CN113507235A - 一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，包括支架、下拱形梁、下折叠梁、上拱形梁、上折叠梁和压电基体，下拱形梁和下折叠梁均固定连接于支架内腔的底部，上拱形梁和上折叠梁均固定连接于支架内腔的顶部，压电基体左端的顶部和底部均固定连接有质量块，压电基体中间的顶部粘贴有上压电片，压电基体中间的底部粘贴有下压电片。本发明提高了结构的振动敏感性和压电材料的使用率，拓宽了振动能量采集的频率带宽范围，提高了压电材料产生的极化电压，实现了微振动环境和复杂振动环境的的振动俘能，增加了装置的普适应，解决了现有的振动俘能装置振动敏感性低、压电材料利用率较低、振动俘获频率带宽范围较窄的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，具体属于压电振动俘能及新能源开发技术领域。
背景技术
近年来，电子设备的发展已进入小型化、低功耗的时代，而给无线传感器提供长期稳定的电源一直是阻碍无线传感器网络发展进程的一个重要问题。化学电池的使用往往会限制无线传感器网络的广泛应用，因为设备中使用的电池有几个致命的缺点，如：寿命短，功率密度低，产生有害废物和维护成本高等。压电式振动俘能方式由于具有体积小、高能量密度等优点，获得了广泛的关注。传统单稳态压电振动俘能装置由于采集频带较窄，因此很难适用于宽频带的振动环境。通常传统的压电振动俘能器是以单个压电悬臂梁为基础，在对振动能量的俘获与转化中存在一些问题，如在微振动环境中，结构对振动的敏感性较低，从而导致振动能量俘获效果较差，不具备普遍适应性，同时传统的振动俘能装置对于振动采集的频带较为固定，带宽范围较窄，在复杂的振动环境中存在能量俘获率较低，并且传统的振动俘能装置对于压电材料的利用率也有待提高。所以现在急需一种具备振动敏感性高、采集频率带宽范围较大、压电材料利用率高，能够在微振动环境和复杂振动环境中进行高效压电振动俘能的装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，降低了俘能装置的一阶固有频率，提高了结构的振动敏感性，实现了微振动环境中的振动能量俘获,同时提高装置对压电材料的利用率，增大了俘能时产生的极化电压，并且拓宽了装置振动采集频率的带宽范围，实现了多环境、复杂化的振动能量俘获，解决了现有的振动俘能装置振动敏感性低、压电材料利用率较低、振动俘获频率带宽范围较窄的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，包括支架、下拱形梁、下折叠梁、上拱形梁、上折叠梁和压电基体，所述下拱形梁和下折叠梁均固定连接于支架内腔的底部，所述上拱形梁和上折叠梁均固定连接于支架内腔的顶部，所述压电基体左端的顶部和底部均固定连接有质量块，所述压电基体中间的顶部粘贴有上压电片，所述压电基体中间的底部粘贴有下压电片。
进一步的，所述上拱形梁和下拱形梁的右端分别与支架内腔的顶部和底部固定连接，所述上拱形梁和下拱形梁的左端分别可以沿着支架内腔的顶部和底部滑动，所述上拱形梁和下拱形梁均弯曲成半圆状，所述上拱形梁的拱形底部与上压电片的顶部相接触，所述下拱形梁的拱形顶部与下压电梁的底部相接触，所述上拱形梁和下拱形梁均采用H60的黄铜材料，所述上拱形梁和下拱形梁的厚度为0.2mm。
进一步的，所述上折叠梁的顶部与支架内腔顶部的右侧固定连接，所述上折叠梁的底部与压电基体顶部的右侧固定连接，所述下折叠梁的底部与支架内腔底部的右侧固定连接，所述下折叠梁的顶部与压电基体底部的右侧固定连接，所述上折叠梁和下折叠梁均通过73mm*12mm*0.2mm的H60黄铜片经过六次S型的折叠制得，所述压电基体通过上折叠梁和下折叠梁进行支撑。
进一步的，所述压电基体采用H60黄铜材料，且尺寸为80mm*12mm*0.3mm，所述上压电片和下压电片均采用PZT-5H压电陶瓷片，且尺寸均为50mm*10mm*0.2mm，所述支架为U型，采用厚度为0.5mm的亚克力材料粘贴制成，所述下压电片的下表面和上压电片的上表面均焊接有导线，所述压电基体焊接有导线。
