CN114039506B - 自调谐压电能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自调谐压电能量收集装置，包括：压电元件、柔性罩壳、矩形滑块、质量块、槽型悬臂梁以及矩形立柱；矩形立柱一端安装槽型悬臂梁一端，槽型悬臂梁另一端安装质量块；槽型悬臂梁上安装压电元件和柔性罩壳；柔性罩壳内安装矩形滑块；当自调谐压电能量收集装置处于非机械谐振状态，矩形滑块在柔性罩壳内往返移动；当自调谐压电能量收集装置处于机械谐振状态，矩形滑块相对柔性罩壳静止。本装置利用槽型悬臂梁结合矩形滑块的结构设计可以实现简单自主的改变压电能量收集装置的固有频率，压电能量收集装置与外界激励频率的自动匹配，有效的拓宽了压电能量收集装置的工作带宽并提高了压电能量收集装置的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集领域，具体地，涉及自调谐压电能量收集装置。
背景技术
随着微机电技术的快速发展，以传感器为代表的微型电子元器件的能耗水平大幅下降。人类社会已步入信息化时代，传感器件在日常生活中的使用逐渐普及，传感器网络布局的规模也越来越大。传感器网络的主要供能方式是采用化学原电池提供能量，然而受限于化学原电池的应用场合以及电量有限却难以及时更换等限制，能量供给成为传感器应用中的瓶颈，同时也制约了信息化时代的进程。考虑到传感器件的应用场合都存在不同程度的环境振动，因此通过振动能量收集装置俘获这些广泛存在的振动能量并实现为以传感器为代表的微型电子元器件供能具有非常重要的意义。
利用压电材料的正压电效应将环境中的振动能量转换为电能的压电能量收集装置具有结构简单，易于加工和集成化等优点受到广泛关注。常见的压电能量收集装置的主体结构为悬臂梁结合质量块的线性结构，这类压电能量收集装置的工作效率或输出功率与装置的共振频率有关，当能量收集装置的共振频率与外界激励频率一致时，能量收集装置处于机械共振状态时可以实现高效率的能量转换，当外界激励频率偏离能量收集装置的共振频率时，能量收集装置的工作效率将会大幅下降。目前有两类常见方法可以有效拓宽压电能量收集装置的工作带宽并提高装置的工作效率。
第一类是通过宽频带响应设计，例如多模态阵列等方法拓宽压电振动能量收集装置的响应带宽。如专利CN110071661A公开了一种具有低频及宽频带多模态阵列式能量收集装置，通过多个具有不同共振频率的L型压电悬臂梁组成的悬臂梁阵列构成多模态压电能量收集装置，实现宽频带振动能量收集。然而这类通过宽频带响应设计的压电能量收集装置的结构不够紧凑，在工作过程中只有少数压电振子可以高效工作，降低了装置整体的输出功率。
第二类是设计可调共振频率的压电振动能量收集装置，如专利CN 203859705 U公开了一种固有频率可调型压电振动能量收集装置，通过悬臂梁上固接的微型电机来调整质量块在悬臂梁上的相对位置实现对所设计能量收集装置的固有频率调节。然而这类可调共振频率的压电振动能量收集装置通过被动控制或改变质量块的位置来调节装置的共振频率，一方面引入外部控制机构产生了新的能量消耗，另一方面无法自动匹配外界激励频率，实时保持机械谐振状态。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种自调谐压电能量收集装置。
根据本发明提供的一种自调谐压电能量收集装置，包括：压电元件、柔性罩壳、矩形滑块、质量块、槽型悬臂梁以及矩形立柱；
