CN112019088B - 一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置 - Google Patents
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Abstract
一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，包括：第一压电梁和第二压电梁；第一压电梁和第二压电梁平行设置且一端均固定在振动源上，第一压电梁和第二压电梁的另一端为自由端,且分别安装有第一质量块和第二质量块，第一压电梁和第二压电梁的自由端之间还跨接有折纸耦合非线性元件；第一压电梁和第二压电梁的上、下表面均均设置有压电片；本申请在振动过程中折纸耦合非线性元件通过动态折叠可以改变结构刚度，拓宽了能量收集频带，提高能量采集频率。
Description
技术领域
本发明涉及压电振动发电领域，特别是一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置。
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。而现有压电振动能量转换装置普遍存在工作频率固定单一以及工作频带范围窄的问题，而在实际应用中，环境频率往往在某一范围内不断变化，随机波动，不具有固定周期，故而这种工作频率单一、工作频带窄的压电能量采集器无法满足实际使用需求。
在CN 209823663 U中公开了一种名称为“一种基于压电材料的多自由度振动发电平台”的实用新型专利，该申请中通过调节弹簧刚度就能改变其振动系统的属性，弹簧符合胡克定律为单稳态结构；且在弹性范围内，其刚度是一定的，整个能量采集过程为线性变化，不能实现多频带能量的收集，能量收集频率低；而改变弹簧刚度需要对其有效圈数、直径、线径、材料等进行改变，操作复杂。
发明内容
本发明的目的就是提供一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，克可以用于压电振动发电。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有第一压电梁、第二压电梁、第一质量块、第二质量块、折纸耦合非线性元件、压电片；
所述第一压电梁和第二压电梁平行设置且一端均固定在振动源上，所述第一压电梁和第二压电梁的另一端为自由端,且所述第一压电梁的自由端安装有第一质量块，所述第二压电梁的自由端安装有第二质量块，所述第一压电梁和第二压电梁的自由端之间还跨接有折纸耦合非线性元件；
所述第一压电梁和第二压电梁的上、下表面均均设置有压电片。
进一步，所述折纸耦合非线性元件为包括有两个横板、两个斜板；两个横板分别固定在所述第一压电梁和第二压电梁上，两个斜板的一端分别与两个横板靠近自由端的一端连接，两个斜板与两个横板的夹角分别为α1、α2，其中：0<α1、α2<90；两个斜板的另一端相互连接；其夹角为β，其中：0<β<180；两个横板与两个斜板通过一块材料折叠而成。
进一步，所述折纸耦合非线性元件为包括有两个横板、两个斜板；两个横板分别固定在所述所述第一压电梁和第二压电梁上，两个斜板的一端分别与两个横板靠近自由端的一端连接，两个斜板与两个横板的夹角α1为55°，α2为30°；两个斜板的另一端相互连接；其夹角β为95°；两个横板与两个斜板通过一块材料折叠而成。
进一步，所述第一压电梁和第二压电梁尺寸、材质相同，所述第一压电梁、第二压电梁及折纸耦合非线性元件均采用导电金属材料。
进一步，所述第一压电梁、第二压电梁及折纸耦合非线性元件均采用导电紫铜材料制成，且所述紫铜的密度ρs为8.96×103g/cm3，杨氏模量Y为108GPa；所述第一压电梁及所述第二压电梁的紫铜基板尺寸为150mm×15mm×0.2mm；所述折纸耦合非线性元件的材料尺寸为：15mm×30mm×0.2mm。
进一步，所述压电片采用压电陶瓷材料。
进一步，所述压电片采用PZT-PZT_4压电陶瓷材料，其密度ρp为7.5×103kg/m3，其弹性劲度常量c11 E为139GPa，其压电应变常数d31为-123×10-12C/N，其相对介电常数ε33 S为1500ε0F/m。
进一步，所述第一质量块与第二质量块质量不同。
进一步，所述第一质量块和第二质量块均采用钨钢制成，所述第一质量块为7.8g，第二质量块质量为0g。
进一步，还包括用于转换和存储电能的转换及存储电路，所述第一压电梁上、下表面上的压电片串联后与转换及存储电路的输入端电性连接，所述第二压电梁上、下表面上的压电片串联后与转换及存储电路的输入端电性连接。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1、本申请的折纸耦合非线性元件是由横板和斜板堆叠而成的，属于周期性重复的材料结构，有着非传统机械的物理特性，具有双平衡态的特性；2、本申请采用折纸耦合非线性元件与压电梁结构耦合，在振动过程中折纸耦合非线性元件通过动态折叠可以改变结构刚度，从而实现整个能量采集结构的非线性，拓宽了能量收集频带，提高能量采集频率；3、本申请通过改变折纸耦合非线性元件的夹角α1、α2以及相邻折叠单元的堆叠角β的参数；产生刚度可变的非线性折纸结构，以适应不同共振频率下的环境能量收集，适用范围广。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为本发明的正视图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明实验1中第一压电梁的开路输出电压频率响应曲线图。
