CN2886813Y - 微型低频压电俘能器 - Google Patents

Abstract

一种包括俘能元件和储能元件的低频压电俘能器，本实用新型的俘能元件是螺旋状曲梁型式，由螺旋状双压电陶瓷片叠合而成，内端点固定在振动台上，外端点悬挂一可微调系统固有频率的集中质量，曲梁由两组同心半圆组合而成，同心半圆间距离可调，双层压电陶瓷片的上、下两外表面镀有两个电极，双层压电陶瓷片的中间也镶嵌着一薄层金属电极，两外表面电极和中间薄层金属电极通过导线与含储能电池的外负载阻抗相连。本实用新型能有效降低俘能结构的固有频率，达到俘能器的最佳性能，体积小，能微型化，稳定性好。

Description

微型低频压电俘能器

[技术领域]本实用新型涉及一种利用压电陶瓷的力电转换从环境噪音中提取能量的压电俘能装置，特别是一种低频压电俘能器(piezoelectricpower harvester)。

[背景技术]微电子器件工作需要一定的能量，传统的微电子器件通过携带电池供能。但由于电池的使用周期短、有时由于环境限制而更换困难，并且其重量与功率之比较高，不适合应用到现代微电子器件中去。所以，寻求新的更有效的供能方法是现代传感技术向更微型化、更集成电路化、且具有自动校准、无线操纵、人机相容等更多现代功能的关键技术。

在微电子器件的工作环境中普遍存在着噪音或声振动。由于微电子器件工作时所需的功率并不大，可通过设计获能装置，直接从环境中提取能量来保证器件的工作。这种可无线获能的装置称为俘能器(power harvester)，它由俘能元件(generator)和储能元件(energy storage component)两大部分构成。压电材料因具有明显高的俘能效率而被广泛用作俘能元件。工程中常见的压电俘能器结构为梁、板、壳型，其中，双层梁型最为常用。但是，环境噪音的振动频率经常较低，如汽车发动机的振动频率仅50Hz，为了使得俘能器性能工作在最优状态，应使俘能元件的固有频率与噪音振动频率接近，这就要求梁型俘能元件的长厚比和/或自由端悬挂的集中质量非常大。若按直梁型结构来设计俘能器将导致梁的轴向尺寸较大，稳定性也不好，不能满足现代微电子器件的微型化发展需要。

[发明内容]本实用新型的目的是提供一种微型低频压电俘能器，克服目前俘能器尺寸较大，稳定性不好的缺点。

本实用新型的方案是这样的：俘能元件是螺旋状曲梁型式，由螺旋状双压电陶瓷片叠合而成，内端点固定在振动台上，外端点悬挂一可微调系统固有频率的集中质量，曲梁由两组同心半圆组合而成，双层压电陶瓷片的上、下两外表面镀有两个电极，两层中间也镶嵌着一薄层金属电极，两外表面电极和中间薄层金属电极通过导线与含储能电池的外负载阻抗相连，曲梁的圈数、厚度、内半径、以及螺旋曲梁的螺距的大小能行调节，集中质量能对俘能的固有频率进行微调。

本实用新型利用双层压电陶瓷梁在机械外力作用下会产生电极化现象的原理：

$D_3={\hat{e}}_{31}{S}_{11}-{\widehat{\mathrm{\ϵ}}}_{33}V/h,---\left(1\right)$

式中，D₃是电位移分量， 和

分别是等效压电系数和介电系数，S₁₁是梁纵向正应变，V表示双层梁的边极板与中心极板间的电势差，2h是梁的厚度。于是，梁的上下表面会出现极化电荷Q_±h

$Q_{\±h}=-{\hat{e}}_{31}{S}_{11}{|}_{\±h}+{\widehat{\mathrm{\ϵ}}}_{33}V/h,---\left(2\right)$

