CN112751505B - 一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，包括有柔性主梁、第一压电采集棒、第二压电采集棒及压电采集片，其中的压电采集片可采集水平和竖直振动能量，第一压电采集棒可采集任一竖直平面内的振动能量，第二压电采集棒可采集任一水平方向的振动能量，从而实现多方向振动能量的采集；另外通过调节压电采集棒的尺寸、数量及位置，可以实现不同压电采集棒的振动模态分离，拓宽系统工作频带，能更加有效的对外界振动能量进行采集；同时可适时调节系统的有效频带宽度，提高能量采集器输出的连续性和稳定性，进而增强振动能量采集器的环境适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及微机电装置领域，尤其涉及一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器。
背景技术
随着无线传感网络在野外环境、工业监测中的广泛布设以及可穿戴设备、随身医疗电子系统等的迅猛发展，其中的无线传感网络节点及特殊领域中微小型电子器件的电能供给成为了进一步推进其应用的关键问题。传统的电能供给存在一些无法克服的缺陷，如化学电池体积大、寿命短、污染环境的问题，有线电源架接困难的问题，因而采集周围环境中的能量转化为电能来满足无线传感网络或特殊领域微小型电子器件的自供电需求已成为研究热点。其中振动能作为环境中存在形式最多的一种能量，广泛存在于自然环境中(如风致振动、动物运动等)和人类生活生产环境中(如人体运动、汽车火车等运输工具、桥梁、工矿设备等)，与太阳能、风能等环境能量形式相比，振动能对无线传感网络和特殊领域微小型电子器件具有明显的供电优势，只要外界存在振动，就可以通过能量采集装置持续收集补充能量，因此振动能的采集利用具有着极大的实用价值。目前用于采集振动能的装置被称为振动能量采集装置，其普遍是在特定频率范围内，实现单一方向的振动能量采集，因此存在工作频带较窄、谐振频率高、能量采集方向单一的问题；同时装置在采集振动能量时面对复杂振动环境时，振动频率随机多变，造成能量采集效率极低且输出的稳定性、连续性极差，对环境的适用性不足。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足，提供一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，从而可解决振动能量采集装置存在工作频带较窄、谐振频率高、能量采集方向单一及振动频率随机多变导致能量采集效率极低且输出稳定性、连续性极差，对环境的适用性不足的问题。
为实现本发明目的而提供的一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，包括有柔性主梁、第一压电采集棒、第二压电采集棒及压电采集片，所述柔性主梁包括有水平方环及竖直方环，所述水平方环与竖直方环垂直交叉为一体，所述第一压电采集棒的末端垂直粘结固定于水平方环的方形表面，所述第二压电采集棒的末端垂直粘结固定于水平方环的上表面和竖直方环的上下表面，所述压电采集片的形状呈三维放射状，末端嵌入固定于柔性主梁的内壁。
作为上述方案的进一步改进，所述第一压电采集棒及第二压电采集棒包括有主芯、柔性压电层及柔性导电层，所述主芯为圆柱结构，所述柔性导电层包覆于主芯的侧部表面，所述柔性压电层粘贴于柔性导电层的下部外表面。
作为上述方案的进一步改进，所述压电采集片包括有基板和柔性压电层，所述柔性压电层使用导电银胶粘贴在基板的一侧表面。
作为上述方案的进一步改进，所述第一压电采集棒、第二压电采集棒的个数均不小于1。
作为上述方案的进一步改进，所述柔性主梁选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种。
作为上述方案的进一步改进，所述主芯选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种，所述柔性压电层选用PVDF、PZT和ZnO中的一种，所述基板选用铝和铜中的一种，所述柔性导电层选用薄铝箔和铜箔中的一种。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，具有如下优势：
1、压电采集片可采集水平和竖直方向振动能量，第一压电采集棒可采集任一竖直平面内的振动能量，第二压电采集棒可采集任一水平方向的振动能量，从而实现多方向振动能量的采集；
2、通过调节压电采集片的形状和压电采集棒的尺寸、数量及位置，可以实现不同压电采集棒的振动模态分离，拓宽系统工作频带，能更加有效的对外界振动能量进行采集；同时可适时调节系统的有效频带宽度，提高能量采集器输出的连续性和稳定性，进而增强振动能量采集器的环境适应能力。
综上所述，可解决振动能量采集装置存在工作频带较窄、谐振频率高、能量采集方向单一及振动频率随机多变导致能量采集效率极低且输出稳定性、连续性极差，对环境的适用性不足的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明柔性主梁的结构示意图；
图3为本发明的第一及第二压电采集棒结构示意图；
图4为本发明的压电采集片结构示意图；
图5为本发明实施例2的结构示意图；
图6为本发明实施例3的结构示意图；
其中：1-柔性主梁，2-第一压电采集棒，3-第二压电采集棒，4-压电采集片，5-主芯，6-柔性导电层，7-柔性压电层，8-基板，9-水平方环，10-竖直方环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
实施例1
如图1-图4所示，一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，包括有柔性主梁1、第一压电采集棒2六个、第二压电采集棒3四个及压电采集片4，所述柔性主梁1包括有水平方环9及竖直方环10，所述水平方环9与竖直方环10垂直交叉为一体，所述第一压电采集棒2的末端垂直粘结固定于水平方环9的方形表面，所述第二压电采集棒3的末端垂直粘结固定于水平方环9的上表面和竖直方环10的上下表面，所述压电采集片5的形状呈三维放射状，末端嵌入固定于柔性主梁1的内圈，其中：所述第一压电采集棒2及第二压电采集棒3包括有主芯5、柔性导电层6及柔性压电层7，所述主芯5为圆柱结构，所述柔性导电层6包覆于主芯5的侧部表面，所述柔性压电层7粘贴于柔性导电层6的下部外表面；所述压电采集片4包括有基板8和柔性压电层7，所述柔性压电层7使用导电银胶粘贴在基板8的一侧表面；所述柔性主梁1选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种；所述主芯5选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种，所述柔性导电层6选用薄铝箔和铜箔中的一种，所述柔性压电层7选用PVDF、PZT和ZnO中的一种，所述基板8选用铝和铜中的一种。
