CN113852299A - 一种振动压电能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种振动压电能量采集器，包括压电横梁和压电纵梁；压电横梁包括横梁弹性基板、横梁压电片和横梁末端质量块，横梁弹性基板的固定端用于安装固定，横梁压电片设置于横梁弹性基板的中部，横梁末端质量块设置于横梁弹性基板的连接端；压电纵梁包括纵梁弹性基板、纵梁压电片和纵梁末端质量块，纵梁弹性基板的连接配合端与横梁弹性基板的连接端连接为一体，纵梁压电片设置于纵梁弹性基板的中部，纵梁末端质量块设置于纵梁弹性基板的自由端；通过作用于横梁弹性基板的横梁末端质量块、和作用于纵梁弹性基板的纵梁末端质量块进行空间任意方向振动能量的收集。本发明具有结构简单、便于制造、同时可以收集空间任意方向能量的优点。
Description
技术领域
本发明属于振动能量收集技术领域，具体涉及一种振动压电能量采集器，更具体的是，涉及一种具备收集任意方向振动能量的多模态振动压电能量采集器。
背景技术
随着无线传感器网络和小型电子元件的发展，长寿命、高功率密度、易更换能源的能量收集技术得到迅速发展。能量收集技术被认为是一种为无线和嵌入式传感器供电的有前途的方法，也是一种替代的环保节能方法。在自然环境中，振动的频率是随时间变化的和不规则的，方向也是随机的和不同的。传统的悬臂结构振动压电能量采集器通常只对来自一个方向的激励敏感，对于此方向之外的振动能量收集效率较低，因此，多向能量采集技术近来备受关注。
目前的多方向振动压电能量采集器通常利用多个姿态不同的悬臂梁组成阵列对不同方向的振动能量进行收集，如一种空间多模态阵列式悬臂梁压电能量收集装置(中国专利公开号CN106856380A)和六维压电式能量收集器(中国专利公开号CN207603482U)，文献“A cross-coupled dual-beam for multi-directional energy harvesting fromvortex induced vibrations”使用交叉耦合结构设计了可以收集多方向风致振动的装置，文献“A twist piezoelectric beam for multi-directional energy harvesting”使用扭转悬臂梁实现了多方向振动能量的收集。
然而，现有技术中利用多个姿态不同的悬臂梁组成阵列的方法的设计的多方向压电能量采集器结构复杂，占用空间大，可靠性较差，难以制造。使用交叉耦合或者扭转梁结构的设计方法设计出来的振动能量采集器只能实现两个方向的能量收集，无法实现对空间任意方向能量的收集。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种振动压电能量采集器，具有结构简单、便于制造、同时可以收集空间任意方向能量的优点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种振动压电能量采集器，其包括：
压电横梁和压电纵梁；
压电横梁包括横梁弹性基板、横梁压电片和横梁末端质量块；
其中横梁弹性基板具有固定端和连接端，横梁弹性基板的固定端用于安装固定，横梁压电片设置于横梁弹性基板的中部，横梁末端质量块设置于横梁弹性基板的连接端；
压电纵梁包括纵梁弹性基板、纵梁压电片和纵梁末端质量块；
其中纵梁弹性基板具有连接配合端和自由端，纵梁弹性基板的连接配合端与横梁弹性基板的连接端连接为一体，纵梁压电片设置于纵梁弹性基板的中部，纵梁末端质量块设置于纵梁弹性基板的自由端；
通过作用于横梁弹性基板的横梁末端质量块、和作用于纵梁弹性基板的纵梁末端质量块进行空间任意方向振动能量的收集。
根据本发明的另一种具体实施方式，纵梁弹性基板与横梁弹性基板之间互相垂直。
根据本发明的另一种具体实施方式，纵梁弹性基板与横梁弹性基板的长度相同。
根据本发明的另一种具体实施方式，横梁弹性基板的连接端形成有与纵梁弹性基板的连接配合端相一致的第一缺口槽，第一缺口槽的宽度与纵梁弹性基板的厚度相一致。
根据本发明的另一种具体实施方式，横梁末端质量块包括若干子质量块，若干子质量块组合形成与第一缺口槽形状相匹配的第二缺口槽，其中第一缺口槽与第二缺口槽之间形成连接槽。
根据本发明的另一种具体实施方式，位于横梁弹性基板靠近其固定端裸露的部分长度与安装固定用夹具的长度相等，位于纵梁弹性基板靠近其连接配合端裸露的部分长度与连接槽的槽深相等。
根据本发明的另一种具体实施方式，纵梁弹性基板的连接配合端采用结构胶与横梁弹性基板的连接端、横梁末端质量块相连接。
根据本发明的另一种具体实施方式，横梁压电片采用结构胶固定在横梁弹性基板上，纵梁压电片采用结构胶固定在纵梁弹性基板上。
根据本发明的另一种具体实施方式，横梁压电片、纵梁压电片以并联方式接入到外部电路中。
本发明具备以下有益效果：
本发明中的压电横梁和压电纵梁组成交叉耦合L型梁结构，能够实现对空间任意方向振动能量的收集，并且具有结构简单、便于制造、对振动方向适应性强的优点。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明实施例1压电横梁的结构示意图；
图3是本发明实施例1横梁弹性基板的结构示意图；
图4是本发明实施例1单个非对称子质量块的结构示意图；
图5是本发明实施例1压电纵梁的结构示意图；
图6是本发明实施例1纵梁弹性基板的结构示意图；