材料内的极化电场将驱动金属电极上的自由电子由极板流向含储能电池的外负载电路，从而形成回路电流i＝i_+h+i_-h

                     i_±h＝-dQ_±h/dt.                    (3)

为了简化分析，在计算中将负载电路简化成一阻抗Z_L，负载电路的欧姆定律即为

                     i＝V/Z_L.                            (4)

考虑周期性环境噪音，俘能器的输出功率密度γ可定义为

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{\mathrm{\ΩT}}{\∫}_0^T\mathrm{iVdt},---\left(5\right)$

式中，T为环境噪音的振动周期，Ω为俘能器的体积。

为了使俘能器的输出功率大，俘能结构的固有频率应该接近于噪音频率。由于环境噪音的频率通常较低，设计的俘能器应具有较大的长厚比、并悬挂较大的集中质量。在固定最大尺寸的前提下，若按直梁型结构来设计俘能器，则梁的厚度必须很薄且悬挂较大的集中质量，这种结构的稳定性显然不好，难于达到最佳的俘能效果。

本实用新型将俘能元件做成螺旋状曲梁型式，根据螺距的大小进行调节曲梁的长度，在固定最大尺寸的前提下，可将曲梁做得非常长，使得俘能器不仅可以从任意低频的环境噪音中提取能量，而且在曲梁的自由端所悬挂的用于微调系统固有频率的集中质量也不需要太大。

本实用新型能有效降低俘能结构的固有频率，容易达到俘能器的最佳性能，体积小，能微型化，俘能结构的稳定性好。

[附图说明]

图1为本实用新型的俘能结构示意图；

图2为本实用新型的俘能陶瓷曲梁的横截面图；

图3为本实用新型的无悬挂集中质量时梁的输出功率密度γ随外载频率的变化图；

图4为本实用新型的悬挂不同集中质量m₀时梁的输出功率密度γ随外载频率的变化图；

图5为本实用新型的悬挂集中质量m₀＝0.72mL₁时梁的输出电压随外载频率的变化图；

图6为本实用新型的悬挂集中质量m₀＝072mL₁时梁的输出电流随外载频率的变化图。

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

[实施方式]如图1和图2所示，俘能器的俘能元件1由螺旋状双压电陶瓷片叠合而成，内端点2固定在振动台上，振动台以Asin2πft垂直振动，f＝1/T是外载频率。外端点处悬挂集中质量3，设其集中质量为m₀。曲梁由一组圆心在A点的同心半圆和另一组圆心在B点的同心半圆组合而成，AB间距为δ。图2中，俘能结构由沿厚度向上极化的双层压电陶瓷片4和5构成，4和5的上、下两外表面镀有金属银做电极6和7，两层中间也镶嵌一薄层金属银电极8。电极6、7和8通过导线与含储能电池的外负载9连在一起，外负载的阻抗为Z_L。

压电陶瓷选为PZT-5H，俘能结构总圈数取为5，所设计的俘能器主要参数如下：

(c₁₁，c₁₂，c₁₃，c₃₃，c₄₄)＝(12.6，7.95，8.41，11.7，2.30)×10¹⁰N/m²，ρ＝7500kg/m³，

(e₁₅，e₃₁，e₃₃)＝(17.0，-6.5，23.3)C/m²，(ε₁₁，ε₃₃)＝(1700，1470)ε₀， ${\hat{e}}_{31}=-16.5C/m^2,$

ε₀＝8.854×10^-12F/m， ${\widehat{\mathrm{\ϵ}}}_{33}=1.3533\×{10}^{-8}F/m.$ 内半径r₁＝10mm，厚度h＝1mm，宽度b＝10mm，AB间距δ＝2mm，俘能结构总长度L＝596.9mm。 $Z_L=h/\left(2\mathrm{\πf}{\widehat{\mathrm{\ϵ}}}_{33}\mathrm{bL}\right).$ 考虑到介质具有阻尼，计算时在弹性系数中引入阻尼效应，即计算中所用弹性系数 $c_{\mathrm{ij}}^{*}=c_{\mathrm{ij}}(1+Q^{-1}),$ Q＝100。计算显示，当m₀＝0.72mL₁，m＝ρ2hb，L₁＝56mm时，从图4中可看出，50Hz将是俘能结构的固有频率之一，从图5、图6中也可看出，这时的输出电压最大，为10伏，输出电流也最大，为260μA，最大输出功率密度为140μW/cm³。

