CN113556057A - 一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实例公开了一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，涉及振动能量收集技术领域。收集装置包括固定块(1、9、10、11)、压电陶瓷片(2)、悬臂梁(3、6、8)、质量块(4、7)、弹簧(5)组成。四个固定块(1、9、10、11)夹紧三个悬臂梁(3、6、8)，三悬臂梁(3、6、8)平行固定在四个固定块间，固定块(9、10)的高度控制三个悬臂梁(3、6、8)的间距；两个质量块(4、7)分别位于两悬臂梁(3、6)外伸末端；质量块(7)也做碰撞块，工作时与悬臂梁(8)发生碰撞；弹簧(5)连接悬臂梁(3)和悬臂梁(6)，使之组合成内共振结构；六块压电陶瓷片(2)分别固定于三个悬臂梁根部上下两面。本发明能够拓宽悬臂梁能量收集的振动频带宽度，提高振动能量收集效率。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集技术领域，更具体地说，涉及一种悬臂梁宽频压电振动能量收集装置。
背景技术
随着低功耗微电子技术的发展，射频识别发射器、无线传感器及各类植入式微机电系统传感器的功耗逐渐降低，这使得通过收集周围环境中的能量为各类微型电子设备供能成为可能。
目前，在振动能量收集的三种主要方式中，电磁式振动能量收集器优点是技术成熟、输出功率较大但是结构尺寸受限还会产生电磁干扰；静电式振动能量收集器需要有外部电源才能工作，严重限制了其应用场景；而压电式振动能量收集器具有无需外加电源、电磁兼容性强、机电耦合效率高以及结构尺寸适合微机电系统供能的需求，但已有的悬臂梁压电振动能量收集装置的工作频带较窄，能量收集效率不高，很难满足微型电子设备的需要。
发明内容
针对背景技术中所述的现有悬臂梁压电振动能量收集装置的不足，本发明提供一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，能拓宽悬臂梁振动能量收集频带，提高能量收集效率，使低功耗系统拥有自供电能力。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：提供一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，所述多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置包括固定块(1、9、10、11)、压电陶瓷片(2)、悬臂梁(3、6、8)、质量块(4、7)、弹簧(5)。四个固定块(1、9、10、11)夹紧三个悬臂梁(3、6、8)，三悬臂梁(3、6、8)平行固定在四个固定块间，固定块(9、10)的高度控制三个悬臂梁(3、6、8)的间距；两个质量块(4、7)分别位于两悬臂梁(3、6)外伸末端，用以调节所在悬臂梁的共振频率、振幅等参数；质量块(7)也做碰撞块，正常工作时与悬臂梁(8)发生碰撞，拓宽悬臂梁共振频带；弹簧(5)连接悬臂梁(3)和悬臂梁(6)，使之组合成内共振结构，拓宽两悬臂梁的能量收集频带；六块压电陶瓷片(2)分别固定于三个悬臂梁根部上下两面。
所述的固定块夹紧悬臂梁并固定在产生振动的物体(振动体)上，当振动体发生振动时，带动固定块一起振动，与固定块连接的悬臂梁也产生相应的振动。当三个悬臂梁由于振动产生弯曲变形时，其上的压电片会受到交变应力作用，产生交变电势，在压电片上连接外接能量收集电路后，可实现机械能向电能的转换，即实现振动能量收集。由于弹簧(5)的连接，悬臂梁(3)和悬臂梁(6)之间会产生相互作用，可视作一个内共振组合体，该组合体可以拓宽两悬臂梁的振动能量收集频带宽度。当外界激励的振动频率在悬臂梁(3)或悬臂梁(6)的固有频率附近时，所述内共振组合体具有较大振动幅度，当悬臂梁(6)的振动幅度大于悬臂梁(6)和悬臂梁(9)之间的间隙时，悬臂梁(6)上的质量块与悬臂梁(9)产生碰撞，由于悬臂梁(6)与悬臂梁(9)之间的相互作用以及所述内共振组合体内的相互作用，三个悬臂梁的振动状态发生变化，三个悬臂梁的能量收集频带得以拓宽。
