CN112769354B - 一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构 - Google Patents
一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，包括有柔性主梁、第一压电采集棒、第二压电采集棒、第三压电采集棒、压电采集片，其中的压电采集片可采集垂直振动能量，第一和第三压电采集棒可采集任一水平方向振动能量，第二压电采集棒可采集任一垂直于环形径向方向的振动能量，从而实现三维振动能量的采集；同时通过调节压电采集片和压电采集棒的尺寸，可实现不同压电采集棒的振动模态分离，拓宽系统工作频带，能有效的对外界振动能量进行采集；另外通过调节压电采集片的形状和压电采集棒的数量，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，尤其涉及一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构。
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，提供一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，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柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，包括有柔性主梁、第一压电采集棒、第二压电采集棒、第三压电采集棒、压电采集片，所述柔性主梁为环形结构，中部开有圆孔；所述第一压电采集棒垂直粘结固定于柔性主梁的环形上表面，所述第二压电采集棒沿径向分布，一端嵌入固定于柔性主梁的环形外侧壁，另一端指向环形外侧，所述压电采集片的形状呈放射状，末端嵌入固定在柔性主梁的内圈，中部表面采用AB胶粘结固定在第三压电采集棒的底部。
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，所述第三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，所述主芯的末端长度超出柔性导电层及柔性压电层。
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末端上表面，且与第三压电采集棒不接触。
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柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，具有如下优势：
1、压电采集片可采集垂直振动能量，第一和第三压电采集棒可采集任一水平方向振动能量，第二压电采集棒可采集任一垂直于环形径向方向的振动能量，从而实现三维振动能量的采集；
2、通过调节压电采集片和压电采集棒的尺寸，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；
3、通过调节压电采集片的形状和压电采集棒的数量，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为本发明的第一压电采集棒及第二压电采集棒结构示意图；
图3为本发明的第三压电采集棒结构示意图；
图4为本发明实施例1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2的压电采集片结构示意图；
图7为本发明实施例3的结构示意图；
图8为本发明实施例3的压电采集片结构示意图。
其中：1-柔性主梁，2-第一压电采集棒，3-第二压电采集棒，4-第三压电采集棒，5-压电采集片，6-主芯，7-柔性压电层，8-基板，9-柔性导电层。
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3所示，一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，包括有柔性主梁1、第一压电采集棒2四个、第二压电采集棒3四个、第三压电采集棒4、压电采集片5，所述柔性主梁1为环形结构，中部开有圆孔；四个所述第一压电采集棒2垂直粘结固定于柔性主梁1的环形上表面，四个所述第二压电采集棒3沿径向分布，一端嵌入固定于柔性主梁1的环形外侧壁，另一端指向环形外侧，所述压电采集片5的形状呈十字形，末端嵌入固定在柔性主梁1的内圈，中部表面采用AB胶粘结固定在第三压电采集棒4的底部，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6、柔性压电层7及柔性导电层9，所述主芯6为圆柱结构，所述柔性导电层9包覆于主芯6的侧部表面，所述柔性压电层7粘贴于柔性导电层9的下部外表面；所述第三压电采集棒4包括有主芯6、柔性压电层7及柔性导电层9，所述主芯6为圆柱结构，所述柔性导电层9包覆于主芯6的侧部表面，所述柔性压电层7粘贴于柔性导电层9的下部外表面，所述主芯6的末端长度超出柔性导电层9及柔性压电层7；所述压电采集片3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的末端上表面，且与压电采集棒不接触；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6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，所述柔性导电层9选用薄铝箔和铜箔中的一种。
实施例2