进一步的，具体俘能方法包括如下步骤：
A.首先将支架安装于外界振动采集平台上，当外界振动平台开始上下振动时，支架随振动平台上下振动，带动上折叠梁和下折叠梁振动变形，同时压电基体开始上下摆动，摆动时压电基体发生弯曲变形，迫使上压电片和下压电片发生弯曲变形产生极化电压，在压电基体上下摆动的同时，与上压电片和下压电片相接触的上拱形梁和下拱形梁在受到压力时产生弹性形变，形变时产生的弹力反作用于上压电片和下压电片，迫使上压电片和下压电片发生压缩变形，产生与弯曲变形同方向的极化电压，形成压电片的压缩—弯曲复合变形，所产生极化电压相叠加，提高了压电材料的利用率，增大了能量俘获效率，实现了装置较高电压输出。
B.当外界振动源使压电俘能装置上下振动时，外界激振力通过支架作用于压电基体左端质量块，使质量块上下振动，同时上拱形梁和下拱形梁分别充当支点，使得压电基体的左右两端反向运动，此外与压电基体右端上下表面固定连接的上折叠梁和下折叠梁受到压电基体的压力产生反作用的回弹力，使得压电基体长时间处于动态平衡振动过程，从而使该压电俘能装置达到双稳态效果，带动压电材料不间断的发生压缩—弯曲变形，产生极化电压，形成振动能向电能的转化，实现了压电俘能装置的宽频带采集。
C.当外界振动源使支架上下振动时，外界激振力通过上折叠梁和下折叠梁传递至压电基体，上折叠梁和下折叠梁因为其材料和结构特性，对振动具备良好的振动敏感性，通过物理弹性放大传递至压电基体的振动，配合压电基体左侧的质量块调节振动固有频率特性，形成压电俘能装置的低频响应特性，实现了本装置对低频微振环境的俘能。
本发明提供了一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，通过采用铜质弹片多次折叠制成上折叠梁和下折叠梁，凭借其结构和材料的特性，增加了装置结构对振动的敏感性和对振动物理放大特性，降低了装置结构振动一阶固有频率，提高了装置对微振环境能量俘获性能，增强了振动俘能装置对于振动环境的普适性；同时使上拱形梁和下拱形梁的右端固定，左端不固定，使上拱形梁和下拱形梁在受到压力作用时，产生一定反作用的回弹力，使上压电片和下压电片产生压缩变形，配合质量块上下振动使上压电片和下压电片产生的弯曲变形，从而使得装置在振动时上压电片和下压电片均能够产生压缩—弯曲复合变形，大大提高了压电材料的利用率，增大了振动俘能装置产生的极化电压，增强了振动俘能效率。采用具有良好弹性的上折叠梁对压电基体的右侧进行压迫和下折叠梁对压电基体的右侧进行支撑，同时使用上拱形梁和下拱形梁充当支点，配合质量块的上下振动作用，使得粘贴有上压电片和下压电片的压电基体长时间处于动态平衡振动过程，从而使该压电俘能装置达到双稳态效果，大大的拓宽了振动俘能装置的采集频带，更好的在复杂振动中起到能量收集作用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的主视视图；
图3为本发明的局部结构示意图。
图中：1支架、2质量块、3下拱形梁、4下压电片、5下折叠梁、6上压电片、7上拱形梁、8压电基体、9上折叠梁。
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。
请参阅图1-3，一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，包括支架1、下拱形梁3、下折叠梁5、上拱形梁7、上折叠梁9和压电基体8，下拱形梁3和下折叠梁5均固定连接于支架1内腔的底部，上拱形梁7和上折叠梁9均固定连接于支架1内腔的顶部，压电基体8左端的顶部和底部均固定连接有质量块2，压电基体8中间的顶部粘贴有上压电片6，压电基体8中间的底部粘贴有下压电片4。
上拱形梁7和下拱形梁3的右端分别与支架1内腔的顶部和底部固定连接，上拱形梁7和下拱形梁3的左端分别可以沿着支架内腔的顶部和底部滑动，上拱形梁7和下拱形梁3均弯曲成半圆状，上拱形梁7的拱形底部与上压电片6的顶部相接触，下拱形梁3的拱形顶部与下压电梁的底部相接触，上拱形梁7和下拱形梁3均采用H60的黄铜材料，上拱形梁7和下拱形梁3的厚度为0.2mm。