本发明的效果是：该装置利用环境振动带动固定块一起振动，进而带动与固定块连接的悬臂梁也产生振动。当三个悬臂梁由于振动产生弯曲变形时，其上的压电片会受到交变应力作用，产生交变电势，在压电片上连接外接能量收集电路后，可实现机械能向电能的转换，即实现振动能量收集。该装置可以有时效收集振动能量，同时解决了因环境固有振动频率具有多值、可变等特点所导致的振动谐振频率不易匹配、能量转换效率低等问题，适用于多频率、非连续振动环境中适用，可应用于传感器或其他低功耗系统中，实现设备的自供电。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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，还可以如这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明一个优选实施例的视图。
图中：固定块1、9、10、11，压电片2，悬臂梁3、6、8，质量块4、7，弹簧5。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是实例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图2示出了本发明的一个优选实施例的装置。图2中，压电片2用胶水或其他黏着物固定在悬臂梁3根部上下表面，同时保证压电片与悬臂梁之间绝缘，质量块4、7分别粘合在悬臂梁3、6伸出末端。其他悬臂梁于压电片及质量块连接亦是如此。悬臂梁可以是塑料、金属或其他非压电材料，以允许压电片粘合于其上。质量块的材料也应保证能够稳定粘合于悬臂梁上，且质量块可根据需要选择安装或者不安装。悬臂梁由四块固定块1、10、11、12固定在外界振动源9上，外界振动源可以在振动装置的上面、下面或者侧面，只要能保证可以稳定固定住固定块即可。四块固定块可以是金属，也可以是其他硬度和韧性较大的材料，以允许其在振动过程中夹紧悬臂梁。固定块11及12的高度根据需要进行调整，固定块1和固定块10的高度应保证外界物体不会与此系统发生碰撞。外界振动源振动方向如图2中所示，固定块带动悬臂梁根部随外界振动源一起运动。悬臂梁3和悬臂梁6在弹簧5的作用下发生耦合振动，碰撞发生在质量块7与悬臂梁8之间，碰撞发生后，悬臂梁3、6、8发生振动耦合，悬臂梁振动和碰撞的能量传递到压电片上，压电片产生形变及内应力，实现将机械能到电势能的转化。弹簧5可以是螺旋式弹簧、折叠式弹簧或者其他具有弹簧性质的结构和材质。固定块和压电片在安装时要留有一定空间，同时悬臂梁挠度限制在合理范围内，防止压电片产生裂纹甚至断裂。由于固定块7采用块状结构，可以通过选择适当弹性模量的材料和碰撞接触表面形状，实现对碰撞时间的调节。固定块7的材料可以是金属、塑料、橡胶等，碰撞接触表面可以是平面，也可以是不同曲率半径的球面或圆柱面。
Claims (7)
1.一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述装置包括固定块(1、9、10、11)、压电片(2)、悬臂梁(3、6、8)、质量块(4、7)、弹簧(5)；质量块(4、7)分别固定在悬臂梁(3、6)伸出末端，弹簧(5)连接悬臂梁(3、6)，压电片(2)粘贴在每个悬臂梁的根部上下两面。固定块(1、9、10、11)夹紧悬臂梁(3、6、8)。
2.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁(3、6、8)上下两面都贴有压电片(2)。
3.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁(3、6)上有质量块(4、7)或可根据实际需要不安装质量块，若安装质量块，其结构为块状材料或弹簧及弹性板任意一种。
4.根据权利要求1或3所述的一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，在外界振动或冲击下，所述质量块(7)与悬臂梁(8)发生碰撞，若有不需要质量块(7)的情况下，也可以悬臂梁(6)作为碰撞结构与悬臂梁(8)发生碰撞。
5.根据权利要求1或2所述的一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述压电片(2)为具有压电效应的压电材料。
6.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁(3、6、8)材料可以是金属、塑料或其他弹性材料。
7.根据权利要求1所述的一种多悬臂梁宽频压电振动能量收集装置，其特征在于，所述弹簧(5)可以是螺旋弹簧、折叠弹簧、条状弹簧或可看作和弹簧具有相同作用的结构。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2021
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