实施例2
如图2-图5所示，一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，所述柔性主梁1包括有水平方环9及竖直方环10，所述水平方环9与竖直方环10垂直交叉为一体，所述第一压电采集棒2的末端垂直粘结固定于水平方环9的方形表面，所述第二压电采集棒3的末端垂直粘结固定于水平方环9的上表面和竖直方环10的上下表面，所述压电采集片5的形状呈三维放射状，末端嵌入固定于柔性主梁1的内圈，其中：所述第一压电采集棒2及第二压电采集棒3包括有主芯5、柔性导电层6及柔性压电层7，所述主芯5为圆柱结构，所述柔性导电层6包覆于主芯5的侧部表面，所述柔性压电层7粘贴于柔性导电层6的下部外表面；所述压电采集片4包括有基板8和柔性压电层7，所述柔性压电层7使用导电银胶粘贴在基板8的一侧表面；所述柔性主梁1选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种；所述主芯5选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种，所述柔性导电层6选用薄铝箔和铜箔中的一种，所述柔性压电层7选用PVDF、PZT和ZnO中的一种，所述基板8选用铝和铜中的一种。
实施例3
如图2-图4、图6所示，一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，所述柔性主梁1包括有水平方环9及竖直方环10，所述水平方环9与竖直方环10垂直交叉为一体，所述第一压电采集棒2的末端垂直粘结固定于水平方环9的方形表面，所述第二压电采集棒3的末端垂直粘结固定于水平方环9的上表面和竖直方环10的上下表面，所述压电采集片5的形状呈三维放射状，末端嵌入固定于柔性主梁1的内圈，其中：所述第一压电采集棒2及第二压电采集棒3包括有主芯5、柔性导电层6及柔性压电层7，所述主芯5为圆柱结构，所述柔性导电层6包覆于主芯5的侧部表面，所述柔性压电层7粘贴于柔性导电层6的下部外表面；所述压电采集片4包括有基板8和柔性压电层7，所述柔性压电层7使用导电银胶粘贴在基板8的一侧表面；所述柔性主梁1选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种；所述主芯5选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种，所述柔性导电层6选用薄铝箔和铜箔中的一种，所述柔性压电层7选用PVDF、PZT和ZnO中的一种，所述基板8选用铝和铜中的一种。
本发明提供的一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，其原理为：由压电采集片、压电采集棒、柔性主梁组成一能量采集单元；柔性主梁随外部振动作用将振动能传递给压电采集片和压电采集棒，导致压电采集片和压电采集棒出现弹性振动，弹性振动可使压电采集片和压电采集棒产生形变，从而使基板和主芯上的压电片发生形变，从而产生电信号。其中，压电采集片4可采集水平和竖直方向振动能量，第一压电采集棒2可采集任一竖直平面内的振动能量，第二压电采集棒3可采集任一水平方向的振动能量，从而实现多方向振动能量的采集；另外通过调节压电采集棒的尺寸、数量及位置，可以实现不同压电采集棒的振动模态分离，拓宽系统工作频带，能更加有效的对外界振动能量进行采集；同时可适时调节系统的有效频带宽度，提高能量采集器输出的连续性和稳定性，进而增强振动能量采集器的环境适应能力。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡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技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，其特征在于：包括有柔性主梁（1）、第一压电采集棒（2）、第二压电采集棒（3）及压电采集片（4），所述柔性主梁（1）包括有水平方环（9）及竖直方环（10），所述水平方环（9）与竖直方环（10）垂直交叉为一体，所述第一压电采集棒（2）的末端垂直粘结固定于水平方环（9）的方形水平外侧表面，所述第二压电采集棒（3）的末端垂直粘结固定于水平方环（9）的上表面和竖直方环（10）的上下表面，所述压电采集片 （4）垂直于水平方环（9）、竖直方环（10）的轴线分布，固定端嵌入固定在水平方环（9）及竖直方环（10）的内壁，所述第一压电采集棒（2）及第二压电采集棒（3）包括有主芯（5）、柔性导电层（6）及柔性压电层（7），所述主芯（5）为圆柱结构，所述柔性导电层（6）包覆于主芯（5）的侧部表面，所述柔性压电层（7）粘贴于柔性导电层（6）的下部外表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，其特征在于：所述压电采集片（4）包括有基板（8）和柔性压电层（7），所述柔性压电层（7）使用导电银胶粘贴在基板（8）的一侧表面。
3.根据权利要求1所述的一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，其特征在于：所述第一压电采集棒（2）、第二压电采集棒（3）的个数均不小于1。
4.根据权利要求1所述的一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，其特征在于：所述柔性主梁（1）选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种。
5.根据权利要求2所述的一种基于交叉方形主梁的多方向宽频振动能量采集器，其特征在于：所述主芯（5）选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种，所述柔性导电层（6）选用铝箔和铜箔中的一种，所述柔性压电层（7）选用PVDF、PZT和ZnO中的一种，所述基板（8）选用铝和铜中的一种。
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