上折叠梁9的顶部与支架1内腔顶部的右侧固定连接，上折叠梁9的底部与压电基体8顶部的右侧固定连接，下折叠梁5的底部与支架1内腔底部的右侧固定连接，下折叠梁5的顶部与压电基体8底部的右侧固定连接，上折叠梁9和下折叠梁5均通过73mm*12mm*0.2mm的H60黄铜片经过六次S型的折叠制得，压电基体8通过上折叠梁9和下折叠梁5进行支撑。
压电基体8采用H60黄铜材料，且尺寸为80mm*12mm*0.3mm,上压电片6和下压电片4均采用PZT-5H压电陶瓷片，且尺寸均为50mm*10*0.2mm，支架1为U型，采用厚度为0.5mm的亚克力材料粘贴制成，下压电片4的下表面和上压电片6的上表面均焊接有导线，压电基体8焊接有导线。
具体俘能方法包括如下步骤：
A.首先将支架1安装于外界振动采集平台上，当外界振动平台开始上下振动时，支架1随振动平台上下振动，带动上折叠梁9和下折叠梁5振动变形，同时压电基体8开始上下摆动，摆动时压电基体8发生弯曲变形，迫使上压电片6和下压电片4发生弯曲变形产生极化电压，在压电基体8上下摆动的同时，与上压电片6和下压电片4相接触的上拱形梁7和下拱形梁3在受到压力是产生弹性形变，形变时产生的弹力反作用于上压电片6和下压电片4，迫使上压电片6和下压电片4发生压缩变形，产生与弯曲变形同方向的极化电压，形成压电片的压缩—弯曲复合变形，所产生极化电压相叠加，提高了压电材料的利用率，增大了能量俘获效率，实现装置较高电压输出。
B.当外界振动源使压电俘能装置上下振动时，外界激振力通过支架1作用于压电基体8左端质量块2，使质量块2上下振动，同时上拱形梁7和下拱形梁3分别充当支点，使得压电基体8的左右两端反向运动，此外与压电基体8右端上下表面固定连接的上折叠梁9和下折叠梁5受到压电基体8的压力产生反作用的回弹力，使得压电基体8长时间处于动态平衡振动过程，从而使该压电俘能装置达到双稳态效果，带动压电材料不间断的产生压缩—弯曲变形，产生极化电压，形成振动能向电能的转化，实现了压电俘能装置的宽频带采集。
C.当外界振动源使支架1上下振动时，外界激振力通过上折叠梁9和下折叠梁5传递至压电基体8，上折叠梁9和下折叠梁5因为其材料和结构特性，对振动具备良好的振动敏感性，通过物理弹性放大传递至压电基体8的振动，配合压电基体8左侧的质量块2调节振动固有频率特性，形成压电俘能装置的低频响应特性，实现了本装置对低频微振环境的俘能。
本发明提供了一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，通过采用铜质弹片多次折叠制成上折叠梁9和下折叠梁5，凭借其结构和材料的特性，增加了装置结构对振动的敏感性和对振动物理放大特性，降低了装置结构振动一阶固有频率，提高了装置对微振环境能量俘获性能，增强了振动俘能装置对于振动环境的普适性；同时使上拱形梁7和下拱形梁3的右端固定，左端不固定，使上拱形梁7和下拱形梁3在受到压力作用时，产生一定反作用的回弹力，使上压电片6和下压电片4产生压缩变形，配合质量块2上下振动使上压电片6和下压电片4产生的弯曲变形，从而使得装置在振动时上压电片6和下压电片4均能够产生压缩—弯曲复合变形，大大提高了压电材料的利用率，增大了振动俘能装置产生的极化电压，增强了振动俘能效率。采用具有良好弹性的上折叠梁9对压电基体8的右侧进行压迫和下折叠梁5对压电基体8的右侧进行支撑，同时使用上拱形梁7和下拱形梁3充当支点，配合质量块的上下振动作用，使得粘贴有上压电片6和下压电片4的压电基体8长时间处于动态平衡振动过程，从而使该压电俘能装置达到双稳态效果，大大的拓宽了振动俘能装置的采集频带，更好的在复杂振动中起到能量收集作用。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，包括支架(1)、下拱形梁(3)、下折叠梁(5)、上拱形梁(7)、上折叠梁(9)和压电基体(8)，其特征在于：所述下拱形梁(3)和下折叠梁(5)均固定连接于支架(1)内腔的底部，所述上拱形梁(7)和上折叠梁(9)均固定连接于支架(1)内腔的顶部，所述压电基体(8)左端的顶部和底部均固定连接有质量块(2)，所述压电基体(8)中间的顶部粘贴有上压电片(6)，所述压电基体(8)中间的底部粘贴有下压电片(4)。
