CN113922703A - 一种多方向压电能量收集装置及其收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多方向压电能量收集装置及其收集方法，装置包括上盖、曲梁、中间梁、质量块和底座；曲梁的上下方分别与上盖和底座固定连接，上盖内部具有第一容纳腔体，底座内部具有第二容纳腔体，第一容纳腔体与第二容纳腔体连通，构成容纳空间；曲梁中部与中间梁顶部固定连接，中间梁下方与质量块固定连接；曲梁由多个子梁组成；曲梁的表面还设有压电片；质量块在振动源发出的多方向振动加速度的作用下产生惯性力，通过中间梁转化成扭矩并传递给曲梁，使子梁在容纳空间中进行扭转‑弯曲变形，进而使压电片产生形变，将环境振动能转换为电能。本发明结构紧凑，体积小，频带宽，可通过单个能量转换装置将外界环境中多方向的振动机械能转换为电能。

Description

一种多方向压电能量收集装置及其收集方法

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，具体而言，尤其涉及一种多方向压电能量收集装置及其收集方法。

背景技术

在日常生活中，有很多系统或装置会产生不同频率的振动，例如：人的走动，发动机运动时的振动等。这些振动是具有能量的，并且具有较高的能量密度，因而，通过将振动动能收集后转化为电能的能量收集技术具有广泛的能量来源和应用范围。

近年来，微机电系统(MEMS)和无线传感器网络(WSN)得到了迅速的发展，特别是在军事、交通、医疗等领域得到了广泛的应用。越来越多的电子产品受益于MEMS技术的发展，尺寸和功耗都变的越来越小，如耳机、手环等。无线传感器大量分布在各种所需要监测的环境中，每个传感器都需要电源供电。微机电系统的和无线传感网络迅速发展带来便利的同时也带来了一些新的挑战，当前无线传感器的电源主要还是采用电池供电，这些传感器常被安装在有毒、辐射等恶劣环境中，传统电源的使用时间与设备的工作寿命相比非常短，更换电源或者给电源充电很麻烦，还会造成环境污染，有时给设备更换电池也是不可能的，因此，设计出一种能够代替传统的化学电池的绿色供能方式具有很大的现时意义且具有非常可观的发展前景。

环境中有很多能量如风能太阳能等多种形式的能量可以转化为电能，但这些方式主要应用在大功率场合，且造价昂贵，体积庞大，并不适合于低功耗电子设备。振动能量在环境中普遍存在，且能量收集效率较高，受环境影响较少，在实现机械能和电能转换的同时，又可以减少振动存在的危害。

振动能量收集常见收集方式有：静电式、电磁式、压电式。静电式易集成于微机系统，尺寸小但它存在工艺复杂，效率较低以及需要预充电等固有缺点，受到的关注越来越小；电磁式无需电压源，但是难以集成到微机系统；和其他振动能量收集方式相比，压电式能量收集具有受环境影响小、能量密度大、易于实现小型化和集成化、无污染等优点，因其能满足低功耗产品的供电需求，最近成为目前研究的热点之一。单自由度压电振动能量收集装置只有当环境振动和压电振动能量收集装置固有频率匹配时才有高收集效率。针对此问题Ferrari等采用阵列的方法拓宽了频带，但整体的体积增大，且存在不工作的压电梁，整体能量密度低；Liu等采用了L梁进行拓展，通过多个共振峰增加频带，与阵列式相比，降低了工作频率，由于单个子梁带宽小的原因依然能量收集效率不高；Stanton等采用了非线性拓宽频带，在增加体积不大的情况下增加了频带宽度，解决了单个子梁带宽狭小的问题，但实际上振动的方向也是变化的，只能收集单一方向，收集效率不高。Chen等采用采用蒲公英结构将多个单自由度梁阵列，形成多方向的收集装置，由于采用的是阵列式，只有少数压电梁工作，且用线性梁带宽问题依旧狭窄。综上可知，大部分的压电振动能量收集装置只能实现一个振动方向振动能量的有效收集，当在存在多个方向振动的情况下，或者说振动方向随机变化时，这样的压电振动能量收集装置收集效率低，而在实际的环境中，振动方向通常是未知的、多变的。因此，多方向压电能量收集技术和研究是亟需解决的问题。