根据螺旋形成的规律，在图1中，选定两组极座标系进行研究：第一组的极点位于A点，极角θ∈[0，π)，径向座标r∈(r_i-h，r_i+h)，i＝1，2，...，5；第二组的极点位于B点，极角Θ∈[0，π)，径向座标r＝(R_i-h，R_i+h)，i＝1，2，...，5。其中，r_i＝r₁+2(i-1)δ，R_i＝r_i+δ，i＝1，2，...，5。A支座固定在振动台上，振动台以Asin2πft沿垂直方向振动，且将振动台的振动加速度幅值(2πf)²A固定为1m/s²。分别在两组极座标系中求出对应压电陶瓷内的力、电场，然后，通过交界面处的力、电连续性条件，建立起传递矩阵。在固定端A的边界条件：垂直方向位移Asin2πft，水平方向位移取为零，另外，曲梁在A点的切向矢总保持水平。在固定端B的边界条件：曲梁截面上的弯矩为零，而该处水平和垂直方向上的面力分别引起集中质量m₀的水平和垂直方向上的加速度。

先计算没有悬挂集中质量时梁的输出功率密度γ随外载频率的变化图如图3所示。从图3中可以发现：俘能系统的前二个固有频率分别在35Hz和54Hz左右，且第二个固有频率附近的输出功率密度要大得多。为了比较，在图3中的小方框内还画出了对应的直梁型俘能结构的输出功率密度γ随外载频率的变化图，其中：直梁的长度等于曲梁的最外层直径。比较可见，直梁型俘能结构的固有频率明显高于50Hz，而且输出功率密度也小许多。要在厚度不变的条件下调低直梁的固有频率，则需更进一步加大直梁的长度。所以，用螺旋状压电俘能器可有效降低系统的固有频率，提高输出功率密度，并且减小俘能器的最大尺寸。

在图4中画出了m₀的改变对俘能器固有频率和输出功率密度的影响规律：m₀增大，固有频率减小。若环境噪音的频率取为50Hz的话，那么，我们按5层设计的俘能器只需悬挂集中质量m₀＝0.72mL₁即可达到在f＝50Hz的最佳俘能效果。另外，计算中也发现：通过调节螺旋状俘能器的总长L可以很方便地将系统固有频率设计到与外载相接近，于是起调节作用的集中质量m₀并不需太大即可使系统在外载频率处输出最大功率。由于这种型式俘能元件的最大尺寸和m₀都不太大，所以系统的稳定性好。

图5和图6显示了m₀＝072mL₁时的电压幅值和电流幅值随外载频率的变化规律。显然，它们都在f＝32Hz、43Hz和50Hz附近取得极值，表明这些都是俘能系统的固有频率。由于在f＝50Hz处的电压幅值和电流幅值最大，所以俘能结构在f＝50Hz处给出最大输出功率密度。

Claims (1)

1.一种低频压电俘能器，包括俘能元件和含储能元件的外负载阻抗，其特征在于：俘能元件是螺旋状曲梁型式，由螺旋状双压电陶瓷片叠合而成，内端点固定在振动台上，外端点悬挂一可微调系统固有频率的集中质量，曲梁由两组同心半圆组合而成，双层压电陶瓷片的上、下两外表面镀有两个电极，两层中间也镶嵌着一薄层金属电极，两外表面电极和中间薄层金属电极通过导线与含储能电池的外负载阻抗相连。

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