2.根据权利要求1所述的一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，其特征在于：所述上拱形梁(7)和下拱形梁(3)的右端分别与支架(1)内腔的顶部和底部固定连接，所述上拱形梁(7)和下拱形梁(3)的左端分别可以沿着支架(1)内腔的顶部和底部滑动，所述上拱形梁(7)和下拱形梁(3)均弯曲成半圆状，所述上拱形梁(7)的拱形底部与上压电片(6)的顶部相接触，所述下拱形梁(3)的拱形顶部与下压电梁的底部相接触，所述上拱形梁(7)和下拱形梁(3)均采用H60的黄铜材料，所述所述上拱形梁(7)和下拱形梁(3)的厚度为0.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，其特征在于：所述上折叠梁(9)的顶部与支架(1)内腔顶部的右侧固定连接，所述上折叠梁(9)的底部与压电基体(8)顶部的右侧固定连接，所述下折叠梁(5)的底部与支架(1)内腔底部的右侧固定连接，所述下折叠梁(5)的顶部与压电基体(8)底部的右侧固定连接，所述上折叠梁(9)和下折叠梁(5)均通过73mm*12mm*0.2mm的H60黄铜片经过六次S型的折叠制得，所述压电基体(8)通过上折叠梁(9)和下折叠梁(5)进行支撑。
4.根据权利要求1所述的一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，其特征在于：所述压电基体(8)采用H60黄铜材料，且尺寸为80mm*12mm*0.3mm,所述上压电片(6)和下压电片(4)均采用PZT-5H压电陶瓷片，且尺寸均为50mm*10*0.2mm，所述支架(1)为U型，采用厚度为0.5mm的亚克力材料粘贴制成，所述下压电片(4)的下表面和上压电片(6)的上表面均焊接有导线，所述压电基体(8)焊接有导线。
5.根据权利要求1所述的一种压缩—弯曲复合变形压电振动俘能装置及俘能方法，其特征在于：具体俘能方法包括如下步骤：
A.首先将支架(1)安装于外界振动采集平台上，当外界振动平台开始上下振动时，支架(1)随振动平台上下振动，带动上折叠梁(9)和下折叠梁(5)振动变形，同时压电基体(8)开始上下摆动，摆动时压电基体(8)发生弯曲变形，迫使上压电片(6)和下压电片(4)发生弯曲变形产生极化电压，在压电基体(8)上下摆动的同时，与上压电片(6)和下压电片(4)相接触的上拱形梁(7)和下拱形梁(3)在受到压力时产生弹性形变，形变时产生的弹力反作用于上压电片(6)和下压电片(4)，迫使上压电片(6)和下压电片(4)发生压缩变形，产生与弯曲变形同方向的极化电压，形成压电片的压缩—弯曲复合变形，所产生极化电压相叠加，提高了压电材料的利用率，增大了能量俘获效率，实现了装置较高电压输出。
B.当外界振动源使压电俘能装置上下振动时，外界激振力通过支架(1)作用于压电基体(8)左端质量块(2)，使质量块(2)上下振动，同时上拱形梁(7)和下拱形梁(3)分别充当支点，使得压电基体(8)的左右两端反向运动，此外与压电基体(8)右端上下表面固定连接的上折叠梁(9)和下折叠梁(5)受到压电基体(8)的压力产生反作用的回弹力，使得压电基体(8)长时间处于动态平衡振动过程，从而使该压电俘能装置达到双稳态效果，带动压电材料不间断的产生压缩—弯曲变形，产生极化电压，形成振动能向电能的转化，实现了压电俘能装置的宽频带采集。
C.当外界振动源使支架(1)上下振动时，外界激振力通过上折叠梁(9)和下折叠梁(5)传递至压电基体(8)，上折叠梁(9)和下折叠梁(5)因为其材料和结构特性，对振动具备良好的振动敏感性，通过物理弹性放大传递至压电基体(8)的振动，配合压电基体(8)左侧的质量块(2)调节振动固有频率特性，形成压电俘能装置的低频响应特性，实现了本装置对低频微振环境的俘能。
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