一种剪切型压电俘能器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及俘能器领域，尤其涉及一种剪切型压电俘能器。
【背景技术】
[0002]将机械振动转化成电能主要有三种以下方式:电磁转换、静电转换和压电转换。
[0003]电磁转换是利用电磁感应现象将机械能转换成电能，这种俘能方式的缺点在于所用线圈的体积大，输出电压低，俘能效果不佳。
[0004]静电转换是通过外力激励改变电容器极板间距离或者极板间的相对面积而改变电容的方法来达到转换能量的目的，这种俘能方式的缺点在于需要一个独立的电源为其提供稳衡电压，因此在实际应用中受到了很大限制。
[0005]压电转换是利用压电材料的机电耦合效应将机械能转换成电能。
[0006]Roundy> Mateu> Sodano在对比分析了上述俘能转换方式后指出:压电转换方式的力电转换性能好，无需额外电源，易微型化，非常适用于俘获环境中的机械能，具有非常广阔的应用前景。目前，工程技术领域甚至人们的日常生活中，压电俘能器具有广泛应用，是一种将环境中的机械能转换为电能的设备，其利用的就是压电材料变形产生电能的原理，比如压电道路标识、压电袖珍风车、压电发电鞋、压电背包以及人们日常生活中最常见的电子打火机。压电俘能器不仅能将环境中的振动能转化为电能，也能将人和动物在运动中产生的动能转化为电能。
[0007]现有技术中，一种d31型的钹式俘能器如图1所示，当外力作用在钹式俘能器上时，通过将金属平顶锥壳与压电陶瓷界面间的耦合作用转变为径向扩张振动模态并与压电陶瓷的径向扩张振动模态叠加产生较大的径向张力，最终，通过让压电陶瓷拉伸变形产生电能。然而，现有技术中大多是d31或d33型压电俘能器，这两种俘能器压电系数比较小，能量转换效率较低，此外，由于路面交通受到的荷载都是竖向荷载，现有的俘能器都不适用于路面俘能。
【发明内容】
[0008]本发明提出一种剪切型俘能器，该剪切型俘能器通过类似拱形的结构将竖向荷载转化为水平推力，并且通过交错型的结构，可以将路面的竖向荷载通过机械装置转化为对压电材料的剪切力，再将水平推力转化为对压电材料的剪切力，使压电材料产生剪切变形，产生电能，从而可以适用于路面俘能。
[0009]本发明的剪切型俘能器，包括:外壳，左侧传力构件，右侧传力构件，支撑件，压电陶瓷块及铜电极。
[0010]优选地，外壳由两个完全相同的呈拱形的上壳体和下壳体组成，上壳体和下壳体相向扣起来，在两壳体中部形成中空的区域，两壳体的左右两侧边缘部各设有两个贯穿孔，用于螺栓固定。该上、下壳体可以由钢材制成。
[0011]优选地，左侧传力构件呈左侧窄右侧宽的梯形结构，其左侧端部焊接有三个螺栓，其左侧边缘部设有两个贯穿孔，其右侧端部设置有滑轨，可以与支撑件采用滑轨形式紧密连接。
[0012]优选地，右侧传力构件呈右侧窄左侧宽的梯形结构，其右侧边缘部设有两个贯穿孔，其左侧端部设置有滑轨，同样的，可以与支撑件采用滑轨形式紧密连接。左侧传力构件和右侧传力构件的贯穿孔与外壳上的贯穿孔位置对应。上述左侧、右侧传力构件可以由钢材制成。
[0013]优选地，支撑件的一侧设置有滑块，可以与左侧传力构件或右侧传力构件的滑轨紧密连接，支撑件上均匀设置有多个小孔，其中位于中间位置的支撑件在其两侧有相互错开的凹槽，位于两侧边缘位置的支撑件仅在其内侧有凹槽，支撑件同样可以由钢材制成。
[0014]优选地，铜电极还有一个伸出压电陶瓷块部分的用于连接导线的连接部，用于将压电陶瓷产生的电荷收集起来并导出，铜电极上同样均匀设置有多个小孔。
[0015]制造本发明的剪切型俘能器的方法包括:
[0016]第一步，将螺栓穿过外壳的下壳体、左侧传力构件和右侧传力构件的贯穿孔，使左侧传力构件、右侧传力构件和外壳的下壳体固定在一起，各支撑件按顺序分别紧密安装到左侧传力构件和右侧传力构件上；
