CN209329983U - 一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，其特征在于压电片设置在悬臂梁上，悬臂梁安装在固定基座上，微型电机通过电机支架安装在悬臂梁上，微型电机的轴连接丝杆并可以带动丝杆旋转，丝杆的另一端通过丝杆支架也固定在悬臂梁上，质量块通过与丝杆对应的螺纹安装在丝杆上，当丝杆转动的时候，质量块可以沿着丝杆方向移动。电路系统板连接压电片进行振动能量俘获，并且从压电片输出信号判断环境振动频率与压电俘能装置的固有频率是否匹配，通过控制微型电机的正反转动，实现悬臂梁的端部质量块的位置调节，调节质量块与电机的距离，可以实现压电俘能装置一阶共振频率点、一阶和二阶叠加频带带宽的自动调节。

Description

一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置

技术领域

本实用新型属于压电振动能量俘获技术领域，具体涉及一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置。

背景技术

随着无线传感网络在现实生活中得到了广泛的应用，其功耗也越来越低。这使得利用环境中的能量为无线传感网络节点提供能量变为可能，目前环境中可以利用的能量有光能、热能、振动能等，其中振动能广泛存在于我们生活环境中，如人体的运动，车辆的振动等等。为此研究人员已经开始研究采集环境中的振动能量并将其转化为电能的技术，为无线传感网络节点提供电能。

目前研究最多的环境振动能量采集的方式有电磁式、压电式等，其中压电悬臂梁式的压电换能器由于其结构简单、无电磁干扰、运动部件少等优点倍受青睐。但是目前的压电悬臂梁结构一般只在其共振频率下，才能输出最大的功率。当环境振动频率偏移了压电悬臂梁的共振频率后，输出的电能功率将会快速下降。压电悬臂梁的共振频率主要和悬臂梁的尺寸、弹性系数、质量块重量、质量块的位置等参数有关系。因此很多研究者提出了各种调节压电悬臂梁共振频率的方法。如专利：201721600074.4，在悬臂梁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，在悬臂梁基板的下表面附有中空槽板，其中装有部分液体。该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。又如专利：201410613453.1公开一种带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，包括：弹性梁、压电元件、滑道、限位挡块和可动质量环，所述弹性梁悬空，其两端面固定，所述压电元件紧贴在弹性梁表面并紧邻弹性梁的固定端，所述滑道位于弹性梁的中间位置，所述限位挡块位于滑道两端并固定在弹性梁上，所述可动质量环穿过滑道和弹性梁并自由悬挂在滑道上。利用可动质量环在外界振动作用下产生的滑动和转动等运动行为来增加振动能量采集的频带宽度，实现压电式振动能量采集装置的宽频带工作。但是这些压电振动能量采集装置都不是主动精确调节悬臂梁的共振频率而快速实现高效能量俘获的。

本实用新型公开了一种自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置和方法，其特征在于压电片设置在悬臂梁上，悬臂梁安装在固定基座上，微型电机通过电机支架安装在悬臂梁上，微型电机的轴连接丝杆并可以带动丝杆旋转，丝杆的另一端通过丝杆支架也固定在悬臂梁上，质量块通过与丝杆对应的螺纹安装在丝杆上，当丝杆转动的时候，质量块可以沿着丝杆方向移动。电路系统板通过压电片导线连接压电片进行振动能量俘获，并且从压电片输出信号判断环境振动频率与压电俘能装置的固有频率是否匹配。电路系统板通过电机导线连接微型电机，通过控制微型电机的正反转动，实现悬臂梁的端部质量块的位置调节，由于微型电机存在质量，压电悬臂梁也会存在一个对应的二阶共振频率点，通过调节质量块与电机的距离，可以实现压电俘能装置一阶共振频率点、一阶和二阶频带的带宽的自动调节。

发明内容

本实用新型的目的：一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，通过压电悬臂梁结构进行振动能量俘获，并且从压电片输出信号判断环境振动频率与压电俘能装置的固有频率是否匹配，通过控制微型电机的正反转动，实现悬臂梁的端部质量块的位置调节，从而实现压电俘能装置共振频率和带宽的自动调节。

