CN112865600A - 一种宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，包括：柔性框架主梁结构、若干个压电悬臂梁和若干个圆柱形采集棒，其中柔性框架主梁结构为矩形，柔性框架主梁结构包括柔性主梁和中空矩形孔，其中若干个压电悬臂梁和若干个圆柱形采集棒粘贴在柔性主梁上。采用压电悬臂梁和圆柱采集棒结合的设计方法，其中压电悬臂梁的振动主要是采集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。
Description
技术领域
本发明涉及压电振动能量采集领域，特别是涉及一种宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构。
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
本发明的目的是提供一种宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，以解决上述现有技术存在的问题，使能量采集器固有频率降低，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。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，包括：柔性框架主梁结构、若干个压电悬臂梁和若干个圆柱形采集棒，所述柔性框架主梁结构包括若干个柔性主梁、若干个中空孔，所述若干个压电悬臂梁和所述若干个圆柱形采集棒固定在所述柔性主梁上。
进一步的，所述压电悬臂梁的分布包括三种情况：
所述柔性主梁的长边主梁上，所述压电悬臂梁没有质量块的一端固定在主梁上，另一端在所述柔性框架主梁结构外侧；
所述柔性主梁的短边主梁上，所述压电悬臂梁没有质量块的一端固定在主梁上，另一端在所述柔性框架主梁结构内侧；
所述短边主梁与其他主梁相交的位置上，所述压电悬臂梁没有质量块的一端固定在主梁上，另一端在所述柔性框架主梁结构外侧。
进一步的，所述若干个中空孔的大小相等、间距相等。
进一步的，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，包括：聚偏二氟乙烯PVDF或聚二甲基硅氧烷PDMS。
进一步的，所述压电悬臂梁包括基板、压电层和质量块，所述压电层与所述基板通过导电银胶粘合，所述质量块粘附在基板的悬浮端；所述基板选用弹性模量小且强度大，能承受较大形变的材料，所述质量块选用密度大、廉价、易加工的金属材料，所述压电层为压电材料薄膜，选用压电性强，压电常数高的压电材料，包括：PZT、PVDF、ZnO、AlN、BaTiO3，选用其中一种或其中两种或两种以上的复合物，或者其中一种与C基材料的复合物中的一种，所述C基材料包括：石墨烯，乙炔黑，碳纳米管。
进一步的，所述圆柱形采集棒包括里面的柱形采集芯和外面的压电包裹层，所述柱形采集芯采用铝柱形芯或铜柱形芯，所述压电包裹层包括： PZT、PVDF、ZnO、AlN、BaTiO3，选用其中一种或其中两种或两种以上的复合物薄膜，或者其中一种与C基材料的复合物薄膜中的一种，所述C基材料包括：石墨烯，乙炔黑，碳纳米管。
进一步的，所述圆柱形采集棒的固定方法分为两种：
所述柔性框架主梁结构外部的四条边固定满所述压电悬臂梁，则将所述圆柱形采集棒固定在所述柔性框架主梁结构的四条边以内的主梁上；
所述柔性框架主梁结构外部的四条边没有固定满所述压电悬臂梁，则将所述圆柱形采集棒固定在所述柔性框架主梁结构的四条边以内的主梁上，再固定在外部四条边的主梁上压电悬臂梁之间的空隙。
进一步的，所述压电悬臂梁采集Z轴方向的振动，所述圆柱采集棒采集XY轴方向的振动，通过所述压电悬臂梁和所述圆柱采集棒结合获得三维方向的振动采集。
进一步地，所述圆柱形采集棒和所述压电悬臂梁也能粘贴在所述柔性框架主梁结构背面的主梁上。
本发明公开了以下技术效果：
采用压电悬臂梁和圆柱采集棒结合的设计方法，其中压电悬臂梁的振动主要是采集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。
采用复合阵列结构。通过调节柔性主梁上的压电悬臂梁和采集棒的尺寸，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。
结构中采用压电悬臂梁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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种宽频带三维方向振动能量采集阵列结构示意图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
实施例1
假设柔性框架主梁为矩形，则有下列实施例：
一种宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，包括柔性框架主梁结构，压电悬臂梁和圆柱形采集棒；柔性框架主梁为矩形，选定矩形长边方向的一条中心线作为轴线，矩形上面沿该轴线方向和垂直该轴线的方向分别开有四个大小相等间距相等的中空矩形孔，所有中空矩形孔沿轴线方向两侧的实体部分作为柔性主梁，共有六条柔性主梁；该六条主梁包括矩形四条边形成的四条主梁和四个中空矩形形成的两条十字交叉主梁；矩形四条边形成的四条主梁均粘贴多个压电悬臂梁，其中沿矩形长边方向的两条主梁上粘贴有与其垂直的悬臂梁，两侧各有四个悬臂梁，且每一侧的四个悬臂梁带有质量块的一边均朝外侧，不带质量块的一边分别粘贴在沿矩形长边方向的主梁上，其中沿矩形短边方向的两条主梁均粘贴五个悬臂梁，以轴线方向为中心轴，中心轴上两侧主梁上分别粘贴一个悬臂梁，粘贴有质量块的一边朝外，不含质量块的一边粘贴在主梁上；矩形短边方向的每一侧主梁有四个悬臂梁，且用中心轴分开，每侧有两个悬臂梁，粘贴有质量块的一边在中空矩形里面，不含质量块的一边粘贴在矩形短边方向主梁上；四个中空矩形形成的两条十字交叉主梁上分布着圆柱状的能量采集棒，每一条主梁上五个，总计九个能量采集棒，所述圆柱形采集棒和所述压电悬臂梁也能粘贴在所述柔性框架主梁结构背面的主梁上，且所述圆柱形采集棒的大小也没有限定，所述压电悬臂梁的大小，长短也没有进行限定。