发明内容

根据上述提出的大部分的压电振动能量收集装置只能实现一个振动方向振动能量的有效收集，当在存在多个方向振动的情况下，或者说振动方向随机变化时，这样的压电振动能量收集装置收集效率低，而在实际的环境中，振动方向通常是未知的、多变的技术问题，而提供一种多方向压电能量收集装置及其收集方法。本发明主要利用金属质量块通过振动源发出的多方向振动加速度的作用下产生的惯性力，将该惯性力通过中间梁转化成扭矩并传递给曲梁，使曲梁的子梁发生扭转-弯曲变形，进而使贴在曲梁上的压电片产生形变，来产生电能，从而实现将振动能量向电能的转换。

本发明采用的技术手段如下：

一种多方向压电能量收集装置，包括：上盖、曲梁、中间梁、质量块和底座；

所述曲梁的上下方分别与上盖和底座固定连接，所述上盖的内部具有第一容纳腔体，所述底座的内部具有第二容纳腔体，所述第一容纳腔体与所述第二容纳腔体相连通，构成容纳空间；

所述曲梁的中部与中间梁顶部固定连接，所述中间梁下方与所述质量块固定连接，中间梁和质量块均位于所述第二容纳腔体中；

所述曲梁由多个子梁组成，多个子梁位于容纳空间中；所述曲梁的表面还设有压电片；

所述质量块在振动源发出的多方向振动加速度的作用下产生惯性力，通过中间梁转化成扭矩并传递给曲梁，使曲梁的子梁在容纳空间中进行扭转-弯曲变形，进而使压电片产生形变，将环境振动能转换为电能。

进一步地，所述曲梁、中间梁和质量块相连接的整体呈空间摆结构，工作时，所述质量块处在悬空状态，可在任意方向振动加速度作用下发生摆动，使曲梁的子梁变形，进而使压电片产生电能；质量块采用金属材料；

通过弹性挡圈将中间梁与曲梁进行连接，使得中间梁和质量块将在空间上振动转化为梁的扭转-弯曲振动；

所述中间梁与所述曲梁垂直焊接，尽可能增强扭矩，提高收集效率；所述曲梁可实现3个方向的共振。

进一步地，所述曲梁由金属板进行线切割加工而成，设有两组，两组曲梁并联形成对称结构；每组曲梁均由多个子梁串联而成，多个子梁串联后构成蛇形结构，子梁间呈90度角。

进一步地，所述压电片的形状为矩形，具有正压电效应，由片状压电体以及附着在片状压电体上表面的金属电极组成，所述片状压电体采用压电复合材料，所述金属电极采用金属薄膜，所述金属薄膜上附有铜线，铜线与外部连接，用于输出产生的电能。

进一步地，所述压电片设置在曲梁的根部，通过导电环氧胶粘贴在曲梁的上表面和/或下表面。

进一步地，所述压电片的长度方向与所述子梁的长度方向一致，所述压电片的宽度与所述子梁的宽度一致。

进一步地，所述中间梁通过紧固螺钉与质量块固定连接，所述中间梁上设置平面，通过紧固螺钉顶紧在中间梁平面的不同位置，调节质量块与中间梁的固定位置，调节质量块的高度，进而来调节摆长，更好地适应环境。

进一步地，所述曲梁与上盖和底座间通过螺栓进行固定连接；所述上盖和所述曲梁四角开设的螺栓孔均为通孔，所述底座四角开设的螺栓孔为螺纹盲孔，螺栓依次插入上盖、曲梁和底座的螺栓孔中进行固定；