图7是是本发明实施例1单个对称子质量块的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例提供了一种振动压电能量采集器，如图1-7所示，其包括压电横梁10和压电纵梁20，其中压电横梁和压电纵梁组成交叉耦合L型梁结构，如图1所示；
压电横梁10包括横梁弹性基板11、横梁压电片12和横梁末端质量块13；
其中横梁弹性基板11具有固定端11a和连接端11b，横梁弹性基板11的固定端11a用于安装固定，横梁压电片12例如采用结构胶的形式设置于横梁弹性基板11的中部，横梁末端质量块13设置于横梁弹性基板11的连接端11b；
具体的，如图2所示，位于横梁弹性基板11靠近其固定端11a裸露的部分长度与安装固定用夹具的长度相等。
再具体的，横梁弹性基板11的连接端11b形成有第一缺口槽14，横梁末端质量块13包括若干非对称子质量块15，如图4所示，例如具有四块非对称子质量块15，四块非对称子质量块15组合形成与第一缺口槽14形状相匹配的第二缺口槽16，其中第一缺口槽14与第二缺口槽16之间形成连接槽17。
压电纵梁20包括纵梁弹性基板21、纵梁压电片22和纵梁末端质量块23；
其中纵梁弹性基板21具有连接配合端21a和自由端21b，纵梁弹性基板21的连接配合端21a与横梁弹性基板11的连接端11b连接为一体，纵梁压电片22例如采用结构胶的形式设置于纵梁弹性基板21的中部，纵梁末端质量块23设置于纵梁弹性基板21的自由端21b，纵梁末端质量块23包括两块对称子质量块24，如图5和图7所示，两块对称子质量块24分别设置于纵梁弹性基板21的两侧。
进一步的，纵梁弹性基板21与横梁弹性基板11的长度相同，并且纵梁弹性基板21与横梁弹性基板11之间互相垂直；
再进一步的，位于纵梁弹性基板21靠近其连接配合端21a裸露的部分长度与连接槽17的槽深相等，纵梁弹性基板21的连接配合端21a设置于连接槽17中，优选的，纵梁弹性基板21的连接配合端21a采用结构胶与横梁弹性基板11的连接端11b、横梁末端质量块13相连接。
本实施例中通过作用于横梁弹性基板11的横梁末端质量块13、和作用于纵梁弹性基板21的纵梁末端质量块23进行空间任意方向振动能量的收集，具体结合如图1所示介绍如下：
在图1所定义的空间直角坐标系中，
1)当振动来自Z轴方向，压电横梁10由于横梁末端质量块13的周期惯性力产生振动收集能量；
2)当振动来自X轴方向时，由于压电纵梁20与横梁末端质量块13所组成的等效末端质量块，相对于压电横梁10的偏心产生的周期力矩使得压电横梁10产生振动收集能量；
3)当振动来自Y轴方向，压电纵梁20由于纵梁末端质量块23产生的周期惯性力产生振动收集能量；
从而压电横梁10与压电纵梁20所组成交叉耦合L型梁结构实现了对空间任意方向能量的收集，且具有结构简单、便于制造、对振动方向适应性强的优点。
相应的，将横梁压电片12和纵梁压电片22采用并联方式接入外部电路中，通过横梁压电片12和纵梁压电片22的极化方向和连接方式，对本实施例所提供的多方向压电振动能量采集器的输出特性产生相应影响。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。
Claims (9)
1.一种振动压电能量采集器，其特征在于，包括：
压电横梁和压电纵梁；
所述压电横梁包括横梁弹性基板、横梁压电片和横梁末端质量块；
其中所述横梁弹性基板具有固定端和连接端，所述横梁弹性基板的固定端用于安装固定，所述横梁压电片设置于所述横梁弹性基板的中部，所述横梁末端质量块设置于所述横梁弹性基板的连接端；
所述压电纵梁包括纵梁弹性基板、纵梁压电片和纵梁末端质量块；
其中所述纵梁弹性基板具有连接配合端和自由端，所述纵梁弹性基板的连接配合端与所述横梁弹性基板的连接端连接为一体，所述纵梁压电片设置于所述纵梁弹性基板的中部，所述纵梁末端质量块设置于所述纵梁弹性基板的自由端；
通过作用于所述横梁弹性基板的所述横梁末端质量块、和作用于所述纵梁弹性基板的所述纵梁末端质量块进行空间任意方向振动能量的收集。
2.如权利要求1所述的振动压电能量采集器，其特征在于，所述纵梁弹性基板与所述横梁弹性基板之间互相垂直。
3.如权利要求1所述的振动压电能量采集器，其特征在于，所述纵梁弹性基板与所述横梁弹性基板的长度相同。
4.如权利要求1所述的振动压电能量采集器，其特征在于，所述横梁弹性基板的连接端形成有与所述纵梁弹性基板的连接配合端相一致的第一缺口槽，所述第一缺口槽的宽度与所述纵梁弹性基板的厚度相一致。
5.如权利要求4所述的振动压电能量采集器，其特征在于，所述横梁末端质量块包括若干子质量块，若干所述子质量块组合形成与所述第一缺口槽形状相匹配的第二缺口槽，其中所述第一缺口槽与所述第二缺口槽之间形成连接槽。
6.如权利要求5所述的振动压电能量采集器，其特征在于，位于所述横梁弹性基板靠近其固定端裸露的部分长度与安装固定用夹具的长度相等，位于所述纵梁弹性基板靠近其连接配合端裸露的部分长度与所述连接槽的槽深相等。
7.如权利要求1所述的振动压电能量采集器，其特征在于，所述纵梁弹性基板的连接配合端采用结构胶与所述横梁弹性基板的连接端、所述横梁末端质量块相连接。
8.如权利要求1所述的振动压电能量采集器，其特征在于，所述横梁压电片采用结构胶固定在所述横梁弹性基板上，所述纵梁压电片采用结构胶固定在所述纵梁弹性基板上。
9.如权利要求1所述的振动压电能量采集器，其特征在于，所述横梁压电片、所述纵梁压电片以并联方式接入到外部电路中。
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