等强度梁式压电振动能量收集器的制作方法

本发明涉及能量采集领域，特别涉及一种将振动能量转换为电能的压电振动能量采集装置。

背景技术：

由于振动能量收集器的体积小、寿命长、能量密度高、无污染等特点，随着自供能无线物联网技术及mems(micro-electro-mechanicalsystem)等低功耗电子设备的快速发展，振动能量收集受到了广泛的关注，振动能量收集技术亦迅速发展。振动能量收集，不仅能给mems供电，在特定场合还可以提高能量的利用效率、降低有害的振动，因此其在结构健康监测、航空航天等许多领域获得了重要的应用。然而，目前所存在的压电式振动能量收集器的均为等截面梁。对于等截面压电悬臂梁，不同截面上的最大正应力不同，在弯矩为最大值的截面上，最大弯曲正应力最大，其余各截面上弯矩较小，截面的最大弯曲正应力也就较低，压电材料没有物尽其用；而且，等截面悬臂梁的刚度较大。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种等强度梁式压电能量收集器，该能量采集器能将振动能量转换为电能，具有结构简单、安装方便、压电材料利用率充分等优点。下面结合附图详细说明本发明的结构，包括组成部分，各组成部分的连接关系，及发明的工作原理。

(1)总体结构描述：

本发明的等强度梁式压电振动能量收集器包括基座，等强度压电层合梁，质量块构成。

所述的基座用于安装等强度压电层合梁。

所述的等强度压电层合梁由上压电材料层，下压电材料层，变截面金属基板构成。上压电材料层与下压电材料层通过不导电粘结胶粘结在变截面金属基板上，压电材料层为振动能量收集器的能量转换单元。变截面金属基板为振动能量收集器的刚度单元，采用不同的金属材料及不同的尺寸以调节能量收集器的刚度。

所述的等强度压电层合梁一端固定于基座，另一端连接质量块。

所述的质量块固定在等强度压电层合梁上，质量块大小可调，通过调整质量块的大小可以调节能量收集器的工作频率。

(2)进一步结构特点描述：

上述的变截面金属基板为钢材、铜材、或者铝合金等弹性材料，其结构为变截面结构。

上述的压电材料为压电陶瓷或者压电薄膜。

上述的质量块为铅、钢等密度比较大的材料制作。

(3)工作原理：

为了充分利用压电材料，提高压电式振动能量收集器的能量密度，本发明采用等强度压电层合梁设计方案，使等强度压电层合梁的抗弯截面系数随着弯矩的变化而变化，在弯矩较大处采用较大截面，在弯矩较小处采用较小截面；变截面梁的各截面的最大正应力都相等，且都等于压电材料的许用应力。设变截面梁的任一截面上的弯矩为m(x)，而截面的抗弯截面系数为w(x)，则应满足：

式(1)中，σmax为截面最大正应力，[σ]为许用应力，n为安全系数，x为应力点至固定端的距离。上式(1)可以写为：

对于附图1所示的结构，本发明的等效静力学模型如图3所示。其固定端的宽度为a,有效长度为l，b(x)为任一截面宽度，梁的高度为h则其弯矩方程为：

m(x)＝p(l-x)(3)

式(3)中，p为外载荷。

截面最大应力为：

式(4)中，ymax为最大应力点至中性轴的距离。

矩形横截面的惯性矩为：

若等强度压电层合梁表面的最大应力处处相等，则有：

将式(3)和式(5)代入式(6)可得等强度压电层合梁的宽度变化规律为：

本发明的有益效果在于：

为了充分利用压电材料，提高压电式振动能量收集器的能量密度，本发明采用等强度压电层合梁设计方案，即等强度压电悬臂梁的抗弯截面系数随着弯矩的变化而变化，在弯矩较大处采用较大截面，在弯矩较小处采用较小截面；变截面梁的各截面的最大正应力都相等，且都等于许用应力。本发明具有以下优点：

(1)能够充分利用压电材料，提高振动能量收集器的能量转换效率；

(2)结构简单，制作及安装均十分方便。

附图说明

图1为等强度梁式压电振动能量收集器主视图；

图2为等强度梁式压电振动能量收集器俯视图；

图3为等强度梁式压电振动能量收集器的静力学等效模型；

图中标号所示：1、基座，2、上压电材料层，3、下压电材料层，4、变截面金属基板，5、质量块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提出的等强度梁式压电振动能量收集器由基座(1)、等强度压电层合梁、及质量块(5)组成。所述的等强度压电层合梁由上压电材料层(2)，下压电材料层(3)，变截面金属基板(4)构成；所述的基座(1)用于安装等强度压电层合梁；变截面金属基板(4)的左端固定在基座(1)上，右端连接质量块(5)，变截面金属基板为振动能量收集器的刚度单元，采用不同的金属材料及不同的尺寸用以调节能量收集器的刚度；所述上压电材料层(2)与下压电材料层(3)通过不导电的粘结胶粘结在变截面金属基板(4)上，压电材料层为振动能量收集器的能量转换单元；所述的质量块(5)固定在等强度压电层合梁上，质量块大小可调，通过调整质量块的大小以调节振动能量收集器的工作频率。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。