所述上盖和所述底座均采用刚性绝缘材料。

进一步地，整个装置的放置方向与最大激励方向同向，其中，所述中间梁轴向与最大振动方向平行。

本发明还提供了一种多方向压电能量收集装置的收集方法，包括如下步骤：

安装上盖、曲梁、中间梁、质量块、底座和压电片，曲梁、中间梁和质量块相连接的整体呈空间摆结构，并通过紧固螺钉使质量块在中间梁上调整位置，以适应不同的环境激励；通过中间梁和质量块组成的结构感知外界环境带来任意方向的振动能，质量块在振动源发出的多方向振动加速度的作用下进行三维空间的摆动而产生惯性力，该惯性力通过中间梁传递给曲梁，将不同方向的振动能转化为曲梁的扭转-弯曲振动，使曲梁发生形变，进而产生结构应力，压电片具有正压电效应，在受到结构应力的作用下内部产生极化现象，同时在两个相对表面上出现正负相反的电荷，产生电能，并通过铜线输出电能，从而实现对三维空间内任一方向上的环境振动能量收集；

所述上盖和底座为刚性材料，二者组成的结构在整个工作过程中未发生结构变形；装置工作时质量块处在悬空状态，可在任意方向振动加速度作用下发生摆动，使曲梁进行变形，进而使压电片产生电能。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的多方向压电能量收集装置及其收集方法，由于采用中间梁和质量块组成的结构能够感知外界环境带来任意方向的振动能，并将其传递给曲梁，激发曲梁的扭转-弯曲振动，从而使得该能量收集装置可以收集多方向振动能量，与现有的单方向能量收集器相比，有效地提升了能量收集效率。整个装置结构简单，结构紧凑，体积小，易于集成，频带宽，可通过单个能量转换装置将外界环境中多方向的振动机械能转换为电能。

2、本发明提供的多方向压电能量收集装置及其收集方法，由于质量块在三维空间的摆动和曲梁共振时的扭转-弯曲，实现了将不同方向的振动能转化为梁的扭转-弯曲振动，降低了多方向能量收集装置的体积。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中大部分的压电振动能量收集装置只能实现一个振动方向振动能量的有效收集，当在存在多个方向振动的情况下，或者说振动方向随机变化时，这样的压电振动能量收集装置收集效率低，而在实际的环境中，振动方向通常是未知的、多变的问题。

基于上述理由本发明可在压电能量收集等领域广泛推广。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明具体实施的整体结构示意图。

图2为本发明曲梁结构示意图。

图3为本发明中间梁结构示意图。

图4为本发明质量块结构示意图。

图5为本发明上盖结构示意图。

图6为本发明底座示意图。

图7为本发明曲梁在空间内一个振动方向作用下发生变形的示意图。

图8为本发明曲梁在空间内另一个振动方向作用下发生变形的示意图。

图9为本发明曲梁在空间内再一个振动方向作用下发生变形的示意图。

图中：1、上盖；1.1、螺栓连接孔；2、曲梁；3、中间梁；3.1、圆柱面；3.2、平面；4、质量块；4.1、安装孔；4.2、螺纹孔；5、底座；5.1、螺纹盲孔；5.2、通孔；6、压电片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图所示，本发明提供了一种多方向压电能量收集装置，为一种多方向压电振动能量收集装置，用于多方向的振动能量收集。

所述多方向压电能量收集装置包括：上盖1、曲梁2、中间梁3、质量块4和底座5；

所述曲梁2的上下方分别与上盖1和底座5固定连接，所述上盖1的内部具有第一容纳腔体，所述底座5的内部具有第二容纳腔体，所述第一容纳腔体与所述第二容纳腔体相连通，构成容纳空间；

所述曲梁2的中部与中间梁3顶部固定连接，所述中间梁3下方与所述质量块4固定连接，中间梁3和质量块4均位于所述第二容纳腔体中；

所述曲梁2由多个子梁组成，多个子梁位于容纳空间中；所述曲梁2的表面还设有压电片6；

所述质量块4在振动源发出的多方向振动加速度的作用下产生惯性力，通过中间梁3转化成扭矩并传递给曲梁2，使曲梁2的子梁在容纳空间中进行扭转-弯曲变形，进而使压电片6产生形变，将环境振动能转换为电能。

