CN114006550B - 一种多方向振动能量转化的低频压电发电器及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多方向振动能量转化的低频压电发电器及其工作方法，所述方法包括：主梁，水平固定于激振台上；悬臂梁式压电振子，连接主梁，用于将振动能转化为电能；所述悬臂梁式压电振子包括第一悬臂梁和第二悬臂梁，分别设置于主梁的两侧与主梁连接。所述悬臂梁式压电振子的第一悬臂梁和第二悬臂梁的自由端通过连接线相连。所述第一悬臂梁和第二悬臂梁呈对称设置于主梁的两侧。本发明能够稳定可靠运行，且能够收集空间内任一方向的振动能量，俘能效率更高。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集与微功率发电技术领域，特别是涉及一种多方向振动能量转化的低频压电发电器及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着微机电系统(MEMS)、片上系统(SoC)、无线通信技术、低功耗嵌入式技术和新型传感技术的快速发展，传感器正逐渐向智能化、微型化、无线网络化发展，无线传感器网络(WSN)应运而生。在无线传感网络中，无线传感器节点是核心硬件基础，因此保持无线传感器节点长期可靠工作是无线传感网络应用中必须满足的条件。
目前，无线传感器节点大多采用电池供电的方式对无线传感器节点供电。但是由于电池容量的限制，与无线传感器节点本身寿命相比，电池的使用寿命太短，这就限制了无线传感器节点的实际工作寿命，同时也增加了更换电池的维护费用，不满足无线传感器网络长期稳定运行的要求。
为了满足无线传感器网络长期稳定运行的要求，无线传感器节点应能实现自供电。俘获振动能量并将其转化为电能是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术。典型的压电式振动能量俘获系统一般采用悬臂梁结构形式。由于环境中存在任意的振动方向，本发明提供了一种能够用于多方向振动能量转化的新型低频压电发电器，能够收集转化任一方向的振动能量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种多方向振动能量转化的低频压电发电器及工作方法，其能够稳定可靠运行，且能够收集空间内任一方向的振动能量，俘能效率更高。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种多方向振动能量转化的低频压电发电器，包括：
主梁，水平固定于激振台上；
悬臂梁式压电振子，连接主梁，用于将振动能转化为电能；
所述悬臂梁式压电振子包括第一悬臂梁和第二悬臂梁，分别设置于主梁的两侧与主梁连接。
进一步地，所述悬臂梁式压电振子的第一悬臂梁和第二悬臂梁的自由端通过连接线相连。
进一步地，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁呈对称设置于主梁的两侧。
进一步地，所述连接线上设置有质量块，用于提高能量收集效率。
进一步地，所述第一悬臂梁固定端与主梁连接处设置有第一压电元件，第一压电元件通过粘接剂与第一悬臂梁连接，用于机电耦合转换。
进一步地，所述第二悬臂梁固定端与主梁连接处设置有第二压电元件，第二压电元件通过粘接剂与第一悬臂梁连接用于机电耦合转换。
进一步地，所述连接线为不可伸缩线。
进一步地，所述悬臂梁式压电振子的第一悬臂梁和第二悬臂梁均呈薄片状。
第二方面，本发明提供一种多方向振动能量转化的低频压电发电器工作方法，包括：当振动沿水平且平行于连接线方向时，第一悬臂梁和第二悬臂梁产生受迫振动，粘贴在悬臂梁根部的压电元件基于正压电效应，可以收集沿水平且平行于连接线方向(图1所示x轴方向)的振动能量并将其转化为电能。
