一种按压式压电电磁复合俘能器的制作方法

本发明涉及一种按压式压电电磁复合俘能器，属于节能技术及再生环保新能源领域。

背景技术

目前，大多数的低功率器件(如无线传感器和发射器，医疗植入传感器，便携式电子设备)都依赖电化学电池供电。但是，电化学电池具有寿命短、成本高及处理废旧电池带来的环境污染等问题，所以研究人员正积极寻找一种新的能源以代替电化学电池为低功率器件供电。另外，微电子技术的不断发展大大降低了低功率器件的能耗，因而，从周围环境中收集能量以驱动低功率器件变得更加可行。从周围环境中可收集的能量主要包括太阳能、热能和机械能，其中，机械能，尤其是振动能在周围环境中分布广泛。在机械能向电能转换的多种途径中，电磁俘能器具有结构简单、阻抗小、输出电流大等优点而备受关注。现有的电磁俘能器存在环境适应性差、发电效率低、低频适应性差、单位时间内发电量小的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种发电效率高，能够更适应环境中随机、宽带、低频、小振幅振动，提高能量回收效率的按压式压电电磁复合俘能器。

上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种按压式压电电磁复合俘能器，包括上下设置的压电梁和底板，所述压电梁的上下表面分别连有压电片，下层所述压电片下表面设置有磁铁，所述底板上设置有位于所述磁铁正下方的线圈，所述底板的四角连有弹簧固定块的下端，所述弹簧固定块上套设有弹簧，所述弹簧的上端连有所述压电梁下表面的四个角。

所述压电梁长度减去所述压电片长度大于等于两倍所述弹簧的直径。

所述磁铁位于下层所述压电片中间位置。

所述压电梁为弹性材料，包括黄铜或者不锈钢。

所述弹簧材质为不锈钢。

所述压电片的材质为pzt。

上下两片所述压电片之间采用串联或并联的连接方式。

所述弹簧固定块的材质为塑料。

本发明的有益效果：

1、采用弹簧支撑压电梁，一方面吸收环境施加给压电梁的外力从而在外力消失后反作用于压电梁，从而使压电梁产生连续形变，产生宽频电压；另一方面设计压电梁与弹簧的结构从而使弹簧谐振频率、压电梁谐振频率、环境谐振频率两两之间成倍数关系，保证对环境频率的放大效果并产生共振效果；另外使用弹簧作为支撑亦可以保证磁铁上下振动频率加快，从而产生更多的电磁俘能。

2、采用放置在弹簧内圈的弹簧固定块,一方面确保弹簧只能做上下振动，保证弹簧不会因发生扭曲而产生能量浪费；同时，对被按压的压电梁起到支撑作用，确保被按压的压电梁在可承受范围内形变增大。