作为优选的实施方式，所述曲梁2、中间梁3和质量块4相连接的整体呈空间摆结构，工作时，所述质量块4处在悬空状态，可在任意方向振动加速度作用下发生摆动，使曲梁2的子梁变形，进而使压电片6产生电能；质量块4采用金属材料；

通过弹性挡圈将中间梁3与曲梁2进行连接，使得中间梁3和质量块4将在空间上振动转化为梁的扭转-弯曲振动；

所述中间梁3与所述曲梁2垂直焊接，尽可能增强扭矩，提高收集效率；所述曲梁2可实现3个方向的共振。

作为优选的实施方式，所述曲梁2由金属板进行线切割加工而成，设有两组，两组曲梁2并联形成对称结构；每组曲梁2均由多个子梁串联而成，多个子梁串联后构成蛇形结构，子梁间呈90度角。

作为优选的实施方式，所述压电片6的形状为矩形，具有正压电效应，由片状压电体以及附着在片状压电体上表面的金属电极组成，所述片状压电体采用压电复合材料，所述金属电极采用金属薄膜，所述金属薄膜上附有铜线，铜线与外部连接，用于输出产生的电能。

作为优选的实施方式，所述压电片6设置在曲梁2的根部，通过导电环氧胶粘贴在曲梁2的上表面和/或下表面。

作为优选的实施方式，所述压电片6的长度方向与所述子梁的长度方向一致，所述压电片6的宽度与所述子梁的宽度一致。

作为优选的实施方式，所述中间梁3通过紧固螺钉与质量块4固定连接，所述中间梁3上设置平面，通过紧固螺钉顶紧在中间梁3平面的不同位置，调节质量块4与中间梁3的固定位置，调节质量块4的高度，进而来调节摆长，更好地适应环境。

作为优选的实施方式，所述曲梁2与上盖1和底座5间通过螺栓进行固定连接；所述上盖1和所述曲梁2四角开设的螺栓孔均为通孔，所述底座5四角开设的螺栓孔为螺纹盲孔，螺栓依次插入上盖1、曲梁2和底座5的螺栓孔中进行固定；

所述上盖1和所述底座5均采用刚性绝缘材料。

作为优选的实施方式，整个装置的放置方向与最大激励方向同向，其中，所述中间梁3轴向与最大振动方向平行。

本发明还提供了一种多方向压电能量收集装置的收集方法，包括如下步骤：

安装上盖1、曲梁2、中间梁3、质量块4、底座5和压电片6，曲梁2、中间梁3和质量块4相连接的整体呈空间摆结构，并通过紧固螺钉使质量块4在中间梁3上调整位置，以适应不同的环境激励；通过中间梁3和质量块4组成的结构感知外界环境带来任意方向的振动能，质量块4在振动源发出的多方向振动加速度的作用下进行三维空间的摆动而产生惯性力，该惯性力通过中间梁3传递给曲梁2，将不同方向的振动能转化为曲梁2的扭转-弯曲振动，使曲梁2发生形变，进而产生结构应力，压电片6具有正压电效应，在受到结构应力的作用下内部产生极化现象，同时在两个相对表面上出现正负相反的电荷，产生电能，并通过铜线输出电能，从而实现对三维空间内任一方向上的环境振动能量收集；

所述上盖1和底座5为刚性材料，二者组成的结构在整个工作过程中未发生结构变形；装置工作时质量块4处在悬空状态，可在任意方向振动加速度作用下发生摆动，使曲梁2进行变形，进而使压电片6产生电能。

实施例1

参照图1，一种多方向压电振动能量收集装置，包括上盖1、曲梁2、中间梁3、质量块4、底座5、压电片6，其中曲梁2、中间梁3以及质量块4连接后的整体呈空间摆结构。曲梁采用金属板切割而成，由多个子梁串联而成，子梁间成90度角。两组曲梁成对称分布，形成并联关系。具体地，两个曲梁并联形成对称结构，子梁成90度角进行串联，走蛇形。