进一步地，当振动方向沿竖直方向时，第一悬臂梁和第二悬臂梁产生受迫振动，粘贴在悬臂梁根部的压电元件基于正压电效应，可以收集沿竖直方向(图1所示z轴方向)的振动能量并将其转化为电能；振动沿水平且垂直于连接线方向时，质量块发生受迫摆动，带动第一悬臂梁和第二悬臂梁向中间弯折，压电发电器收集并转化沿水平且垂直与连接线方向(图1所示沿y轴方向)的振动能量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的针对现有的振动能量俘获技术，提出了一种用于多方向振动能量收集的新型低频压电发电器，该发电器能够收集任一方向的振动能量并将其转化，提高了振动能量转换效率。本发明能够稳定可靠运行，且能够收集空间内任一方向的振动能量，俘能效率更高。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实例提供的结构示意图；
图2为新型低频压电发电器收集沿x方向的振动能量的工作状态示意图；
图3为新型低频压电发电器收集沿z方向的振动能量的工作状态示意图；
图4为新型低频压电发电器收集沿y方向的振动能量的工作状态示意图；
图5为振动方向沿x轴、加速度0.5g、扫频范围5～20Hz条件下，压电发电器的电压幅频响应。
图6为振动方向沿与x轴成45°夹角、加速度0.5g、扫频范围5～20Hz条件下，压电发电器的电压幅频响应。
图7为振动方向沿y轴、加速度0.5g、扫频范围5～20Hz条件下，压电发电器的电压幅频响应。
图8为振动方向沿z轴、加速度0.5g、扫频范围5～20Hz条件下，压电发电器的电压幅频响应。
图9为振动方向沿与z轴成45°夹角、加速度0.5g、扫频范围5～20Hz条件下，压电发电器的电压幅频响应。
图10为振动方向沿与y轴成45°夹角、加速度0.5g、扫频范围5～20Hz条件下，压电发电器的电压幅频响应。
其中，1、主梁；2、质量块；3、第一压电元件；4、第二压电元件；5、连接线；6、第一悬臂梁；7、第二悬臂梁。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
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。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例1
第一方面，本发明提供一种多方向振动能量转化的低频压电发电器，包括：
主梁1水平固定于激振台上；
悬臂梁式压电振子，连接主梁，用于将振动能转化为电能；
所述悬臂梁式压电振子包括第一悬臂梁6和第二悬臂梁7，分别设置于主梁1的两侧并与主梁1连接。
所述悬臂梁式压电振子的第一悬臂梁6和第二悬臂梁7的自由端通过连接线5相连。
所述第一悬臂梁6和第二悬臂梁7呈对称设置于主梁的两侧。
所述连接线5上设置有质量块2，用于提高能量收集效率。
所述第一悬臂梁6固定端与主梁连接处设置有第一压电元件，用于机电耦合转换。
所述第二悬臂梁固定端与主梁连接处设置有第二压电元件，用于机电耦合转换。
所述连接线为不可伸缩线。
所述悬臂梁式压电振子的第一悬臂梁和第二悬臂梁均呈薄片状。
具体的，
该发电器包括：主梁1、用于提高能量收集效率质量块2、用于机电耦合转换的第一压电元件3和第二压电元件4、固定质量块的连接线5、第一悬臂梁6和第二悬臂梁7；第一悬臂梁6和质量块2、第二悬臂梁7构成悬臂梁式压电振子，用于将振动能转化为电能。
作为一种可实施方式，
在本发明提出的结构中，将一根梁经过加工弯折成如图1中的形状，实验过程中由夹具夹持主梁1，能量转化通过第一悬臂梁6和第一压电元件3、第二悬臂梁7和第二压电元件4构成的悬臂梁式压电振子完成。工作过程中可以等效为质量块带动两悬臂梁的运动，专利申请中第一悬臂梁6、第二悬臂梁7与竖直方向的夹角为15～30°都是可行的。连接线5分别穿过第一悬臂梁6和第二悬臂梁7的自由端，质量块2固定在连接线5上，第一悬臂梁6、第二悬臂梁7均呈薄片状
悬臂梁的设置：主梁1、第一悬臂梁6、第二悬臂7经过对称弯折加工成如说明书附图中图1的形状，实验过程中由夹具夹持主梁1，能量转化通过第一悬臂梁6和第一压电元件3、第二悬臂梁7第二压电元件4构成的悬臂梁式压电振子完成。工作过程中可以等效为质量块带动两悬臂梁的运动。专利申请中悬臂梁与竖直方向的夹角为15°～30°都是可行的。
固定端与激振台的连接：低频压电发电器的固定端主梁1由铝型材所构成夹具夹紧，无特殊要求。
压电元件的材料和连接方式：目前实验中压电元件的材料选用PZT5H(尺寸为10mm*20mm)，压电元件与梁的耦合方式为使用粘接剂连接。专利申请要求中压电元件可以为压电陶瓷也可以为柔性的压电薄膜，只是实验表明PZT这种压电陶瓷性能较好。
实施例2.