为实现本实用新型，采用的技术方案是：一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，压电片（3）设置在悬臂梁（2）上，悬臂梁（2）安装在固定基座（1）上，微型电机（4）通过电机支架（5）安装在悬臂梁（2）上，微型电机（4）的轴连接丝杆（6）并可以带动丝杆（6）旋转，丝杆（6）的另一端通过丝杆支架（8）也固定在悬臂梁（2）上，质量块（7）通过与丝杆（6）对应的螺纹安装在丝杆（6）上，当丝杆（6）转动的时候，质量块（7）可以沿着丝杆（6）的方向移动，电路系统板（10）通过压电片导线（11）连接压电片（3）进行振动能量俘获，并且从压电片（3）输出信号判断环境振动频率与压电俘能装置的固有频率是否匹配，电路系统板（10）通过电机导线（9）连接微型电机（4），通过控制微型电机（4）的正反转动，实现悬臂梁（2）的端部质量块（7）的位置调节，从而实现压电俘能装置共振频率和带宽的自动调节。电路系统板（10）包括切换开关（12）、单片机（13）、短路信号处理电路（14）、开路信号处理电路（15）、采集接口电路（16）、电能存储（17）、稳压电路（18）、驱动电路（19），所述单片机（13）控制的切换开关（12）对压电片（3）输出负载进行切换，可以分别切换到短路信号处理电路（14）、开路信号处理电路（15）、采集接口电路（16），通过采集压电片（3）在短路和开路条件下的输出电压信号的幅值、频率和相位变化特性，自动判断当前的质量块（7）位置是否应该进行调节，控制微型电机（4）的正反转，通过质量块（7）位置调节压电俘能装置共振频率和带宽，当调节结束后，单片机（13）控制切换开关（12）将压电片（3）切换到采集接口电路（16），进行交流转直流转换和处理后，输入到电能存储（17），所述的电能存储（17）连接到稳压电路（18）后得到稳定的能量输出，同时提供整体电路的供电。

本实用新型的有益效果：

1.电路系统板通过对压电片输出的负载进行切换，通过其输出的幅值、频率和相位变化特性可以判断系统是否应该调节质量块的位置，实现了全自动的控制。

2.由于微型电机存在质量，压电悬臂梁也会存在一个对应的二阶共振频率点，调节质量块与电机的距离，可以实现压电俘能装置一阶共振频率点、一阶和二阶频带的带宽的自动调节。

3.采用的丝杆结构，能精确的调节质量块的位置，从而实现共振频率点的精确调节。

4.在振动幅值大于某一阈值后，压电俘能装置能完全实现自供电。

附图说明

图1为本实用新型一种自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置的安装示意图；

图2为本实用新型电路系统板的内部结构与实现压电片自动检测与电机控制的框图；

其中：1.固定基座、2.悬臂梁、3.压电片、4.微型电机、5.电机支架、6.丝杆、7.质量块、8.丝杆支架、9.电机导线、10.电路系统板、11.压电片导线、12.切换开关、13.单片机、14.短路信号处理电路、15.开路信号处理电路、16.采集接口电路、17.电能存储、18.稳压电路、19.驱动电路。

具体实施方式

一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，如图1所示，其包括固定基座（1）、悬臂梁（2）、压电片（3）、微型电机（4）、电机支架（5）、丝杆（6）、质量块（7）、丝杆支架（8）、电机导线（9）、电路系统板（10）、压电片导线（11）。

工作原理：压电片（3）设置在悬臂梁（2）上，悬臂梁（2）安装在固定基座（1）上，所述的微型电机（4）通过电机支架（5）安装在悬臂梁（2）上，微型电机（4）的轴连接丝杆（6）并可以带动丝杆（6）旋转，丝杆（6）的另一端通过丝杆支架（8）也固定在悬臂梁（2）上，质量块（7）通过与丝杆（6）对应的螺纹安装在丝杆（6）上，当丝杆（6）转动的时候，质量块（7）可以沿着丝杆（6）的方向移动，电路系统板（10）通过压电片导线（11）连接压电片（3）进行振动能量俘获，并且从压电片（3）输出信号判断环境振动频率与压电俘能装置的固有频率是否匹配，电路系统板（10）通过电机导线（9）连接微型电机（4），通过控制微型电机（4）的正反转动，实现悬臂梁（2）的端部质量块（7）的位置调节，由于微型电机存在质量，压电悬臂梁也会存在一个对应的二阶共振频率点，调节质量块与电机的距离，可以实现压电俘能装置一阶共振频率点、一阶和二阶频带的带宽的自动调节。

优选的，压电片（3）至少设置一个，且至少一个所述的压电片（3）与电路系统板相连接。

优选的，所述的电机支架（5）和丝杆支架（8）均为轻质材料制成。

优选的，所述的微型电机（4）可以采用微型步进电机、空心杯电机或者微型的直流电机。

优选的，所述的质量块（7）采用密度较大材料制成，为了降低与丝杆的阻尼，减小与丝杆垂直面的厚度，采用T型结构的质量块，可以在T型结构的顶面增加其他配重质量块。

如图2所示，所述的电路系统板（10）包括切换开关（12）、单片机（13）、短路信号处理电路（14）、开路信号处理电路（15）、采集接口电路（16）、电能存储（17）、稳压电路（18）、驱动电路（19）。

