有若干组，且压电梁呈圆周状阵列于夹持装置的四周，所述压电梁采用多梁耦合的非线性压电梁，所述压电梁包括第一主梁、质量部和压电片，所述夹持装置包括上夹板、下夹板和螺栓。本发明通过压电梁、夹持装置、质量部、第一层主梁、上夹板、下夹板和压电片的配合，实现三方向振动能量采集，同时实现了低幅振动环境能量的高效采集，并且实现了不同频率的振动下均有较大而平稳的输出，并且结构简单易于生产、成本低廉、便于安装、输出功率大。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，属于压电振动俘能及新能源开发技术领域。
背景技术
微机电技术的迅猛发展，带动了低功耗微电子系统持久供电技术的革新，基于环境振动能量收集的微功率、永久性振动发电机的研究逐渐成为微功率新能源开发的热点。鉴于振动能量在生活中随处可见、储量丰富、清洁环保等原因，振动能量收集技术受到越来越多的关注。通过收集环境中的振动能量来为用于环境监测的无线传感器和无线传输器件等微功耗元器件提供电能，可有效解决传统化学电池在实际工程应用中存在体积大、成本高、更换不方便等缺点的问题，因此采用压电振动俘能器收集环境中振动能量的技术具有很高的研究价值和应用前景。
近些年，国内外学者提出了多种压电俘能器结构来替换典矩形悬臂梁-质量块结构以实现俘能器的多方向、宽频带振动能量采集，例如：L形梁结构、圆盘式结构、蒲公英状、共质量块横向阵列结构等，但上述结构的压电振动俘能器均不能实现三向、局部全频域、低幅振动能量采集功能的结合。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，具备三方向、宽频带和低幅振动高效采集等的优点，解决了现有的振动俘能器存在的采集带宽小、方向单一、低幅振动采集效率低等的问题。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，包括压多梁耦合的非线性电梁和夹持装置，所述夹持装置活动连接于压电梁的顶部和底部，所述压电梁设置有若干组，且压电梁呈圆周状阵列于夹持装置的四周，所述压电梁采用多梁耦合的非线性压电梁。
优选的，所述压电梁包括第一层主梁、多梁耦合的非线性质量部和压电片，所述第一层主梁固定连接于质量部的底部，所述压电片通过导电胶水粘结于第一层主梁的底部，所诉第一层主梁顶部靠近夹持装置的一侧开设有通孔。
优选的，所述夹持装置包括上夹板、下夹板和螺栓，所述螺栓设置有若干组，且螺栓活动连接在上夹板顶部远离中心的一侧，所述螺栓的底部依次贯穿上夹板和夹板，所述螺栓表面的底部通过螺纹活动链接有螺母，所述上夹板和下夹板顶部的中心位置均开设有安装孔，所述上夹板顶部的安装孔与下夹板顶部的安装孔的位置相对齐。
优选的，所述质量部为多层矩形梁弯折结构，且相邻两层矩形梁之间弯折角度根据实验结果均选取度，所述质量部每一层矩形梁的结构尺寸为60×15× 0.2mm，且采用H黄铜片材料，所述压电片的结构尺寸为40×15×0.2mm，且采用PZT-H压电陶瓷片，所述压电片的两极面均焊接有导线。
优选的，所述第一层主梁的结构尺寸为60×15×0.2mm，且采用H黄铜片材料，所述第一层主梁通过螺栓、螺母和通孔活动链接于上夹板底部和下夹板顶部之间。
优选的，所述上夹板和下夹板均采用亚克力材料，且尺寸可根据实际应用需求进行选取，所述螺栓与螺母均采用标准件。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明可实现了三方向振动能量采集。
2、本发明可实现了低幅振动环境能量的高效采集。
3、本发明可实现了不同频率的振动下均有较大而平稳的输出。
4、本发明结构简单易于生产、成本低廉、便于安装、输出功率大等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构正视图；
图3为本发明多梁耦合的非线性压电梁的结构示意图；
图4为本发明多梁耦合的非线性压电梁的结构仰视图。
图中：1上夹板、2多梁耦合的非线性压电梁、3下夹板、4螺栓、5安装孔， 6夹持装置、7第一层主梁、8多梁耦合的非线性质量部、9通孔、10压电片
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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1-4所示，本发明的具体实施方式包括：一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，包括压多梁耦合的非线性压电梁2和夹持装置6，所述夹持装置6活动连接于压电梁2的顶部和底部，所述压电梁2设置有若干组，且压电梁2呈圆周状阵列于夹持装置6的四周；
所述压电梁2包括第一层主梁7、多梁耦合的非线性质量部8和压电片10，所述第一层主梁7固定连接于质量部8的底部，所述压电片10通过导电胶水粘结于第一层主梁7的底部，所诉第一层主梁7顶部靠近夹持装置6的一侧开设有通孔9；
所述夹持装置6包括上夹板1、下夹板3和螺栓4，所述螺栓4设置有若干组，且螺栓4活动连接在上夹板1顶部远离中心的一侧，所述螺栓4的底部依次贯穿上夹板1和夹板，所述螺栓4表面的底部通过螺纹活动链接有螺母，所述上夹板1和下夹板3顶部的中心位置均开设有安装孔5，所述上夹板1顶部的安装孔5与下夹板3顶部的安装孔5的位置相对齐；