一种多方向振动能量转化的低频压电发电器工作方法，包括：当振动沿水平且平行于连接线5方向时，第一悬臂梁6和第二悬臂梁7产生受迫振动，粘贴在悬臂梁根部的压电元件基于正压电效应，可以收集沿水平方向(图1所示沿x轴方向)的振动能量并将其转化为电能。
进一步地，当振动方向沿竖直方向时，第一悬臂梁6和第二悬臂梁7产生受迫振动，粘贴在悬臂梁根部的压电元件基于正压电效应，可以收集沿竖直方向(图1所示沿z轴方向)的振动能量并将其转化为电能；振动沿水平且垂直于连接线5方向时，质量块2发生受迫摆动，带动第一悬臂梁6和第二悬臂梁7向中间弯折，压电发电器收集并转化沿水平且垂直于连接线5方向(图1所示沿y轴方向)的振动能量。
具体的，
主梁1固定端固定在激振台，连接线5两端分别穿过第一悬臂梁6、第二悬臂梁7的自由端并固定。质量块2固定在连接线5上。
如图3所示，当振动沿水平且平行于连接线5方向时，第一悬臂梁6、第二悬臂梁7产生受迫振动，粘贴在悬臂梁根部的压电元件基于正压电效应，可以收集沿水平方向(图1所示沿x轴方向)的振动能量并将其转化为电能。
如图4所示，当振动方向沿竖直方向时，第一悬臂梁6、第二悬臂梁7产生受迫振动，粘贴在悬臂梁根部的压电元件基于压电效应，可以收集沿竖直方向(图1所示沿z轴方向)的振动能量并将其转化为电能。
如图5所示，振动沿水平且垂直于连接线5方向时，质量块2发生受迫摆动，且因为连接线5为不可伸长的线，带动第一悬臂梁6、第二悬臂梁7向中间弯折，使得悬臂梁产生受迫振动，压电发电器能够收集并转化沿水平且垂直于线5方向(图1所示沿y轴方向)的振动能量。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种多方向振动能量转化的低频压电发电器，其特征在于，包括：
主梁，水平固定于激振台上；
悬臂梁式压电振子，连接主梁，用于将振动能转化为电能；
所述悬臂梁式压电振子包括第一悬臂梁和第二悬臂梁，分别设置于主梁的两侧与主梁连接；
所述悬臂梁式压电振子的第一悬臂梁和第二悬臂梁的自由端通过连接线相连；
所述第一悬臂梁和第二悬臂梁朝上延伸呈V型对称设置于主梁的两侧；
所述连接线上设置有质量块，用于提高能量收集效率；
所述第一悬臂梁固定端与主梁连接处设置有第一压电元件，用于机电耦合转换；
所述第二悬臂梁固定端与主梁连接处设置有第二压电元件，用于机电耦合转换；
所述连接线为不可伸缩线。
2.如权利要求1所述的一种多方向振动能量转化的低频压电发电器，其特征在于，所述悬臂梁式压电振子的第一悬臂梁和第二悬臂梁均呈薄片状。
3.一种多方向振动能量转化的低频压电发电器工作方法，基于权利要求1-2任一项所述的一种多方向振动能量转化的低频压电发电器，其特征在于，包括：
当振动沿水平且平行于线方向时，第一悬臂梁和第二悬臂梁产生受迫振动，第一压电元件和第二压电元件基于正压电效应，可以收集方向沿水平且垂直于连接线方向的振动能量并将其转化为电能。
4.如权利要求3所述的一种多方向振动能量转化的低频压电发电器工作方法，其特征在于，当振动方向沿竖直方向时，第一悬臂梁和第二悬臂梁产生受迫振动，第一压电元件和第二压电元件基于压电效应，可以收集方向沿竖直方向的的振动能量并将其转化为电能；振动沿水平且垂直于线方向时，质量块发生受迫摆动，带动第一悬臂梁和第二悬臂梁向中间弯折，压电发电器收集并转化沿水平且垂直于连接线方向的振动能量。
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