工作原理与方法：单片机（13）控制的切换开关（12）对压电片（3）输出负载进行切换，可以分别切换到短路信号处理电路（14）、开路信号处理电路（15）、采集接口电路（16），通过采集压电片（3）在短路和开路条件下的输出电压信号的幅值、频率和相位变化特性，自动判断当前的质量块（7）位置是否应该进行调节，控制微型电机（4）的正反转，通过调节质量块（7）的位置调节压电俘能装置共振频率和带宽，当调节结束后，单片机（13）控制切换开关（12）将压电片（3）切换到采集接口电路（16），进行交流转直流转换和处理后，输入到电能存储（17），所述的电能存储（17）连接到稳压电路（18）后得到稳定的能量输出，同时提供整体电路的供电。

优选的，采集接口电路（16）可以采用全桥整流电路、同步电荷提取（SECE）电路、并联同步开关电感(P-SSHI)接口电路或者串联同步开关电感(S-SSHI)接口电路。

优选的，所述的电能存储（17）可以采用锂电池或者法拉电容。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本实用新型说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，其包括固定基座（1）、悬臂梁（2）、压电片（3）、微型电机（4）、电机支架（5）、丝杆（6）、质量块（7）、丝杆支架（8）、电机导线（9）、电路系统板（10）、压电片导线（11），其特征在于所述的压电片（3）设置在悬臂梁（2）上，悬臂梁（2）安装在固定基座（1）上，所述的微型电机（4）通过电机支架（5）安装在悬臂梁（2）上，微型电机（4）的轴连接丝杆（6）并可以带动丝杆（6）旋转，丝杆（6）的另一端通过丝杆支架（8）也固定在悬臂梁（2）上，质量块（7）通过与丝杆（6）对应的螺纹安装在丝杆（6）上，当丝杆（6）转动的时候，质量块（7）可以沿着丝杆（6）的方向移动，电路系统板（10）通过压电片导线（11）连接压电片（3）进行振动能量俘获，并且从压电片（3）输出信号判断环境振动频率与压电俘能装置的固有频率是否匹配，电路系统板（10）通过电机导线（9）连接微型电机（4），通过控制微型电机（4）的正反转动，实现悬臂梁（2）的端部质量块（7）的位置调节，从而实现压电俘能装置共振频率和带宽的自动调节。

2.根据权利要求1所述的一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，其特征在于所述的电路系统板（10）包括切换开关（12）、单片机（13）、短路信号处理电路（14）、开路信号处理电路（15）、采集接口电路（16）、电能存储（17）、稳压电路（18）、驱动电路（19），所述单片机（13）控制的切换开关（12）对压电片（3）输出负载进行切换，可以分别切换到短路信号处理电路（14）、开路信号处理电路（15）、采集接口电路（16），通过采集压电片（3）在短路和开路条件下的输出电压信号的幅值、频率和相位变化特性，自动判断当前的质量块（7）位置是否应该进行调节，控制微型电机（4）的正反转，通过调节质量块（7）的位置调节压电俘能装置共振频率和带宽，当调节结束后，单片机（13）控制切换开关（12）将压电片（3）切换到采集接口电路（16），进行交流转直流转换和处理后，输入到电能存储（17），所述的电能存储（17）连接到稳压电路（18）后得到稳定的能量输出，同时提供整体电路的供电。

3.根据权利要求2所述的一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，其特征在于所述的采集接口电路（16）可以采用全桥整流电路、同步电荷提取（SECE）电路、并联同步开关电感(P-SSHI)接口电路或者串联同步开关电感(S-SSHI)接口电路，所述的电能存储（17）可以采用锂电池或者法拉电容。

4.根据权利要求1所述的一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，其特征在于所述的压电片（3）至少设置一个，且至少一个所述的压电片（3）与电路系统板相连接。

5.根据权利要求1所述的一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，其特征在于所述的电机支架（5）和丝杆支架（8）均为轻质材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，其特征在于所述的微型电机（4）可以采用微型步进电机、空心杯电机或者微型的直流电机。

7.根据权利要求1所述的一种能自动调节共振频率和带宽的压电俘能装置，其特征在于所述的质量块（7）采用密度较大材料制成，为了降低与丝杆的阻尼，减小与丝杆垂直面的厚度，采用T型结构的质量块，可以在T型结构的顶面增加其他配重质量块。