CN111313756A - 一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，能量收集器包括底座、固定于底座的固支端、固支于固支端的压电悬臂梁、附加在压电悬臂梁尖端的质量块以及电极支架，质量块的上下表面分别设置有上活动电极和下活动电极，上活动电极和下活动电极分别与压电悬臂梁的两个引线连接；电极支架固定于底座上，电极支架上从上至下设置有上固定电极、中固定电极和下固定电极，上固定电极位于上活动电极的上方，中固定电极位于上活动电极和下活动电极之间，下固定电极位于下活动电极的下方，上固定电极和下固定电极相连。本发明能够使振动产生的压电交变电流通过机械整流器转换为直流电，避免了传统电子整流器的压降。

Description

一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器
技术领域
本发明属于新能源器件技术领域，特别涉及一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器及其整流和能量收集方法。
背景技术
压电振动能量收集器(Piezoelectric Vibration Energy Harvester，简称PVEH)是一种收集环境振动能量并发电的器件，适用于无线传感器等微小系统的可持续自供电。典型的压电能量收集器件一般由压电悬臂梁和尖端附加质量块构成。在环境振动激励下，压电悬臂梁做简谐振动，这种简谐应变产生交变电荷。由于负载需要直流电工作，因此，需要整流电路将PVEH产生的交流电转换为直流电。传统整流器件中，PN结二极管存在约0.7V压降，肖特基二极管存在约0.4V的压降，MOSFET管需要额外的门控电压来驱动。这些电子整流器件降低了电路的效率，对于压电能量收集这种低电压输出，这种整流功率损耗更为明显。此外，压电振动能量收集器还需要在较宽激振频率下有大的压电功率输出，并且需要防止振动幅值过载，超出许用应力，造成压电层的断裂和损伤。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，本发明能够使振动产生的压电交变电流通过机械整流器直接转换为直流电，避免了传统电子整流器的压降。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，包括底座、固定于底座的固支端以及电极支架、固支于固支端的压电悬臂梁和附加在压电悬臂梁尖端的质量块，质量块的上下表面分别设置有上活动电极和下活动电极，上活动电极和下活动电极分别与压电悬臂梁的两个引线连接；电极支架固定于底座上，电极支架上从上至下设置有上固定电极、中固定电极和下固定电极，上固定电极位于上活动电极的上方，中固定电极位于上活动电极和下活动电极之间，下固定电极位于下活动电极的下方，上固定电极和下固定电极相连。
优选的，上固定电极和中固定电极的电极间距、上活动电极和下活动电极的电极间距以及中固定电极和下固定电极的电极间距相同，电极间距为限位振幅的两倍。
优选的，上活动电极和上固定电极的电极间距、上活动电极和中固定电极的电极间距、下活动电极和中固定电极的电极间距以及下活动电极和下固定电极的电极间距等于限位振幅。
优选的，中固定电极与上固定电极之间以及与下固定电极之间连接有负载。
优选的，上活动电极和下活动电极采用针状电极，上固定电极、中固定电极和下固定电极采用片状电极；
或者，上活动电极和下活动电极采用片状电极，上固定电极、中固定电极和下固定电极采用针状电极。
优选的，上活动电极和下活动电极采用弹性电极。
一种能量收集器的整流方法，包括如下过程：
当压电悬臂梁和质量块振动至上方限位振幅时，压电悬臂梁产生的正电荷从上活动电极传递至上固定电极，压电悬臂梁产生的负电荷从下活动电极传递至中固定电极；
当压电悬臂梁和质量块振动至下方限位振幅时，压电悬臂梁产生的正电荷从下活动电极传递至下固定电极，压电悬臂梁产生的负电荷从上活动电极传递至中固定电极。
一种能量收集方法，利用本发明上述机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器进行，包括如下过程：
当压电悬臂梁和质量块振动至上方限位振幅时，压电悬臂梁产生的正电荷从上活动电极传递至上固定电极，压电悬臂梁产生的负电荷从下活动电极传递至中固定电极，收集中固定电极与上固定电极之间的直流电能；