所述矩形立柱一端安装所述槽型悬臂梁一端，所述槽型悬臂梁另一端安装所述质量块；
所述槽型悬臂梁上安装所述压电元件和所述柔性罩壳；
所述柔性罩壳内安装所述矩形滑块；
当所述自调谐压电能量收集装置处于非机械谐振状态，所述矩形滑块在所述柔性罩壳内往返移动；
当所述自调谐压电能量收集装置处于机械谐振状态，所述矩形滑块相对所述柔性罩壳静止。
优选地，所述槽型悬臂梁上设置多个凹槽；
所述柔性罩壳安装在多个所述凹槽上，所述柔性罩壳与所述槽型悬臂梁形成密封腔体。
优选地，所述矩形滑块安装在所述密封腔体中；
所述矩形滑块允许在多个所述凹槽处移动。
优选地，所述矩形立柱另一端安装在固定底座上；
所述矩形立柱安装所述槽型悬臂梁一端安装固定块，所述槽型悬臂梁通过所述固定块固定安装在所述矩形立柱上。
优选地，所述压电元件安装在靠近所述矩形立柱一端；
所述压电元件粘贴在所述槽型悬臂梁两侧。
优选地，所述压电元件和所述质量块之间安装所述柔性罩壳。
优选地，所述柔性罩壳背离所述凹槽一侧距所述凹槽底部距离小于所述矩形滑块高度并大于所述矩形滑块高度的一半。
优选地，所述压电元件材料包括压电陶瓷或柔性压电元件聚偏氟乙烯。
优选地，所述柔性罩壳和所述槽型悬臂梁具有弹性。
优选地，当所述自调谐压电能量收集装置受到外界激励时，所述自调谐压电能量收集装置共振频率通过所述矩形滑块沿所述密封腔体往返运动迫近所述外界激励频率。
优选地，所述槽型悬臂梁具有耐磨性。
优选地，所述柔性罩壳材质包括天然橡胶。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本装置属于宽频压电能量收集装置，利用槽型悬臂梁结合矩形滑块的结构设计可以实现简单自主的改变压电能量收集装置的固有频率，压电能量收集装置与外界激励频率的自动匹配，有效的拓宽了压电能量收集装置的工作带宽并提高了压电能量收集装置的工作效率；
2、本装置解决了现有可调共振频率的压电振动能量收集装置采用被动控制的方法改变自身固有频率所造成的引入外部控制机构产生的能量消耗以及无法自动匹配外界激励频率，实时保持机械谐振状态等缺陷，更适用于外界激励频率变化的振动能量收集；
3、本装置结构紧凑，实用性强，可以广泛应用于机械结构，建筑结构等的振动能量收集，通过对外界振动能量的收集，可实现不消耗任何化石能源为低功耗器件供能，是一种环境友好型能量收集装置。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为自调谐压电能量收集装置立体结构示意图；
图2为槽型悬臂梁结构示意图；
图3为自调谐压电能量收集装置剖视图；
图中所示：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种自调谐压电能量收集装置，包括：压电元件2、柔性罩壳3、矩形滑块4、质量块5、槽型悬臂梁6以及矩形立柱7；矩形立柱7一端安装槽型悬臂梁6一端，矩形立柱7另一端安装在固定底座8上，矩形立柱7安装槽型悬臂梁6一端安装固定块1，槽型悬臂梁6通过固定块1固定安装在矩形立柱7上。槽型悬臂梁6另一端安装质量块5，槽型悬臂梁6上安装压电元件2和柔性罩壳3，压电元件2安装在靠近矩形立柱7一端，压电元件2粘贴在槽型悬臂梁6两侧。压电元件2和质量块5之间安装柔性罩壳3，柔性罩壳3内安装矩形滑块4。当自调谐压电能量收集装置处于非机械谐振状态，矩形滑块4在柔性罩壳3内往返移动，当自调谐压电能量收集装置处于机械谐振状态，矩形滑块4相对柔性罩壳3静止。