如图2、图4-图5所示，一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，包括有柔性主梁1、第一压电采集棒2八个、第二压电采集棒3四个、第三压电采集棒4、压电采集片5，所述柔性主梁1为环形结构，中部开有圆孔；八个所述第一压电采集棒2垂直粘结固定于柔性主梁1的环形上表面，四个所述第二压电采集棒3沿径向分布，一端嵌入固定于柔性主梁1的环形外侧壁，另一端指向环形外侧，所述压电采集片5的形状呈米字形，末端嵌入固定在柔性主梁1的内圈，中部表面采用AB胶粘结固定在第三压电采集棒4的底部，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6、柔性压电层7及柔性导电层9，所述主芯6为圆柱结构，所述柔性导电层9包覆于主芯6的侧部表面，所述柔性压电层7粘贴于柔性导电层9的下部外表面；所述第三压电采集棒4包括有主芯6、柔性压电层7及柔性导电层9，所述主芯6为圆柱结构，所述柔性导电层9包覆于主芯6的侧部表面，所述柔性压电层7粘贴于柔性导电层9的下部外表面，所述主芯6的末端长度超出柔性导电层9及柔性压电层7；所述压电采集片3包括有基板8和柔性压电层7，所述柔性压电层9使用导电银胶粘贴在基板8的末端上表面，且与压电采集棒不接触；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6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，所述柔性导电层9选用薄铝箔和铜箔中的一种。
实施例3
如图2、图6-图7所示，一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，包括有柔性主梁1、第一压电采集棒2四个、第二压电采集棒3六个、第三压电采集棒4、压电采集片5，所述柔性主梁1为环形结构，中部开有圆孔；四个所述第一压电采集棒2垂直粘结固定于柔性主梁1的环形上表面，六个所述第二压电采集棒3沿径向分布，一端嵌入固定于柔性主梁1的环形外侧壁，另一端指向环形外侧，所述压电采集片5的形状呈放射状，末端嵌入固定在柔性主梁1的内圈，中部表面采用AB胶粘结固定在第三压电采集棒4的底部，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6、柔性压电层7及柔性导电层9，所述主芯6为圆柱结构，所述柔性导电层9包覆于主芯6的侧部表面，所述柔性压电层7粘贴于柔性导电层9的下部外表面；所述第三压电采集棒4包括有主芯6、柔性压电层7及柔性导电层9，所述主芯6为圆柱结构，所述柔性导电层9包覆于主芯6的侧部表面，所述柔性压电层7粘贴于柔性导电层9的下部外表面，所述主芯6的末端长度超出柔性导电层9及柔性压电层7；所述压电采集片3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的末端上表面，且与压电采集棒不接触；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6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，所述柔性导电层9选用薄铝箔和铜箔中的一种。
本发明提供的一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，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5可采集垂直振动能量，第一压电采集棒2和第三压电采集棒4可采集任一水平方向振动能量，第二压电采集棒3可采集任一垂直于环形径向方向的振动能量，从而实现三维振动能量的采集；同时通过调节压电采集片和压电采集棒的尺寸，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；另外也可通过调节压电采集片的形状和压电采集棒的数量，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 (6)
1.一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，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）、第三压电采集棒（4）、压电采集片（5），所述柔性主梁（1）为环形结构，中部开有圆孔；所述第一压电采集棒（2）沿柔性主梁（1）的轴线方向，垂直粘结固定于柔性主梁（1）的环形上表面，所述第二压电采集棒（3）沿径向分布，一端嵌入固定于柔性主梁（1）的环形外侧壁，另一端指向环形外侧，所述压电采集片（5）的形状呈平面放射状，末端嵌入固定在柔性主梁（1）的内圈，中部表面采用AB胶粘结固定在第三压电采集棒（4）的底部，所述第一压电采集棒（2）及第二压电采集棒（3）包括有主芯（6）、柔性压电层（7）及柔性导电层（9），所述主芯（6）为圆柱结构，所述柔性导电层（9）包覆于主芯（6）的侧部表面，所述柔性压电层（7）粘贴于柔性导电层（9）的下部外表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，其特征在于：所述第三压电采集棒（4）包括有主芯（6）、柔性压电层（7）及柔性导电层（9），所述主芯（6）为圆柱结构，所述柔性导电层（9）包覆于主芯（6）的侧部表面，所述柔性压电层（7）粘贴于柔性导电层（9）的下部外表面，所述主芯（6）的末端长度超出柔性导电层（9）及柔性压电层（7）。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，其特征在于：所述压电采集片（5）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）的末端上表面，且与第三压电采集棒（4）不接触。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，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。
5.根据权利要求1所述的一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，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。
6.根据权利要求3所述的一种基于柔性主梁的三维环形宽频压电振动能量采集结构，其特征在于：所述主芯（6）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（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，所述柔性导电层（9）选用铝箔和铜箔中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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