当压电悬臂梁和质量块振动至下方限位振幅时，压电悬臂梁产生的正电荷从下活动电极传递至下固定电极，压电悬臂梁产生的负电荷从上活动电极传递至中固定电极，收集中固定电极与下固定电极之间的直流电能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器通过在质量块的上下表面分别设置的上活动电极和下活动电极、以及电极支架上从上至下设置的上固定电极、中固定电极和下固定电极能够实现在压电悬臂梁振动的过程中，将产生的电能直接在压电悬臂梁振动能量收集器内部进行整流，其整流的原理为：当压电悬臂梁和质量块振动至上方限位振幅时，压电悬臂梁产生的正电荷从上活动电极传递至上固定电极，压电悬臂梁产生的负电荷从下活动电极传递至中固定电极；当压电悬臂梁和质量块振动至下方限位振幅时，压电悬臂梁产生的正电荷从下活动电极传递至下固定电极，压电悬臂梁产生的负电荷从上活动电极传递至中固定电极；由此可以看出中固定电极始终处于较低的电势，实现了在能量收集器的内部进行整流。因此，本发明的机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器避免了采用传统外接整流器的方式进行整流时带来的压降问题。与此同时，上固定电极和下固定电极还能够对上活动电极和下活动电极进行限位，进而能够防止压电悬臂梁振动幅值过大，保护压电悬臂梁最大应力不超过许用应力，而且这种限位结构实现了在较宽激振频率下的高压电功率输出。
进一步的，上活动电极和下活动电极采用针状电极，上固定电极、中固定电极和下固定电极采用片状电极；或者，上活动电极和下活动电极采用片状电极，上固定电极、中固定电极和下固定电极采用针状电极。采用这种结构能够降低上活动电极与上固定电极以及中固定电极之间的电容，以及降低下活动电极与中固定电极和下固定电极之间的电容，能够防止整流过程中，由于上活动电极与上固定电极之间的电容、上活动电极与中固定电极之间的电容、下活动电极与中固定电极之间的电容以及下活动电极与下固定电极之间的电容放电而产生负向的电压。
进一步的，上活动电极和下活动电极采用弹性电极，质量块振动过程中，上活动电极与上固定电极或中固定电极接触过程中，下活动电极与下固定电极或中固定电极也能够充分接触，保证了在质量块在每次振动周期内均能够进行整流。
本发明能量收集器整流方法的优点在于直接在能量收集器内部进行，而无需外接整流器的方式进行整流，从而避免了外接整流器带来的压降，能够提高能量收集器的压电输出功率。
本发明能量收集方法，利用本发明机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器进行能量收集时，所收集的电能直接就为直流电，减少了在能量收集器外部进行整流的过程，且本发明能量收集器的电能收集效率高。
附图说明
图1(a)为本发明一实施例机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器的整体结构示意图。
图1(b)为本发明另一实施例机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器的整体结构示意图。
图1(c)为本发明另一实施例机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器的整体结构示意图。
图2为本发明机械整流原理示意图。
图3为本发明振动能量收集器在不同激振加速度下的开路电压频响曲线示意图。
图4为在开路状态下，本发明振动能量收集器在0.5g加速度和21Hz频率下的电压-时间响应曲线。
