CN112865599A - 一种基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构,包括柔性框架主梁结构,压电采集长薄片和圆柱形采集棒；本发明的工作原理为：所述柔性框架主梁结构固定，当把本发明放置于实际环境振动体系中时，在外界的激励下，柔性框架主梁结构的固定端振动并带动整个柔性框架主梁结构振动，从而使粘贴在柔性框架主梁结构表面上的压电采集长薄片和圆柱采集棒一起振动，压电采集长薄片和圆柱采集棒通过在振动中发生形变将机械振动能转化为电能。压电采集长薄片的振动主要是采集Z轴方向的振动，圆柱采集棒主要是采集XY轴方向的振动，通过采用压电采集长薄片和圆柱采集棒结合的设计方法，实现三维方向的能量采集，提高能量采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及微能源技术领域，特别是涉及一种基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构。
背景技术
随着无线传感网络和微电子技术的飞速发展，微纳电子传感器在野外环境监测，工况安全监控，智能交通管理，生物医疗辅助治愈以及军事安全应用等方面得到了广泛的应用。在上述这些特殊领域中，依靠体积大、寿命短且污染环境的化学电池或者复杂、困难且成本高昂的有线架接方式供能存在很多缺点。因此，研究者将目光聚焦在采集传感器周围环境中的能量上，目的是取代传统能量供应方法为低功耗的微纳电子器件供电。
振动能量是自然环境中一种高密度的可再生能源，广泛存在于高铁、飞机、汽车、桥梁、大楼以及人体运动和生命活动中。与水能和太阳能等环境中可再生能源方式相比，振动能源对于上述特殊应用环境下的低功耗便携式微纳传感器件供能具有不可替代的优点。因此，压电式能量采集器件因其成本低，环境友好和结构简单等优点吸引了研究者的广泛关注。传统压电振动能量采集器固有频率较高、工作频带较窄、能量转化效率低、输出功率小，成本高昂，结构复杂，这些缺陷远远不能满足为微纳电子器件的供电需求。那么，如何降低能量采集器固有频率，拓宽采集器频带，提高振动采集器的能量转化效率和器件的输出功率，这些问题是振动能量采集领域急需解决的关键难题。
发明内容
本发明提供一种基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，通过调节柔性主梁上的压电采集长薄片和采集棒的尺寸，改变不同柔性主梁的有效质量，实现不同柔性主梁间的振动模态分离，提高了能量采集器输出的连续性和稳定性，增强振动能量采集器的环境适应能力。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，包括柔性框架主梁结构、压电采集长薄片和圆柱形采集棒；所述柔性框架主梁结构为正n边形，n为偶数，中空正n边形的n条边为柔性主梁；所述柔性主梁构成的n边形的各个顶点上分别固定有圆柱形采集棒；在所述柔性主梁上分别固定若干个压电采集长薄片。
优选地，所述柔性主梁上的压电采集长薄片有两种位置关系：
压电采集长薄片自由端设置在所述中空正n边形内侧，所述压电采集长薄片的另一端固定在所述柔性主梁上；
压电采集长薄片自由端设置在所述中空正n边形外侧，所述压电采集长薄片的另一端固定在所述柔性主梁上。
优选地，每相邻两条柔性主梁上压电采集长薄片的排列方式不同。
优选地，所述柔性框架主梁结构采用低杨氏模量的高弹性分子材料，选自聚偏二氟乙烯或者聚二甲基硅氧烷。
优选地，所述压电采集长薄片包括基板和压电层，所述压电层为压电材料薄膜，与所述基板通过导电银胶相连,所述压电采集长薄片通过高粘度胶水与柔性主梁粘合。
优选地，所述压电采集长薄片的压电层选用压电性强、压电常数高的柔性压电材料。
优选地，所述圆柱形采集棒包括柱形采集芯和包裹在所述柱形采集芯外面的压电包裹层。
优选地，所述柱形采集芯的为铝柱形芯或者铜柱形芯。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用压电长薄片和圆柱采集棒结合的设计方法，其中压电长薄片的振动主要是采集Z轴方向的振动，圆柱采集棒主要是采集XY轴方向的振动，实现三维方向的能量采集，提高能量采集效率；
(2)本发明采用复合阵列结构，通过调节柔性主梁上的压电长薄片和采集棒的尺寸，改变不同柔性主梁的有效质量，实现不同柔性主梁间的振动模态分离，进而达到三维方向上拓宽低频频带的效果，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；
(3)本发明采用压电长薄片和圆柱状采集棒阵列，能量采集器中压电悬臂梁和圆柱状采集棒的数量增加，输出电压增大，同时提高了系统的输出功率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，包括柔性框架主梁结构、压片采集长薄片和圆柱形采集棒；本实施例所选择的正n边形为正四边形，所述柔性框架主梁结构为正四边形，所述中空正四边形的四条边为柔性主梁；在由所述柔性主梁所构成的正四边形的四个顶点上分别粘贴四个圆柱形采集棒。