图4为本发明实验1中第二压电梁的开路输出电压频率响应曲线图。
图5为本发明实验2第一压电梁在不同激励振幅下的开路输出电压频率响应曲线图。
图6为本发明实验2第二压电梁在不同激励振幅下的开路输出电压频率响应曲线图。
图1中：1-第一压电梁；2-第二压电梁；3-第一质量块；4-第二质量块；5-折纸耦合非线性元件；6-压电片；501-横板；502-斜板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，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为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
实施例：
一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，包括：第一压电梁1、第二压电梁2、第一质量块3、第二质量块4、折纸耦合非线性元件5、压电片6；
所述第一压电梁1和第二压电梁2平行设置且一端均固定在振动源上，所述第一压电梁1和第二压电梁2的另一端为自由端,且所述第一压电梁1的自由端安装有第一质量块3，所述第二压电梁2的自由端安装有第二质量块4，所述第一压电梁1和第二压电梁2的自由端之间还跨接有折纸耦合非线性元件5；
所述第一压电梁1和第二压电梁2的上、下表面均均设置有压电片6。
作为本发明的一种实例，所述折纸耦合非线性元件5为包括有两个横板501、两个斜板502；两个横板501分别固定在所述所述第一压电梁1和第二压电梁2上，两个斜板502的一端分别与两个横板501靠近自由端的一端连接，两个斜板502与两个横板501的夹角分别为α1、α2；两个斜板502的另一端相互连接；其夹角为β；其中：两个横板501与两个斜板502通过一块材料折叠而成。
作为本发明的一种实例，所述折纸耦合非线性元件5为包括有两个横板501、两个斜板502；两个横板501分别固定在所述第一压电梁1和第二压电梁2上，两个斜板502的一端分别与两个横板501靠近自由端的一端连接，两个斜板502与两个横板501的夹角α1为55°，α2为30°；两个斜板502的另一端相互连接；其夹角β为95°；两个横板501与两个斜板502通过一块材料折叠而成。
作为本发明的一种实例，所述第一压电梁1和第二压电梁2尺寸、材质相同，所述第一压电梁1、第二压电梁2及折纸耦合非线性元件5均采用导电金属材料。
作为本发明的一种实例，所述第一压电梁1、第二压电梁2及折纸耦合非线性元件5均采用导电紫铜材料制成，且所述紫铜的密度ρs为8.96×103g/cm3，杨氏模量Y为108GPa；所述第一压电梁1及所述第二压电梁2的紫铜基板尺寸为150mm×15mm×0.2mm，所述折纸耦合非线性元件5的材料尺寸为：15mm×30mm×0.2mm。
作为本发明的一种实例，所述压电片6采用压电陶瓷材料。
作为本发明的一种实例，所述压电片6采用PZT-PZT_4压电陶瓷材料，其密度ρp为7.5×103kg/m3，其弹性劲度常量c11 E为139GPa，其压电应变常数d31为-123×10-12C/N，其相对介电常数ε33 S为1500ε0F/m。
作为本发明的一种实例，所述第一质量块3与第二质量块4质量不同。
作为本发明的一种实例，所述第一质量块和第二质量块均采用钨钢制成，所述所述第一质量块和第二质量块均采用钨钢制成，所述第一质量块(3)为7.8g，第二质量块(4)质量为0g。
作为本发明的一种实例，还包括用于转换和存储电能的转换及存储电路，所述第一压电梁1上、下表面上的压电片6串联后与转换及存储电路的输入端电性连接，所述第二压电梁2上、下表面上的压电片6串联后与转换及存储电路的输入端电性连接。
本实施例，具体参数如下表：
表1 实验中折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置的相关参数
实验1：
设置外部激励振幅为1g，进行1～51Hz的扫频，时间为150s，所得第一压电梁1的开路输出电压频率响应曲线如图3所示；所得第二压电梁2的开路输出电压频率响应曲线如图4所示；
由图3及图4可知，第一压电梁1和第二压电梁2在1～51Hz范围内，均共存在6个连续显著波峰，能量转换带宽均得到显著拓宽，其次二者的响应曲线，不仅均在第一个波峰处呈现亚谐共振，更在具有明显的跳跃现象，如图2中第一压电梁1的电压响应在19.3Hz到19.5Hz范围内，从0.02v突然激增至0.12v，后又从26.25Hz到26.85Hz，自0.13v急剧下降至0.04v；而在图3中，第二压电梁2在16.3Hz到17.4Hz范围内，输出电压从0.37v急速下跌至0.05v，后又逐渐上升，在22.5～24Hz范围出现了更加急剧的下降；这说明了折纸耦合下的压电悬臂梁具有非线性特性。
实验2：
为探究激励振幅对折纸耦合下的两个压电梁开路输出电压响应的影响，设置频率范围为1～51Hz，依次在激励振幅为0.1g,0.5g,1g以及1.5g时，进行150s扫频振动，所得第一压电梁1在不同激励振幅下的开路输出电压频率响应曲线如图5所示；所得第二压电梁2在不同激励振幅下的开路输出电压频率响应曲线如图6所示；