图中：1、底座，2、固支端，3、压电悬臂梁，4、质量块，5、接触电极，6、电极支架，7、上固定电极，8、上活动电极，9、中固定电极，10、下活动电极，11、下固定电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系而进行描述，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、或特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图1(a)～图1(c)，本发明的机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，包括底座1以及固定于底座的固支端2，压电悬臂梁3固支于固支端2，质量块4附加在压电悬臂梁3尖端，5个接触电极5分别设置于质量块4和电极支架6上，5个接触电极分别为上固定电极7、中固定电极9、下固定电极11、上活动电极8和下活动电极10。上活动电极8和下活动电极10分别设置于质量块4的上、下表面，并分别连接压电悬臂梁3的两个引线。电极支架6固定于底座1上，电极支架6上从上至下设置有上固定电极7、中固定电极9和下固定电极11，上固定电极7位于上活动电极8的上方，中固定电极9位于上活动电极8和下活动电极10之间，下固定电极11位于下活动电极10的下方，上固定电极7和下固定电极11相连，其中上固定电极7和下固定电极11相连作为直流电正极，中固定电极9作为直流电负极，正负电极之间接负载电阻Rl。上活动电极8和上固定电极7的电极间距、上活动电极8和中固定电极9的电极间距、下活动电极10和中固定电极9的电极间距以及下活动电极10和下固定电极11的电极间距均等于限位振幅。
作为本发明优选的实施方案，如图1(b)所示，上活动电极8和下活动电极10采用针状电极，上固定电极7、中固定电极9和下固定电极11采用片状电极。
作为本发明优选的实施方案，如图1(c)所示，上活动电极8和下活动电极10采用片状电极，上固定电极7、中固定电极9和下固定电极11采用针状电极。
作为本发明优选的实施方案，上活动电极8和下活动电极10采用弹性电极。
作为本发明优选的实施方案，上活动电极8和下活动电极10采用弹性不锈钢，上固定电极7、中固定电极9和下固定电极11采用硬镀锡铜。
参照图2，本发明的机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器的机械整流原理为：
参照图2中间的状态，当压电悬臂梁3和质量块4振动至上方限位振幅时，压电悬臂梁3产生的正电荷从上活动电极8传递至上固定电极7，压电悬臂梁3产生的负电荷从下活动电极10传递至中固定电极9。此时，电流从右向左流经负载电阻Rl。
参照图2下部的状态，当压电悬臂梁3和质量块4振动至下方限位振幅时，压电悬臂梁产生的正电荷从下活动电极10传递至下固定电极11，压电悬臂梁产生的负电荷从上活动电极8传递至中固定电极9。此时，电流仍然从右向左流经负载电阻Rl。这种类似于双闸开关方式实现了机械整流，免去了电子整流器。
本发明的能量收集器由于固定电极(即上固定电极7、中固定电极9和下固定电极11)限制了活动电极的振动范围，从而限制了压电悬臂梁的振动幅度，保护了压电悬臂梁不超过许用应力。
实施例
本实施例机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器中各部件尺寸为如表1所示，压电悬臂梁3采用压电双晶片，尖端质量为质量块与活动电极的总质量。
表1
Figure BDA0002432070390000061
参照图3，本实施例振动能量收集器在不同激振加速度下的开路电压频响曲线示意图表明，0.1g的电压曲线显示了谐振频率为20hz时的线性振动响应。然而，0.3g和0.5g的电压曲线显示出非线性振动响应。机械限流器限制了悬臂尖端的最大位移，并在19～29Hz的10V处获得显著的宽带频率响应，特别是在0.5g时，g为重力加速度。这说明接触电极作为限位结构，实现了振动能量的宽频带收集。
参照图4，表明了机械整流过程中发生的细节。当机械双开关接通时(即活动电极与固定电极接触时)，电压急剧上升到最大值。由于活动电极和固定电极之间发生弹性碰撞，峰值曲线出现凹陷。当机械双开关断开时(即活动电极与固定电极分离时)，电压急剧下降到零。由于二极管电压降的影响，电整流曲线略低于理想整流曲线。然而，机械整流曲线在峰值曲线上没有电压降。
综上所述，本发明至少具有以下有益的技术效果：
1)本发明采用了两个活动电极和三个固定电极实现了压电振动能量收集器的机械整流，避免了电子整流器的压降问题，更加适用于低负载电阻情况，整流效率提高，功率损耗较小。此外，这种接触电极结构限制了压电悬臂梁的最大振型，避免了压电悬臂梁振动过载超出许用应力，可以实现在较宽频带范围内的最大压电输出。同时，本发明的压电振动能量收集器相对于现有的压电悬臂梁振动能量收集器结构变化不大，其结构新颖、简单，能够实现机械整流和宽频能量收集。