如图2所示，槽型悬臂梁6上设置多个凹槽，柔性罩壳3安装在多个凹槽上，柔性罩壳3与槽型悬臂梁6形成密封腔体。矩形滑块4安装在密封腔体中，矩形滑块4允许在多个凹槽处移动。柔性罩壳3背离凹槽一侧距凹槽底部距离小于矩形滑块4高度并大于矩形滑块4高度的一半。压电元件2材料包括压电陶瓷或柔性压电元件聚偏氟乙烯，柔性罩壳3和槽型悬臂梁6具有弹性。当自调谐压电能量收集装置受到外界激励时，自调谐压电能量收集装置共振频率通过矩形滑块4沿密封腔体往返运动迫近外界激励频率。
工作原理：
本实施例通过槽型悬臂梁6在外界激励的作用下往复运动使压电元件应变产生电能。当自调谐压电能量收集装置的固有频率与外界激励频率不匹配时，槽型悬臂梁6处于非机械谐振状态，槽型悬臂梁6在外界激励的作用下在初始平衡位置处于小振幅的往复运动，此时矩形滑块4在自身重力的作用下沿着密封腔体在多个凹槽处来回滑动从而自动调节自调谐压电能量收集装置的固有频率，直到自调谐压电能量收集装置的共振频率迫近外界激励频率。当自调谐压电能量收集装置与外界激励保持机械谐振时，槽型悬臂梁6处于共振状态将保持大幅度的往复运动，此时矩形滑块4在自身离心力与柔性罩壳3提供的弹性力的共同作用下在密封腔体内的相对位置处保持稳定，从而不改变自调谐压电能量收集装置的固有频率，有助于自调谐压电能量收集装置与外界激励保持机械谐振。
矩形滑块4高于柔性罩壳3是为了给矩形滑块4一定的预压力，让其表面与槽型悬臂梁6表面和柔性罩壳3表面接触并产生摩擦力。随着槽型悬臂梁6的上下振动(非共振情况下槽型悬臂梁6与矩形滑块4之间的压力较小)，此时矩形滑块4的自身重力会大于柔性罩壳3和凹槽对其作用的整体摩擦力，所以导致矩形滑块4能够来回移动。在共振情况下矩形滑块4位置不在移动，是因为共振情况下，槽型悬臂梁6与矩形滑块4之间的压力很大，此时摩擦力就变大，使整体摩擦力大于矩形滑块4自身重力，导致矩形滑块4保持位置不变。
实施例2
实施例2作为实施例1的优选例。
如图1中所示，本实施例包括：固定底座8、固设于固定底座8上的矩形立柱7、固定块1、槽型悬臂梁6、压电元件2、柔性罩壳3、矩形滑块4以及质量块5。固定底座8和矩形立柱7均采用铝合金或不锈钢等强度较高的金属材料制造。槽型悬臂梁6通过固定块1固接在矩形立柱7顶端，槽型悬臂梁6远离矩形立柱7端设有质量块5，槽型悬臂梁6连接矩形立柱7端附近的上表面和下表面均匀粘接压电元件2。质量块5和固定块1采用铜等密度较高的金属材料制造，槽型悬臂梁6采用铜合金等弹性好且表面耐磨的金属材料制作，压电元件2可选用压电陶瓷或柔性压电元件聚偏氟乙烯。槽型悬臂梁6槽内多处开有凹槽，槽型悬臂梁6槽口四周固接柔性罩壳3形成密封腔体，密封腔体内设有矩形滑块4。柔性罩壳3采用天然橡胶等弹性较好且表面耐磨的聚合物材料制造，矩形滑块4采用铜合金等密度较高且表面耐磨的金属材料制作。当自调谐压电能量收集装置处于非机械谐振状态下，矩形滑块4在自身重力的作用下沿着密封腔体在多个凹槽处来回滑动。当自调谐压电能量收集装置与外界激励保持机械谐振时，矩形滑块4在自身离心力与柔性罩壳3提供的弹性力的共同作用下在密封腔体内的相对位置处保持稳定。为保证在非机械谐振状态下矩形滑块4能沿着密封腔体在多个凹槽处来回滑动，在机械谐振状态下矩形滑块4在密封腔体内的相对位置处保持稳定，柔性罩壳3的上表面与槽型悬臂梁6槽底的间距小于矩形滑块4的高度但大于矩形滑块4的一半高度。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种自调谐压电能量收集装置，其特征在于，包括：压电元件（2）、柔性罩壳（3）、矩形滑块（4）、质量块（5）、槽型悬臂梁（6）以及矩形立柱（7）；
