本发明涉及能源回收技术领域，具体涉及一种基于压电陶瓷能量回收系统及其能量回收方法。
背景技术
随着无线传感网络技术的发展，振动能量回收广泛的应用于环境监测、建筑、军事、汽车等领域中，但能量供给方式仍以化学电池为主要方式，但由于需要定期更换，体积大，回收困难且污染环境等问题，而压电能量回收装置具有结构简单、不发热、无电磁干扰、易于加工制作、实现结构的微型化、集成化等特点，因此压电能量回收已成为研究热点。所以在本发明中采用的是一种基于压电陶瓷能量回收系统，态对周围环境振动能量进行收集，提高了能量收集效率。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了结构合理、回收效率高的一种基于压电陶瓷能量回收系统及其能量回收方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于压电陶瓷能量回收系统，其特征在于，包括固定端、设置在固定端之间的悬臂梁、设置在悬臂梁与固定端之间的弧形压电悬臂梁及设置在悬臂梁下方的基座；所述悬臂梁与基座之间设有弹簧，所述弹簧一端与悬臂梁固定连接，另一端与基座固定连接，所述弧形压电悬臂梁一端与悬臂梁相连，另一端与固定端相连，所述悬臂梁上下左右四个面均设有陶瓷压电作动片组，从而构成压电能量回收的双稳态结构；所述陶瓷压电作动片组及陶瓷压电传感片组分别连接计算机控制系统，通过计算机控制系统对压电能量回收的双稳态结构进行切换；所述弧形压电悬臂梁上下表面粘贴有陶瓷压电传感片组，从而构成压电双晶结构，所述陶瓷压电传感片组上外接压电能量回收电路，从而对能量进行回收。
所述的一种基于压电陶瓷能量回收系统，其特征在于，所述弧形压电悬臂梁包括陶瓷压电传感片组、金属层及陶瓷压电传感片组组成的三明治结构，其中金属层位于中间，陶瓷压电传感片组在金属层两侧。
所述的一种基于压电陶瓷能量回收系统，其特征在于，所述压电能量回收电路包括整流电路、dc-dc电路、调整电路及储存电路。
所述的一种基于压电陶瓷能量回收系统，其特征在于，所述陶瓷压电传感片组由压电材料的两面涂镀的电极构成，所述压电材料采用压电单晶或压电陶瓷或高分子压电聚合物或压电纤维聚合物。
所述的一种基于压电陶瓷能量回收系统，其特征在于，所述陶瓷压电传感片组在金属层的上下表面粘贴的数量相等。
所述的一种基于压电陶瓷能量回收系统，其特征在于，所述的金属层为轻金属铝或铝合金。
所述的一种基于压电陶瓷能量回收系统的回收方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）设计系统结构:首先利用弧形悬臂梁具有应变均匀分布的特点，设计出弧形悬臂梁结构；将其一端固定在固定端，另一端固定在悬臂梁上，悬臂梁通过弹簧支撑，弹簧固定在基座上；接着在设计的弧形悬臂梁上粘贴陶瓷压电传感片组，构成弧形压电悬臂梁，并在悬臂梁上下左右四个面上安装陶瓷压电作动片组；
2）能量收集：由于正压电效应，在受到力的作用时，在陶瓷压电传感片组表面会产生电荷；通过压电能量收集电路进行收集，将收集的电路首先通过整流电路进行整流，再连接dc-dc电路，并经过调整电路后将得到的电能通过储存电路进行储存或应用；
3）判断收集电压的大小：通过计算机控制系统采集分析陶瓷压电传感片组的振动信号，从而获得弧形压电悬臂梁最大能量处第一阶模态振动的电压，即为收集电压，也称为这一模态结构附近收集的电压；当振动能量收集电压小于在这一模态结构附近收集的电压时，通过计算机控制系统将信号反馈给陶瓷压电作动片组，并驱动陶瓷压电作动片组工作，陶瓷压电作动片组即会调节弧形压电悬臂梁的收集状态，将弧形压电悬臂梁工作在下一阶模态结构，接着重复步骤2）工作；
4）重复上述步骤2）和步骤3），对振动能量进行连续收集。
所述的一种基于压电陶瓷能量回收系统，其特征在于：所述步骤3）中利用陶瓷压电作动片组驱动悬臂梁，改变弧形压电悬臂梁的状态，实现模态之间相互切换。
本发明的有益效果是：1）本发明采用的圆弧形悬臂梁，其圆弧形压电材料具有应变分布均匀的特点，能够更有效的利用压电材料产生的应变，其结构简单，能量转换效率高；2）本发明采用陶瓷压电作动片组，驱动安装在悬臂梁上下和左右面的陶瓷压电作动片组，可以改变悬臂梁的状态，让其在两种稳态的环境中来回变换工作；3）本发明所设计的结构可将周围环境中的机械振动能转化为电能，为其它微电子器件供电。
附图说明
图1是本发明整体的结构示意图；