上盖1，其结构如图5所示，为保证振动过程中不产生变形，保护电路，上盖采取绝缘刚性材料，本实施例中采取亚克力板材料。在上盖底部有4个螺栓连接孔1.1和底座5通过螺栓相连接，螺栓连接孔为通孔，底座上有四个螺纹盲孔5.1，螺栓与螺纹盲孔螺纹连接。曲梁2，其结构如图2所示，为保证压电片变形但又不会破碎，采取了金属铜作为曲梁材料，曲梁2为通过矩形铜板通过线切割加工而成的对称结构，通过其四角的四个通孔和螺栓固定在上盖1和底座5之间，曲梁2中间的孔和中间梁3相连，即中间梁3固定在曲梁中间部分，下连接着质量块。中间梁3，其结构如图3所示，为保证质量块4可以调节高度，以及方便固定，将中间梁削去一边，使得质量块4通过紧定螺钉可以固定在中间梁上，可以调节摆长，更好地适应环境，其中，将中间梁圆柱面3.1削去一边，使中间梁具有平面3.2，紧定螺钉顶紧在该平面上，上下调整质量块的位置时，紧定螺钉顶紧在平面的上下不同位置上，即可进行不同位置上质量块4与中间梁3固定。质量块4，其结构如图4所示，中部设有安装孔4.1，侧壁设有螺纹孔4.2，中间梁下部插入安装孔4.1中，紧固螺钉插入螺纹孔4.2中。底座5，其结构如图6所示，为保证振动过程中不产生形变，采取绝缘刚性材料，在本实施例中采用亚克力板材料，底座5的底部中心设有通孔5.2，用于连接激振器，或者作为一个固定的光孔，起到连接作用。压电片6的形状为矩形，为了改善传统压电材料的性能参数，进而提高能量收集和转换效率，压电片6的片状压电体采用具有正压电效应的材料，本实施例中，采取压电复合材料，上面附有金属薄膜，并用导电性能优良的铜线进行连接来输出电能，进一步提高能量收集装置的收集效率。压电片的长度方向和曲梁子梁的长度方向一致，且该压电片的宽度边缘和曲梁子梁宽度一致。曲梁2上共粘贴4片压电片，贴在曲梁子梁根部。金属质量块通过振动源发出的多方向振动加速度的作用下产生的惯性力，惯性力通过中间梁转化为扭矩并传递到曲梁，实现各子梁的扭转-弯曲变形，进而使贴在曲梁上的压电片产生形变，通过压电片的正压电效应从而产生电能，实现将环境振动能转换为电能的特性。

上盖1、曲梁2和底座5采用螺栓固定连接，固定时应保证连接牢固。本实施例中，中间梁3应和曲梁2垂直焊接，尽可能增强扭矩，提高收集效率。通过弹性挡圈将中间梁3与曲梁进行连接，使得中间梁3和质量块4可以将在空间上振动转化为梁的扭转-弯曲振动。为进一步提高能量收集的效率，应将最大激励方向(是指环境激励最大振幅方向)和装置放置方向(以图7-图9中的坐标为基准)同向，本实施例中，将中间梁轴向和最大振动方向平行。为最大程度变形，将曲梁厚度方向在静置下降不多的情况下，尽可能减少厚度，由于梁相对较单薄，因此这里要进行计算，小心静刚度低，质量块大，导致静止时，变形量过大，以至于振动时，超过弹性范围。压电片6可以通过导电环氧胶粘贴在曲梁2的上表面、下表面或上下表面均粘贴。本实施例中，采取上下表面都贴压电片6，进一步增强收集能量。为进一步降低共振频率，增加曲梁2长度，减少曲梁厚度，降低整体结构刚度，具体地，对不同环境的适应性，对于不同的振动环境，有不同的改进方法，对于低频，尤其是小激励，可以降低到较小厚度，但对于大激励只能增加梁长度。为保证收集效率，曲梁可以实现3个方向的共振，可以将环境中多个方向的振动，转化为梁的扭转-弯曲振动(平动振动，也会转变成旋转振动)，拓宽了能量收集装置的频带宽度，提高了能量收集装置的效率，其中，3个方向是指x、y、z方向，即曲梁可以实现x方向旋转和y方向旋转振动(曲梁会通过中间梁和质量块转化成x、y的旋转振动，)，以及实现z方向上下振动。