所述的宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，包括柔性框架主梁结构，压电悬臂梁和圆柱形采集棒。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，本发明优选选自聚偏二氟乙烯PVDF和聚二甲基硅氧烷PDMS中的一种。所述的压电悬臂梁包括基板和压电层，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，质量块粘附在基板的悬浮端。基板选用弹性模量小且强度大，能承受较大形变的材料，本发明优选选自铝片和铜片中的一种。压电悬臂梁的压电层选用压电性强，压电常数高的压电材料，本发明优选选自PZT、PVDF、ZnO、AlN、BaTiO3或者它们之间的两种或两种以上的复合物，或者它们与C基材料的复合物中的一种，所述C基材料包括：石墨烯，乙炔黑，碳纳米管。质量块选用密度大，廉价，易加工的金属材料，本发明优选铁块。圆柱形采集棒包括柱形采集芯和外面压电包裹层，柱形采集芯优选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基材料的复合物薄膜中的一种，所述C基材料包括：石墨烯，乙炔黑，碳纳米管。
本发明的工作原理为：柔性框架主梁结构两端固定(沿矩形短边的两端)，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悬臂梁和圆柱采集棒一起振动，压电悬臂梁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。压电悬臂梁的振动主要是采集Z轴方向的振动，圆柱采集棒主要是采集XY轴方向的振动，通过采用压电悬臂梁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悬臂梁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的优选方式进行描述，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 (9)
1.一种宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，其特征在于：包括：柔性框架主梁结构、若干个压电悬臂梁和若干个圆柱形采集棒，所述柔性框架主梁结构包括若干个柔性主梁、若干个中空孔，所述若干个压电悬臂梁和所述若干个圆柱形采集棒固定在所述柔性主梁上。
2.根据权利要求1所述的宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，其特征在于：所述压电悬臂梁的分布包括三种情况：
所述柔性主梁的长边主梁上，所述压电悬臂梁没有质量块的一端固定在主梁上，另一端在所述柔性框架主梁结构外侧；
所述柔性主梁的短边主梁上，所述压电悬臂梁没有质量块的一端固定在主梁上，另一端在所述柔性框架主梁结构内侧；
所述短边主梁与其他主梁相交的位置上，所述压电悬臂梁没有质量块的一端固定在主梁上，另一端在所述柔性框架主梁结构外侧。
3.根据权利要求1所述的宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，其特征在于：所述若干个中空孔的大小相等、间距相等。
4.根据权利要求1所述的宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，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，包括：聚偏二氟乙烯PVDF或聚二甲基硅氧烷PDMS。
5.根据权利要求1所述的宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，其特征在于：所述压电悬臂梁包括基板、压电层和质量块，所述压电层与所述基板通过导电银胶粘合，所述质量块粘附在基板的悬浮端；所述基板选用弹性模量小且强度大，能承受较大形变的材料，所述质量块选用密度大、廉价、易加工的金属材料，所述压电层为压电材料薄膜，选用压电性强，压电常数高的压电材料，包括：PZT、PVDF、ZnO、AlN、BaTiO3，选用其中一种或其中两种或两种以上的复合物，或者其中一种与C基材料的复合物中的一种，所述C基材料包括：石墨烯，乙炔黑，碳纳米管。
6.根据权利要求1所述的宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，其特征在于：所述圆柱形采集棒包括里面的柱形采集芯和外面的压电包裹层，所述柱形采集芯采用铝柱形芯或铜柱形芯，所述压电包裹层包括：PZT、PVDF、ZnO、AlN、BaTiO3，选用其中一种或其中两种或两种以上的复合物薄膜，或者其中一种与C基材料的复合物薄膜中的一种，所述C基材料包括：石墨烯，乙炔黑，碳纳米管。
7.根据权利要求1所述的宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，其特征在于：所述圆柱形采集棒的固定方法分为两种：
所述柔性框架主梁结构的外部的四条边固定满所述压电悬臂梁，则将所述圆柱形采集棒固定在所述柔性框架主梁结构的四条边以内的主梁上；
所述柔性框架主梁结构外部的四条边没有固定满所述压电悬臂梁，则将所述圆柱形采集棒固定在所述柔性框架主梁结构的四条边以内的主梁上，再固定在外部四条边的主梁上压电悬臂梁间的空隙。
8.根据权利要求1所述的宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，其特征在于：所述压电悬臂梁采集Z轴方向的振动，所述圆柱采集棒采集XY轴方向的振动，通过所述压电悬臂梁和所述圆柱采集棒结合获得三维方向的振动采集。
9.根据权利要求1所述的宽频带三维方向压电振动能量采集阵列结构，其特征在于：所述圆柱形采集棒和所述压电悬臂梁也能粘贴在所述柔性框架主梁结构背面的主梁上。
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2020
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