由图5及图6可知，第一压电梁1和第二压电梁2的开路输出电压具有相同的振幅响应特性：随着激励振幅的增大不仅输出电压不断提高，而且每个波峰的能量转换带宽也逐渐拓宽；同时，可以看见每个波峰的共振频率也随激励振幅的增大而自适应增大，说明折纸耦合下的第一压电梁1和第二压电梁2具有渐硬的刚度特性；同时，随着激励振幅的增大，第一压电梁1和第二压电梁2的电压响应曲线与实验1中图3相图的电压响应趋势相同，且逐渐呈现出亚谐共振、跳跃、渐硬刚度等非线性特征。进一步验证了折纸耦合压电振动能量转换装置在拓宽工作频带，增强压电梁的非线性特性，使其工作频带能够随着外部激振环境实现一定程度上自适应调节，从而提高能量转换特性的作用。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，其特征在于，包括：第一压电梁(1)、第二压电梁(2)、第一质量块(3)、第二质量块(4)、折纸耦合非线性元件(5)、压电片(6)；
所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)平行设置且一端均固定在振动源上，所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)的另一端为自由端,且所述第一压电梁(1)的自由端安装有第一质量块(3)，所述第二压电梁(2)的自由端安装有第二质量块(4)，所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)的自由端之间还跨接有折纸耦合非线性元件(5)；
所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)的上、下表面均设置有压电片(6)；
所述折纸耦合非线性元件(5)为包括有两个横板(501)、两个斜板(502)；两个横板(501)分别固定在所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)上，两个斜板(502)的一端分别与两个横板(501)靠近自由端的一端连接，两个斜板(502)与两个横板(501)的夹角分别为α1、α2，其中：0<α1、α2<90；两个斜板(502)的另一端相互连接；其夹角为β，其中：0<β<180；两个横板(501)与两个斜板(502)通过一块材料折叠而成；
所述折纸耦合非线性元件(5)为包括有两个横板(501)、两个斜板(502)；两个横板(501)分别固定在所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)上，两个斜板(502)的一端分别与两个横板(501)靠近自由端的一端连接，两个斜板(502)与两个横板(501)的夹角α1为55°，α2为30°；两个斜板(502)的另一端相互连接；其夹角β为95°；两个横板(501)与两个斜板(502)通过一块材料折叠而成；
所述第一压电梁(1)、第二压电梁(2)及折纸耦合非线性元件(5)均采用导电紫铜材料制成，且所述紫铜的密度ρs为8.96×103g/cm3，杨氏模量Y为108GPa；所述第一压电梁及所述第二压电梁的紫铜基板尺寸为150mm×15mm×0.2mm，所述折纸耦合非线性元件(5)的材料尺寸为：15mm×30mm×0.2mm。
2.如权利要求1所述的一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，其特征在于，所述第一压电梁(1)和第二压电梁(2)尺寸、材质相同，所述第一压电梁(1)、第二压电梁(2)及折纸耦合非线性元件(5)均采用导电金属材料。
3.如权利要求1所述的一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，其特征在于，所述压电片(6)采用压电陶瓷材料。
4.如权利要求3所述的一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，其特征在于，所述压电片(6)采用PZT-PZT_4压电陶瓷材料，其密度ρp为7.5×103kg/m3，其弹性劲度常量c11 E为139GPa，其压电应变常数d31为-123×10-12C/N，其相对介电常数ε33 S为1500ε0F/m。
5.如权利要求1所述的一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，其特征在于，所述第一质量块(3)与第二质量块(4)质量不同。
6.如权利要求5所述的一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，其特征在于，所述第一质量块和第二质量块均采用钨钢制成，所述第一质量块(3)为7.8g，第二质量块(4)质量为0g。
7.如权利要求1所述的一种折纸耦合宽频带非线性压电振动发电装置，其特征在于，还包括用于转换和存储电能的转换及存储电路，所述第一压电梁(1)上、下表面上的压电片(6)串联后与转换及存储电路的输入端电性连接，所述第二压电梁(2)上、下表面上的压电片(6)串联后与转换及存储电路的输入端电性连接。
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