本发明多方向压电振动能量收集装置的收集方法的工作原理如下：

质量块4在中间梁3上可以调整位置，以适应不同的环境激励。上盖1和底座5因其均为刚性材料，二者组成的结构在整个过程中未发生结构变形。由牛顿第二定律可知，在振动加速度作用下金属质量块4将产生的惯性力，该惯性力通过中间梁传递给曲梁，导致曲梁发生形变，进而产生结构应力。而压电片6因为具有正压电效应，在受到应力的作用下内部产生极化现象，同时在两个相对表面上出现正负相反的电荷，产生电能，从而实现对环境振动能量收集。质量块4通过中间梁与曲梁相连，通过增加曲梁整体长度，降低共振频率，曲梁各方向共振频率相近，从而拓宽了频带，提高了能量收集效率。装置工作时质量块处在悬空状态，可在任意方向振动加速度作用下发生摆动，因而引起曲梁的变形，使得压电片6产生电能，变形示意图如如图7、图8、图9所示。因此，本装置可以通过曲梁-空间摆结构收集三维空间内任一方向上的振动能。本发明整个装置结构简单、紧凑，频带宽，体积小，易于集成，可以通过单个能量转换装置将外界环境中多方向的振动机械能转换为电能。本发明可耦合振动能，本发明结构上一个方向中y方向扭转收集效率比x方向扭转收集效率高，根据不同的情况设计两种结构，第一种是利用拍振原理，将x方向扭转转化到y方向扭转上；另一种方法是利用内共振原理，将x方向扭转转化到y方向扭转上，进而增加收集效率。

本发明由于采用中间梁和质量块组成的结构能够感知外界环境带来任意方向的振动能，并将其传递给曲梁，激发曲梁的扭转-弯曲振动，从而使得该能量收集装置可以收集多方向振动能量，与现有的单方向能量收集器相比，有效地提升了能量收集效率。

本发明由于质量块在三维空间的摆动和曲梁共振时的扭转-弯曲，实现了将不同方向的振动能转化为梁的扭转-弯曲振动，降低了多方向能量收集装置的体积。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种多方向压电能量收集装置，其特征在于，包括：上盖(1)、曲梁(2)、中间梁(3)、质量块(4)和底座(5)；

所述曲梁(2)的上下方分别与上盖(1)和底座(5)固定连接，所述上盖(1)的内部具有第一容纳腔体，所述底座(5)的内部具有第二容纳腔体，所述第一容纳腔体与所述第二容纳腔体相连通，构成容纳空间；

所述曲梁(2)的中部与中间梁(3)顶部固定连接，所述中间梁(3)下方与所述质量块(4)固定连接，中间梁(3)和质量块(4)均位于所述第二容纳腔体中；

所述曲梁(2)由多个子梁组成，多个子梁位于容纳空间中；所述曲梁(2)的表面还设有压电片(6)；

所述质量块(4)在振动源发出的多方向振动加速度的作用下产生惯性力，通过中间梁(3)转化成扭矩并传递给曲梁(2)，使曲梁(2)的子梁在容纳空间中进行扭转-弯曲变形，进而使压电片(6)产生形变，将环境振动能转换为电能。

2.根据权利要求1所述的多方向压电能量收集装置，其特征在于，所述曲梁(2)、中间梁(3)和质量块(4)相连接的整体呈空间摆结构，工作时，所述质量块(4)处在悬空状态，可在任意方向振动加速度作用下发生摆动，使曲梁(2)的子梁变形，进而使压电片(6)产生电能；质量块(4)采用金属材料；