3、磁铁与底板的距离小于按压过程中被弹簧固定块支撑时压电梁可承受的最大形变，以此确保在按压过程中压电梁不会因形变过大而发生破损，增加压电梁和压电片的使用寿命。

4、使用压电电磁复合俘能形式，弥补了压电装置的输出电流小和电磁装置的输出电压小的缺点，使其输出电压较高，电流较大。

附图说明

图1和图2是本发明一种按压式压电电磁复合俘能器的结构示意图；

图3是本发明中弹簧与弹簧固定块的结构示意图；

图4是本发明在无磁铁时连续按压后压电俘能输出电压波形图；

图5是本发明再有磁铁时连续按压后压电俘能输出电压波形图；

图6是本发明在有磁铁时按压一次后压电俘能输出电压波形图；

图7、图8是本发明在有磁铁时连续按压后压电和电磁俘能输出电压波形图。

图中附图标记如下：1-压电梁；2--压电片；3-弹簧；4-弹簧固定块；5-底板；6-磁铁；7-线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，一种按压式压电电磁复合俘能器，包括压电梁1、压电片2、弹簧3、弹簧固定块4、底板5、磁铁6和线圈7。压电片2放置在压电梁1上下表面，压电梁1长度减去压电片2长度大于等于两倍的弹簧3直径。四个弹簧3用于支撑压电梁1的四个角，同时安置在底板5的四角上。如图3所示，弹簧固定块4放置在弹簧3内，固定弹簧3只能上下振动，同时也能在压电梁1被按压的过程中对压电梁1起到支撑作用，以此保证弹簧3不会因发生扭曲而产生能量浪费，亦可以保证弹簧3能最大幅度得吸收外界施加的力从而最大限度的施加给压电梁1。同时，弹簧固定块4距离压电梁1的高度小于按压压电梁1的最大幅度，当外界对压电梁1施加力时，弹簧固定块4会在压电梁1被按压到一定幅度后支撑压电梁1，从而使压电梁1从此刻开始中间发生形变，以此确保压电梁1在可承受范围内形变增大。在施加力消失后，弹簧3工作，带动压电梁1和磁铁6上下振动。弹簧3谐振频率、压电梁1谐振频率、环境谐振频率两两之间成倍数关系，从而保证对环境频率的放大效果并产生共振效果。其中。弹簧固定块4的材料为塑料等中等硬度材料，以确保在支撑压电梁1时不会对压电梁1造成损伤。

磁铁6放置在下层压电片2中间位置，线圈7位于底板5上且位于磁铁6正下方，磁铁6与线圈7初始间距小于弹簧固定块4距离压电梁1的高度，确保磁铁6最大限度切割磁感线。

磁铁6与底板5的距离小于按压过程中被弹簧固定块4支撑时压电梁1可承受的最大形变，以此确保在按压过程中压电梁1不会因形变过大而发生破损。底板5的材料为木板等非弹性材料，底板5上线圈内放置弹性薄层材料(如海绵)，以此消减磁铁6与底板5碰撞产生的反作用力。

优选地，压电梁1为弹性材料，例如黄铜或不锈钢；弹簧3材料可用不锈钢等弹性材料。压电梁1上的压电片2采用pzt系列，上下两片压电片2之间采用串联或并联的连接方式。

本发明的工作原理为：当外界对压电梁1施加力时，弹簧3发生形变，外力消失后弹簧3形变力反作用于压电梁1，使压电梁1产生连续形变，从而产生宽频电压；同时弹簧3振动带动压电梁1振动从而带动压电梁1上磁铁6的振动，使得磁铁6上下振动切割磁感线，产生感应电动势。设计压电梁1与弹簧3的结构从而使弹簧3谐振频率、压电梁1谐振频率、环境谐振频率两两之间成倍数关系，保证对环境频率的放大效果并产生共振效果，从而确保压电梁1形变以及磁铁6振动幅度的更大化，以此保证产生的压电、电磁能量更大。

如图4和图5所示，本发明实际实验时使用长60mm、宽30mm的压电梁，圈数为20圈、线径0.5mm、外径12mm、长度15mm、材料为304不锈钢的弹簧，经过计算，此弹簧结构的谐振频率与压电梁的谐振频成1：1关系。实际实验时使用手掌进行连续按压操作。图4中无磁铁时连续按压后在3.053hz的振动范围下产生电压的均方根值为8.81v；在相同的按压力下，图5中有磁铁时连续按压后在3.356hz振动范围下产生电压的均方根值为12.8v。对比图4和图5可以看出，在相同的压力作用下，在压电梁中部加入磁铁产生的压电量(图5所示)大于不加磁铁(图4所示)产生的。

如图6所示，从图中可以看出，按压一次后，波形在出现两个峰值后慢慢趋于零。图中第一个峰值为此次按压压电梁产生的最大电压；第二个峰值为按压放开后由弹簧和压电梁共振产生的最大电压；第二个峰值过后，弹簧继续振动，带动压电梁振动产生电压，但由于弹簧振动逐渐减弱，对压电梁的作用力逐渐减弱，因此一次按压后压电梁产生的电压随着弹簧振动的减弱而逐渐降低。对比文献《s-shapespringsensor:sensingspecificlow-frequencyvibrationbyenergyharvesting》中结构，此图可以证明，此结构压电俘能部分能够更适应环境中随机、宽带、低频、小振幅振动的环境。

如图7、图8所示为本结构有磁铁时连续按压后压电和电磁俘能输出电压波形图。两张图中，上面一个波形为压电俘能结果、下面一个波形为电磁俘能结果。从两幅图中可以看出，当手按压结构，压电部分作为主要俘能部分，输出电量较大；当按压结束后，弹簧带动磁铁切割线圈磁感线，电磁部分成为主要俘能部分。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。