[0017]第二步，在压电陶瓷块的两侧粘接铜电极，铜电极上的连接部连接导线；
[0018]第三步，利用乐泰E-20HP胶水环氧树脂胶将铜电极与支撑件间隔粘接起来；
[0019]第四步，当胶水达到强度后，将外壳的上壳体覆盖在左侧传力构件和右侧传力构件上，使压电陶瓷块部分位于外壳包围的中空区域内，然后用螺帽固定螺栓；
[0020]第五步，在左侧传力构件焊接的螺栓处套接端部挡板，之后用螺帽固定，先将力传给端部挡板，然后给压电陶瓷施加一个预拉力。
[0021]优选地，第二步骤进一步包括:
[0022]步骤2.1，提前用微型电磨将压电陶瓷块的粘接面打磨粗糙，并用小锉刀修理，使压电陶瓷块的粘接面出现凹凸不平的条纹形状；
[0023]步骤2.2，用胶带在压电陶瓷块的非粘接面四周缠绕几圈；
[0024]步骤2.3，用导电胶将铜电极和压电陶瓷块粘接起来，并把多余的胶挤出清理干净；
[0025]步骤2.4，粘贴好之后，用平口钳夹住养护，24小时之后取下；
[0026]步骤2.5，用电磨将铜电极上面多余的导电胶打磨干净；
[0027]步骤2.6，在铜电极上原有的孔洞位置，均匀的选取4?5个，用小电钻钻洞，便于铜电极和绝缘胶粘接牢靠稳固，钻洞过程中，不要钻到压电陶瓷块；
[0028]步骤2.7，在铜电极表面均匀地涂抹一层绝缘胶，固化24小时之后，用小电磨打磨光滑，为了保证绝缘效果，铜电极表面胶的厚度大约为0.5mm ;
[0029]步骤2.8，用小电钻在绝缘胶表面钻洞，钻洞处需要与铜电极自身的孔洞错开；其次，用电磨在绝缘胶表面磨出凹凸不平的条纹，处理完成之后，将压电陶瓷块非粘接面的胶带清理干净。
【附图说明】
[0030]图1是现有技术中d31型钹式俘能器示意图；
[0031]图2是本发明剪切型俘能器第一实施例的结构示意图；
[0032]图3是本发明剪切型俘能器的外壳；
[0033]图4是本发明剪切型俘能器的内部结构示意图；
[0034]图5是本发明剪切型俘能器中两种支撑件的结构示意图；
[0035]图6是本发明剪切型俘能器中铜电极和压电陶瓷块粘接后的结构示意图；
[0036]图7是本发明剪切俘能器第二实施例的结构示意图；
[0037]图8是本发明剪切型压电俘能器的工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合说明书附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0039]参见附图2-6，本发明的剪切型压电俘能器，包括外壳，左侧传力构件，右侧传力构件，支撑件，压电陶瓷块及铜电极。
[0040]外壳由两个完全相同的呈拱形的上壳体和下壳体组成，上壳体和下壳体相向扣起来，在两壳体中部形成中空的区域，两壳体的左右两侧边缘部各设有两个贯穿孔，用于螺栓固定。该上、下壳体可以由钢材制成。
[0041]左侧传力构件呈左侧窄右侧宽的梯形结构，其左侧端部焊接有三个螺栓，其左侧边缘部设有两个贯穿孔，其右侧端部设置有滑轨，可以与支撑件采用滑轨形式紧密连接。
[0042]右侧传力构件呈右侧窄左侧宽的梯形结构，其右侧边缘部设有两个贯穿孔，其左侧端部设置有滑轨，同样的，可以与支撑件采用滑轨形式紧密连接。左侧传力构件和右侧传力构件的贯穿孔与外壳上的贯穿孔位置对应。上述左侧、右侧传力构件可以由钢材制成。
[0043]支撑件的一侧设置有滑块，可以与左侧传力构件或右侧传力构件的滑轨紧密连接，支撑件上均匀设置有多个小孔，其中位于中间位置的支撑件在其两侧有相互错开的凹槽，位于两侧边缘位置的支撑件仅在其内侧有凹槽，小孔和凹槽都是为了在组装时可以更加牢靠稳固地粘接压电陶瓷块和铜电极，支撑件同样可以由钢材制成。
[0044]铜电极还有一个伸出压电陶瓷块部分的用于连接导线的连接部，铜电极用于将压