所述矩形立柱（7）一端安装所述槽型悬臂梁（6）一端，所述槽型悬臂梁（6）另一端安装所述质量块（5）；
所述槽型悬臂梁（6）上安装所述压电元件（2）和所述柔性罩壳（3）；
所述柔性罩壳（3）内安装所述矩形滑块（4）；
当所述自调谐压电能量收集装置处于非机械谐振状态，所述矩形滑块（4）在所述柔性罩壳（3）内往返移动；
当所述自调谐压电能量收集装置处于机械谐振状态，所述矩形滑块（4）相对所述柔性罩壳（3）静止；
槽型悬臂梁（6）在外界激励的作用下往复运动使压电元件应变产生电能；当自调谐压电能量收集装置的固有频率与外界激励频率不匹配时，槽型悬臂梁（6）处于非机械谐振状态，槽型悬臂梁（6）在外界激励的作用下在初始平衡位置处于小振幅的往复运动，此时矩形滑块（4）在自身重力的作用下沿着密封腔体在多个凹槽处来回滑动从而自动调节自调谐压电能量收集装置的固有频率，直到自调谐压电能量收集装置的共振频率迫近外界激励频率；当自调谐压电能量收集装置与外界激励保持机械谐振时，槽型悬臂梁（6）处于共振状态将保持大振幅的往复运动，此时矩形滑块（4）在自身离心力与柔性罩壳（3）提供的弹性力的共同作用下在密封腔体内的相对位置处保持稳定，从而不改变自调谐压电能量收集装置的固有频率，自调谐压电能量收集装置与外界激励保持机械谐振；
矩形滑块（4）高于柔性罩壳（3）给矩形滑块（4）一定的预压力，让其表面与槽型悬臂梁（6）表面和柔性罩壳（3）表面接触并产生摩擦力；随着槽型悬臂梁（6）的上下振动，此时矩形滑块（4）的自身重力大于柔性罩壳（3）和凹槽对其作用的整体摩擦力，导致矩形滑块（4）来回移动；在共振情况下，槽型悬臂梁（6）与矩形滑块（4）之间的压力使整体摩擦力大于矩形滑块（4）自身重力，导致矩形滑块（4）保持位置不变；
所述槽型悬臂梁（6）上设置多个凹槽；
所述柔性罩壳（3）安装在多个所述凹槽上，所述柔性罩壳（3）与所述槽型悬臂梁（6）形成密封腔体；
所述矩形滑块（4）安装在所述密封腔体中；
所述矩形滑块（4）允许在多个所述凹槽处移动；
所述柔性罩壳（3）和所述槽型悬臂梁（6）具有弹性。
2.根据权利要求1所述自调谐压电能量收集装置，其特征在于：所述矩形立柱（7）另一端安装在固定底座（8）上；
所述矩形立柱（7）安装所述槽型悬臂梁（6）一端安装固定块（1），所述槽型悬臂梁（6）通过所述固定块（1）固定安装在所述矩形立柱（7）上。
3.根据权利要求1所述自调谐压电能量收集装置，其特征在于：所述压电元件（2）安装在靠近所述矩形立柱（7）一端；
所述压电元件（2）粘贴在所述槽型悬臂梁（6）两侧。
4.根据权利要求3所述自调谐压电能量收集装置，其特征在于：所述压电元件（2）和所述质量块（5）之间安装所述柔性罩壳（3）。
5.根据权利要求1所述自调谐压电能量收集装置，其特征在于：所述柔性罩壳（3）背离所述凹槽一侧距所述凹槽底部距离小于所述矩形滑块（4）高度并大于所述矩形滑块（4）高度的一半。
6.根据权利要求1所述自调谐压电能量收集装置，其特征在于：所述压电元件（2）材料包括压电陶瓷或柔性压电元件聚偏氟乙烯。
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