所述质量部8为多层矩形梁弯折结构，且相邻两层矩形梁之间弯折角度根据实验结果均选取15度，所述质量部8每一层矩形梁的结构尺寸为60×15× 0.2mm，且采用H60黄铜片材料，所述压电片10的结构尺寸为40×15×0.2mm，且采用PZT-5H压电陶瓷片，所述压电片10的两极面均焊接有导线；
所述第一层主梁7的结构尺寸为60×15×0.2mm，且采用H60黄铜片材料，所述第一层主梁7通过螺栓4、螺母和通孔9活动链接于上夹板1底部和下夹板 3顶部之间。
所述上夹板1和下夹板3均采用亚克力材料，且尺寸可根据实际应用需求进行选取，所述螺栓4与螺母均采用标准件。
使用时：上夹板1、下夹板3和螺栓4组成的夹持装置6具有较大的刚度，并通过安装孔5固定于振动源上，振动源带动夹持装置6振动，进而带动多梁耦合的非线性压电梁2振动，其中，多梁耦合的非线性质量部8替代传统的集中质量块，经实验验证多梁耦合的非线性质量部8对振动具有放大作用，进而带动第一层主梁7进行振动，迫使压电片10受力变形产生电能；
实验结果验证了多梁耦合的非线性质量部8具有降低多梁耦合的非线性压电梁2各阶模态频率，使得结构在低频范围内有较多共振频率，拓宽采集频带，利用多梁耦合的非线性质量部8在横向和纵向的不稳定性，即在三维振动源的作用下，纵向和横向振动分量使得多梁耦合的非线性质量部8进行横向和纵向的摆动，实现三方向振动能量收集的功能；
本案例中，多梁耦合的非线性压电梁2阵列数量为12组，其阵列数量可根据实际需要适当调整，其中每一个多梁耦合的非线性压电梁2由于制作精度的影响，结构尺寸不完全相同，进而使得不同压电梁的共振频率不一致，经试验验证：12组多梁耦合的非线性压电梁2阵列结构在振动过程中能够实现不同频率下的输出能量互补，即在一定范围的不同频率下均有某一个或多个多梁耦合的非线性压电梁2产生共振，进而实现了局部全频域、大功率输出的功能；
在振动俘能器使用时，可以通过调整多层梁耦合的非线性质量部8的折叠层数、尺寸及阵列数量来调整俘能器工作频带范围和输出功率，用于不同环境下的振动能量收集。
综上所述，该非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器通过压电梁、夹持装置、质量部、第一层主梁、上夹板、下夹板和压电片的配合，解决了现有振动振动俘能器存在的采集带宽小、方向单一、低幅振动采集效率低等的问题。
以上所述，仅为本发明的较佳具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，凡在本发明的精神的原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应视为侵犯本发明的保护范围，因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，包括多梁耦合的非线性压电梁(2)和夹持装置(6)，其特征在于：所述夹持装置(6)活动连接于压电梁(2)的顶部和底部，所述压电梁(2)设置有若干组，且压电梁(2)呈圆周状阵列于夹持装置(6)的四周。
2.根据权利要求1所述的一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，其特征在于：所述压电梁(2)包括第一层主梁(7)、多梁耦合的非线性质量部(8)和压电片(10)，所述第一层主梁(7)固定连接于质量部(8)的底部，所述压电片(10)通过导电胶水粘结于第一层主梁(7)的底部，所诉第一层主梁(7)顶部靠近夹持装置(6)的一侧开设有通孔(9)。
3.根据权利要求1所述的一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，其特征在于：所述夹持装置(6)包括上夹板(1)、下夹板(3)和螺栓(4)，所述螺栓(4)设置有若干组，且螺栓(4)活动连接在上夹板(1)顶部远离中心的一侧，所述螺栓(4)的底部依次贯穿上夹板(1)和下夹板(3)，所述螺栓(4)表面的底部通过螺纹活动链接有螺母，所述上夹板(1)和下夹板(3)顶部的中心位置均开设有安装孔(5)，所述上夹板(1)顶部的安装孔(5)与下夹板(3)顶部的安装孔(5)的位置相对齐。
4.根据权利要求2所述的一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，其特征在于：所述质量部(8)为多层矩形梁弯折结构，且相邻两层矩形梁之间弯折角度根据实验结果均选取15度，所述质量部(8)每一层矩形梁的结构尺寸为60×15×0.2mm，且采用H60黄铜片材料，所述压电片(10)的结构尺寸为40×15×0.2mm，且采用PZT-5H压电陶瓷片，所述压电片(10)的两极面均焊接有导线。
5.根据权利要求2所述的一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，其特征在于：所述第一层主梁(7)的结构尺寸为60×15×0.2mm，且采用H60黄铜片材料，所述第一层主梁(7)通过螺栓(4)、螺母和通孔(9)活动链接于上夹板(1)底部和下夹板(3)顶部之间。
6.根据权利要求3所述的一种非线性三向局部全频带压电低幅振动俘能器，其特征在于：所述上夹板(1)和下夹板(3)均采用亚克力材料，且尺寸可根据实际应用需求进行选取，所述螺栓(4)与螺母均采用标准件。
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