CN207819794U - 一种自由滑动液体调节的宽频压电悬臂梁能量采集器结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种固定质量块与自由滑动液体结合的宽频压电悬臂梁能量采集器结构，包括基板(1)、压电晶片(2)、质量块(3)、槽板(4)及其中的液体(5)。在基板的上表面覆盖有压电晶片，在压电晶片末端的上表面承载有质量块，在基板的下表面附有中空槽板，其中装有部分液体。本实用新型的结构有利于平滑地调节压电悬臂梁质量中心的位置，并在此基础上，获得宽频能量的采集。

Description

一种自由滑动液体调节的宽频压电悬臂梁能量采集器结构

技术领域

本实用新型涉及一种压电悬臂梁能量采集器，特别是涉及一种宽频振动能量采集的压电悬臂梁结构。

背景技术

近年来，随着可穿戴微机电系统、自供电传感器或传感器网络等供电不便到达的应用场合需要及发展。为了克服电池寿命低、更换麻烦等问题，利用周围环境能量的俘能技术得到许多关注和发展，有取代电池供电趋势。通过采集工作环境中的振动能，并转换成电能，已成为目前的热点研究问题。

压电悬臂梁的转换效率高、结构紧凑和便于与微机电系统结合等，较适合于振动能采集。但是，实际应用环境的振动频率通常是变化的、有一定分布范围。为解决这一问题，目前国内外最常用的2种宽频压电俘能方法是：①添加可滑动的固体质量块；②添加固定的磁铁块及其摆动的上下方安置磁铁。

第①方法通过固体质量块在悬臂梁上滑动，来改变悬臂梁的等效长度，以改变压电悬臂梁的固有频率。但是，这对固体质量块与滑槽之间配合公差的设计带来了难度。若间隙过小，在压电悬臂梁弯曲过程中，质量块滑动不自由，难以达到改变压电悬臂梁固有频率的效果。若间隙过大，质量块滑动又过快，导致中间频率段所处时间太短，实际上变成了只有最大和最小2个固有频率；同时，也会对压电悬臂梁产生冲击，影响转换效率，且容易损坏压电悬臂梁。

第②方法是通过上下方安置的磁铁，对固定的磁铁块产生吸引或排斥力，来加速或减缓压电悬臂梁弯曲的摆动速度及幅度，以改变压电悬臂梁的固有频率。但是，这对增加了装置的设计和安装复杂度，也增加了成本。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决本领域现有技术中存在的上述技术问题，特别创新地提出了一种宽频压电悬臂梁能量采集器。为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种压电悬臂梁能量采集器的宽频调节结构，包括基板、压电晶片、质量块、中空槽板及其中灌注的液体。在所述基板的上表面覆盖有压电晶片，在压电晶片末端的上表面承载有质量块，在基板的下表面附有中空槽板，其中装有部分液体。

环境因素引起基座振动，使悬臂梁上下弯曲摆动。压电也因此受压和拉伸，根据压电原理产生电荷，通过外部电路整流、调节后可作为电源向微电子系统供电。

由于环境振动一般频率较低，在压电晶片末端的上表面承载有质量块，以降低压电悬臂梁的固有频率。

而在实际应用中，周围环境的振动频率通常是变化的，即不是固定的单一频率，而是分布在一定的频率范围之内。采用基板下安装中空槽板，其中灌注一定容积的液体的方法。在压电悬臂梁弯曲过程中，槽内液体也会随着流动，使液体的质量中心位置发生改变，从而达到调节频率的目的。

本实用新型通过采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下优点：

1、用压电晶片末端的上表面承载的质量块，降低压电悬臂梁的固有频率，以适应低频率环境振动。

2、采用基板下安装中空槽板，其内液体在压电悬臂梁弯曲过程中，会随着流动，从而达到自由地调节频率的目的。

3、含固定质量块和可自由流动液体的宽频压电悬臂梁能量采集器，结构紧凑，安装使用方便，可靠性高。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的实验测试结构示意图。

图3是本实用新型槽内液体质量中心位置与固有频率之间的关系图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例,所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本实用新型,而不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型提供了一种固定质量块与自由滑动液体结合的宽频压电悬臂梁能量采集器结构，如图所示，包括基板(1)、压电晶片(2)、质量块(3)、中空槽板(4)及其中的液体(5)。在基板的上表面覆盖有压电晶片，在压电晶片末端的上表面承载有质量块，在基板的下表面附有中空槽板，其中装有部分液体。

在本实施方式中,基板(1)、压电晶片(2)、质量块(3)、槽板(4)不限于为长方体,也可以是其它形状。

对于传统末端加质量块的矩形悬臂梁压电振动能量采集器,忽略其电极层影响,其固有角频率ω的计算公式为：

ω＝(K/M)^1/2

其中，K为压电悬臂梁的刚度，M为总质量。

K＝3EI/L³

其中，E为压电悬臂梁的杨氏模量，I为压电悬臂梁的惯性矩，L为压电悬臂梁可弯曲部分的总长度。

I＝(w*t³)/12

其中，w和t分别为压电悬臂梁的宽度和厚度。

M＝m_f+m_s

其中，m_f为末端固定金属块及压电悬臂梁等效质量，m_s为可滑动液体的质量。

整个压电悬臂梁的等效重力中心位置Z为：

Z＝(m_f*L_f+m_s*L_s)/M

其中，L_f为末端固定金属块的重力中心位置，L_s为可滑动液体的重力中心位置。

根据Rsyleigh原理，可以推导出此压电悬臂梁的固有角频率ω近似为{(EI/ML³)*[6(Z/L)²+6(Z/L)+2]/[8(Z/L)⁴+14(Z/L)³+10.5(Zl/L)²+4(Z/L)+2/3]}^1/2

在本实用新型的一种实施方式中，压电晶片的材料为PZT-5A压电瓷，其长度L为55mm、宽度w为30mm、厚度为0.26mm,杨氏弹性模量为66GPa。基板的材料为铜，其长度L为55mm、宽w为30mm、厚为0.14mm,杨氏弹性模量为105GPa。槽的材料是厚度为0.14mm的铜，槽长度L为55mm、宽w为30mm、深度为3.5mm，其内装重量为10g的水银。固定质量块的材料为镍，其重量为10g。

为了测试方便，具体实验时，把重量为10g的水银装入长度为5mm、宽为30mm、深为3.5mm、厚度为0.14mm的铜槽条内。得到如图3所示固有频率与水银质量中心位置变化的关系。

图3所示固有频率的调整范围从42Hz到89Hz，覆盖大部分环境机械振动源。

Claims (3)

1.一种宽频压电悬臂梁能量采集器结构，其特征在于所述宽频压电悬臂梁能量采集器结构包括基板(1)、压电晶片(2)、质量块(3)、中空槽板(4)及其中的液体(5)；在基板(1)的上表面覆盖有压电晶片(2)，在压电晶片末端的上表面承载有质量块(3)，在基板的下表面附有中空槽板(4)，其中装有液体(5)。

2.根据权利要求1所述的宽频压电悬臂梁能量采集器结构，其特征在于：所述宽频压电悬臂梁能量采集器结构中末端定质量块及中空槽板中的液体，共同调节其固有频率，形成一个工作频带。

3.根据权利要求1所述的宽频压电悬臂梁能量采集器结构，其特征在于：中空槽板内液体没有灌注满以利于液体自由滑动，平滑地调节压电悬臂梁质量中心的位置，获得宽频能量的采集。