Claims (8)

1.一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，其特征在于，包括底座(1)、固定于底座的固支端(2)以及电极支架(6)、固支于固支端(2)的压电悬臂梁(3)和附加在压电悬臂梁(3)尖端的质量块(4)，质量块(4)的上下表面分别设置有上活动电极(8)和下活动电极(10)，上活动电极(8)和下活动电极(10)分别与压电悬臂梁(3)的两个引线连接；电极支架(6)固定于底座(1)上，电极支架(6)上从上至下设置有上固定电极(7)、中固定电极(9)和下固定电极(11)，上固定电极(7)位于上活动电极(8)的上方，中固定电极(9)位于上活动电极(8)和下活动电极(10)之间，下固定电极(11)位于下活动电极(10)的下方，上固定电极(7)和下固定电极(11)相连。
2.根据权利要求1所述的一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，其特征在于，上固定电极(7)和中固定电极(9)的电极间距、上活动电极(8)和下活动电极(10)的电极间距以及中固定电极(9)和下固定电极(11)的电极间距相同，电极间距为限位振幅的两倍。
3.根据权利要求1所述的一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，其特征在于，上活动电极(8)和上固定电极(7)的电极间距、上活动电极(8)和中固定电极(9)的电极间距、下活动电极(10)和中固定电极(9)的电极间距以及下活动电极(10)和下固定电极(11)的电极间距均等于限位振幅。
4.根据权利要求1所述的一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，其特征在于，中固定电极(9)与上固定电极(7)之间以及与下固定电极(11)之间连接有负载。
5.根据权利要求1所述的一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，其特征在于，上活动电极(8)和下活动电极(10)采用针状电极，上固定电极(7)、中固定电极(9)和下固定电极(11)采用片状电极；
或者，上活动电极(8)和下活动电极(10)采用片状电极，上固定电极(7)、中固定电极(9)和下固定电极(11)采用针状电极。
6.根据权利要求1或5所述的一种机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器，其特征在于，上活动电极(8)和下活动电极(10)采用弹性电极。
7.一种权利要求1-6任意一项所述的机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器的整流方法，其特征在于，包括如下过程：
当压电悬臂梁(3)和质量块(4)振动至上方限位振幅时，压电悬臂梁(3)产生的正电荷从上活动电极(8)传递至上固定电极(7)，压电悬臂梁(3)产生的负电荷从下活动电极(10)传递至中固定电极(9)；
当压电悬臂梁(3)和质量块(4)振动至下方限位振幅时，压电悬臂梁(3)产生的正电荷从下活动电极(10)传递至下固定电极(11)，压电悬臂梁(3)产生的负电荷从上活动电极(8)传递至中固定电极(9)。
8.一种能量收集方法，其特征在于，利用权利要求1-6任意一项所述的机械整流式压电悬臂梁振动能量收集器进行，包括如下过程：
当压电悬臂梁(3)和质量块(4)振动至上方限位振幅时，压电悬臂梁(3)产生的正电荷从上活动电极(8)传递至上固定电极(7)，压电悬臂梁(3)产生的负电荷从下活动电极(10)传递至中固定电极(9)，收集中固定电极(9)与上固定电极(7)之间的直流电能；
当压电悬臂梁(3)和质量块(4)振动至下方限位振幅时，压电悬臂梁(3)产生的正电荷从下活动电极(10)传递至下固定电极(11)，压电悬臂梁产生的负电荷从上活动电极(8)传递至中固定电极(9)，收集中固定电极(9)与下固定电极(11)之间的直流电能。
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