在任意一条柔性主梁上的两侧粘贴压电采集长薄片，所述压电采集长薄片自由端在中空正四边形内侧，所述压电采集长薄片的另一端固定在所述柔性主梁上，位于中间的压电采集长薄片的自由端在中空正四边形的外侧，另一端固定在所述柔性主梁上。与之相邻的一条柔性主梁，位于其两侧的压电采集长薄片的自由端在中空正四边形的外侧，另一端粘贴在柔性主梁上，位于中间的压电采集长薄片的自由端在中空正方形的内侧，另一端粘贴在柔性主梁上，每相邻的两条柔性主梁上的压电采集长薄片的排列方式不同。
所述柔性主梁结构采用低杨氏模量的高弹性分子材料，本发明选自聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的一种。所述压电采集长薄片包括基板和压电层，其中压电层为压电材料薄膜，与基板一端之间通过导电银胶粘合。压电采集长薄片的压电层选用压电性强，压电常数高的压电材料，本发明选自PZT、PVDF、ZnO、AlN、BaTiO3或者它们之间的两种或两种以上的复合物薄膜，或者它们与C基材料(石墨烯，乙炔黑，碳纳米管)的复合物薄膜中的一种。圆柱形采集棒包括柱形采集芯和外面压电包裹层，柱形采集芯选自铝柱形芯和铜柱形芯中的一种，压电包裹层优选选自PZT、PVDF、ZnO、AlN、BaTiO3或者它们之间的两种或两种以上的复合物薄膜，或者它们与C基材料(石墨烯，乙炔黑，碳纳米管)的复合物薄膜中的一种。
柔性框架主梁结构四端固定，把本发明结构放置于实际环境振动体系中时，在外界的激励下，柔性框架主梁结构的固定端振动并带动整个柔性框架主梁结构振动，从而使粘贴在柔性框架主梁结构表面上的压电长薄片和圆柱采集棒一起振动，压电长薄片和圆柱采集棒通过在振动中发生形变将机械振动能转化为电能。压电长薄片的振动主要是采集Z轴方向的振动，圆柱采集棒主要是采集XY轴方向的振动，通过采用压电长薄片和圆柱采集棒结合的设计方法，实现三维方向的能量采集，提高能量采集效率；同时，调节柔性主梁上压电长薄片和柱形采集棒的尺寸来改变柔性主梁的有效质量，实现不同柔性主梁间的振动模态分离，进而达到拓宽低频频带的效果。所有压电悬臂梁采用串联结构实现连接。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，其特征在于，包括柔性框架主梁结构、压电采集长薄片和圆柱形采集棒；所述柔性框架主梁结构为正n边形，n为偶数，中空正n边形的n条边为柔性主梁；所述柔性主梁构成的n边形的各个顶点上分别固定有圆柱形采集棒；在所述柔性主梁上分别固定若干个压电采集长薄片。
2.根据权利要求1所述的基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，其特征在于，所述柔性主梁上的压电采集长薄片有两种位置关系：
压电采集长薄片自由端设置在所述中空正n边形内侧，所述压电采集长薄片的另一端固定在所述柔性主梁上；
压电采集长薄片自由端设置在所述中空正n边形外侧，所述压电采集长薄片的另一端固定在所述柔性主梁上。
3.根据权利要求2所述的基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，其特征在于，每相邻两条柔性主梁上压电采集长薄片的排列方式不同。
4.根据权利要求1所述的基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，其特征在于，所述柔性框架主梁结构采用低杨氏模量的高弹性分子材料，选自聚偏二氟乙烯或者聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，其特征在于，所述压电采集长薄片包括基板和压电层，所述压电层为压电材料薄膜，与所述基板通过导电银胶相连,所述压电采集长薄片通过高粘度胶水与柔性主梁粘合。
6.根据权利要求5所述的基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，其特征在于，所述压电采集长薄片的压电层选用压电性强、压电常数高的柔性压电材料。
7.根据权利要求1所述的基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，其特征在于，所述圆柱形采集棒包括柱形采集芯和包裹在所述柱形采集芯外面的压电包裹层。
8.根据权利要求7所述的基于长薄片和棒状组合的三维宽频振动能量采集结构，其特征在于，所述柱形采集芯的为铝柱形芯或者铜柱形芯。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| 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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