图2是本发明陶瓷压电传感片组的结构示意图；
图3是本发明陶瓷压电作动片组的结构示意图；
图4是本发明的能量回收流程图；
图中：1-弧形悬臂梁，2-悬臂梁，3-陶瓷压电作动片组，4-陶瓷压电传感片组，5-固定端，6-基座，7-弹簧，8-压电能量收集电路。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
如图1-4所示，一种基于压电陶瓷能量回收系统，包括弧形悬臂梁1、悬臂梁2、陶瓷压电作动片组3、陶瓷压电传感片组4、固定端5、基座6、弹簧7及压电能量收集电路8。弧形压电悬臂梁1一端连接在悬臂梁2上，另一端固定在固定端5，通过弹簧7将悬臂梁2与基座6连接在一起，并在悬臂梁2的上下和左右面上安装陶瓷压电作动片组3，构成压电能量回收的双稳态结构；在双稳态压电能量回收系统中，弧形压电悬臂梁1上下表面粘贴有陶瓷压电传感片组4，构成压电双晶结构，具体由陶瓷压电传感片组4、金属层、陶瓷压电传感片组4组成的三明治结构，其中金属层位于中间，金属层为轻金属铝或铝合金；陶瓷压电传感片组4在金属层两侧，由两面涂镀的电极组成，将其与压电能量回收电路连接，组成双稳态压电能量回收系统。在双稳态压电能量收集装置中，外界机械振动通过在弧形压电悬臂梁1表面产生机械应变进而产生电荷，再通过弧形压电悬臂梁1上陶瓷压电作动片组4，切换压电能量收集时的两种稳态结构，对外界环境振动能量进行高效回收；在弧形压电悬臂梁1表面陶瓷压电传感片组4，弧形压电悬臂梁1由于振动会产生应变，根据正压电效应，在其表面会粘贴的陶瓷压电传感片组4产生电荷；在悬臂梁2的上下和左右面安装陶瓷压电作动片组3，用于驱动悬臂梁改变悬臂梁的状态，在压电能量收集时，让其能够在两种稳态（即模态）之间来回切换。
基于压电陶瓷能量回收系统的回收方法，实施步骤如下：
第1步:设计本装置的结构，首先利用弧形悬臂梁具有应变均匀分布的特点，设计出弧形悬臂梁结构，将其一端固定，另一端固定在悬臂梁2上，悬臂梁2通过弹簧7支撑，弹簧7固定在基座6上，接着，在设计的弧形悬臂梁上粘贴陶瓷压电传感片组4，并在悬臂梁2的上下左右四个面上安装陶瓷压电作动片组3；由于正压电效应，在受到力的作用时，在其表面会产生电荷。
第2步：在第一步的基础之上，将在陶瓷压电传感片组4表面产生的电荷，通过压电能量收集电路进行收集，在设计电路时将收集的电路首先通过整流电路8进行整流，再连接dc-dc电路9，在经过调整电路10将得到的电能通过储存电路11进行储存或应用。
第3步：判断收集电压的大小，通过计算机控制系统采集分析陶瓷压电传感片组（4）的振动信号，从而获得弧形压电悬臂梁（1）最大能量处第一阶模态振动的电压，即为收集电压，也称为这一模态结构附近收集的电压（电压大小需要通过实验分析，首先采集悬臂梁的振动信号，对其做fft变换，分析出主要控制的模态，以及相应的模态频率和电压大小；这一系列的过程都是通过现有的算法实现）；当振动能量收集电压小于在这一模态结构附近收集的电压时，通过计算机控制系统将信号反馈给陶瓷压电作动片组（3），并驱动陶瓷压电作动片组（3）工作，陶瓷压电作动片组（3）即会调节弧形压电悬臂梁（1）的收集状态，将弧形压电悬臂梁（1）工作在下一阶模态结构，（因为能量收集以后，结构的固有第一阶模态频率会改变，为了进一步的采集能量，要使结构要适应下一模态，才能更好的采集能量），接着重复第2步工作。
第4步：本发明装置的能量收集将依次重复上述步骤：第2步和第3步，对振动能量进行收集。
综上所述，本发明所提出的是一种基于压电陶瓷能量回收系统。在本装置中其具有装置简单、质量轻、能量收集效率高、可将其结构在两个稳态之间进行来回跳变，对振动能量进行回收等优点。
在本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，在这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如在通用字典中定义的一些术语可以被理解成为具有与现有技术的上下文中的意义有一致的意义，并且除了一些特殊说明，不会用过于理想化或是过于正式的含义来解释。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案及有益效果进行了进一步详细说明，但所理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。