通过弹性挡圈将中间梁(3)与曲梁(2)进行连接，使得中间梁(3)和质量块(4)将在空间上振动转化为梁的扭转-弯曲振动；

所述中间梁(3)与所述曲梁(2)垂直焊接；所述曲梁(2)可实现3个方向的共振。

3.根据权利要求1或2所述的多方向压电能量收集装置，其特征在于，所述曲梁(2)由金属板进行线切割加工而成，设有两组，两组曲梁(2)并联形成对称结构；每组曲梁(2)均由多个子梁串联而成，多个子梁串联后构成蛇形结构，子梁间呈90度角。

4.根据权利要求1或2所述的多方向压电能量收集装置，其特征在于，所述压电片(6)的形状为矩形，具有正压电效应，由片状压电体以及附着在片状压电体上表面的金属电极组成，所述片状压电体采用压电复合材料，所述金属电极采用金属薄膜，所述金属薄膜上附有铜线，用于输出产生的电能。

5.根据权利要求4所述的多方向压电能量收集装置，其特征在于，所述压电片(6)设置在曲梁(2)的根部，通过导电环氧胶粘贴在曲梁(2)的上表面和/或下表面。

6.根据权利要求5所述的多方向压电能量收集装置，其特征在于，所述压电片(6)的长度方向与所述子梁的长度方向一致，所述压电片(6)的宽度与所述子梁的宽度一致。

7.根据权利要求1或2所述的多方向压电能量收集装置，其特征在于，所述中间梁(3)通过紧固螺钉与质量块(4)固定连接，所述中间梁(3)上设置平面，通过紧固螺钉顶紧在中间梁(3)平面的不同位置，调节质量块(4)与中间梁(3)的固定位置，调节质量块(4)的高度，进而来调节摆长。

8.根据权利要求1所述的多方向压电能量收集装置，其特征在于，所述曲梁(2)与上盖(1)和底座(5)间通过螺栓进行固定连接；所述上盖(1)和所述曲梁(2)四角开设的螺栓孔均为通孔，所述底座(5)四角开设的螺栓孔为螺纹盲孔，螺栓依次插入上盖(1)、曲梁(2)和底座(5)的螺栓孔中进行固定；

所述上盖(1)和所述底座(5)均采用刚性绝缘材料。

9.根据权利要求1所述的多方向压电能量收集装置，其特征在于，整个装置的放置方向与最大激励方向同向，其中，所述中间梁(3)轴向与最大振动方向平行。

10.一种如权利要求1-9任意一项权利要求所述的多方向压电能量收集装置的收集方法，其特征在于，包括如下步骤：

安装上盖(1)、曲梁(2)、中间梁(3)、质量块(4)、底座(5)和压电片(6)，曲梁(2)、中间梁(3)和质量块(4)相连接的整体呈空间摆结构，并通过紧固螺钉使质量块(4)在中间梁(3)上调整位置，以适应不同的环境激励；通过中间梁(3)和质量块(4)组成的结构感知外界环境带来任意方向的振动能，质量块(4)在振动源发出的多方向振动加速度的作用下进行三维空间的摆动而产生惯性力，该惯性力通过中间梁(3)传递给曲梁(2)，将不同方向的振动能转化为曲梁(2)的扭转-弯曲振动，使曲梁(2)发生形变，进而产生结构应力，压电片(6)具有正压电效应，在受到结构应力的作用下内部产生极化现象，同时在两个相对表面上出现正负相反的电荷，产生电能，并通过铜线输出电能，从而实现对三维空间内任一方向上的环境振动能量收集；

所述上盖(1)和底座(5)为刚性材料，二者组成的结构在整个工作过程中未发生结构变形；装置工作时质量块(4)处在悬空状态，可在任意方向振动加速度作用下发生摆动，使曲梁(2)进行变形，进而使压电片(6)产生电能。

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