一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法，本发明压电体采用梁板结构和简支支承方式，通过强迫振动方式实现俘能。首先利用压电效应将强迫振动的机械能转化为交流电信号，然后通过全桥整流电路对交流电信号进行整流，最后利用电容滤波电路实现稳定的直流电输出。本发明还通过设计带有发光二极管和示波器的开关电路，实现对上述俘能过程的定性和定量检测。本发明检测方法简便、准确；俘能方法结构简单、支承稳定，对外界振源的振动频率依赖性弱，在低能耗电子器件的自供能方面有广阔的应用前景。
【专利说明】-种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压电俘能方法领域，具体涉及一种基于外界强迫振动的压电俘能及检 测方法。
【背景技术】
[0002] 环境振动的机械能存在范围广，能量密度高，将外界振动能量收集并加以贮存和 利用，具有重要的意义。在现有技术条件下，将常见的振动机械能转换为可利用电能（俘 能）的方法主要分为电磁转换、静电转换和压电转换三种。电磁转换是基于电磁感应现象， 将机械能转化为电能。其方法的主要缺点在于，它所使用的线圈体积大，且输出电压小，效 果差。静电转换是在保持电压稳定的情况下，由外力作用改变电容器的电容，从而引起电 荷流动，进而输出电流达到俘能的目的。该方法的缺点在于，需要提供一个外界稳压独立电 源，在实际应用中有很大局限性。压电俘能是通过外界振动使压电材料受力并发生形变，基 于压电材料受力及形变导致材料分子中的正负电荷中心分离的特性，从而产生极化电压， 驱动极板上的电荷定向流动输出电能。压电俘能方式具有电力转化性能好、能量密度大、无 需外界额外电源、易于微型化的优点，具有广阔的应用前景。
[0003] 压电俘能利用压电材料的正压电效应，将机械振动能量转换为可利用的电能，这 方面已有大量文献和专利报到。在能量转换过程中，一般是利用压电体的结构频率和外界 振动频率的关系，通过谐振效应来实现。为适应不同的环境振动频率，压电体结构设计多样 乃至繁杂，同时为增大结构变形，大都设计成一端支承另一端自由的悬臂类结构，部分还在 自由端悬挂质量块来增强效果。这些方法的缺点，一是结构复杂，制造成本高，二是悬臂结 构的稳定性较差。为此，本发明提出一种简支结构，可通过外界强迫振动来进行压电俘能， 并能实现定性及定量检测的方法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有压电俘能和检测技术的不足，采用强迫振动模式，使压 电体在非谐振条件下从环境振动中吸收机械能，将其转化为电能并能对转化的各阶段进行 检测，最终获得稳定直流电输出。
[0005] 为了实现上述目的，本发明方法包括发下步骤：
[0006] 步骤一：构建压电俘能结构；基体材料的两端分别采用简支铰接支承形式与底座 相连，基体材料的上表面粘贴压电片，组成梁板式结构体，两根导线分别从基体和压电片表 面引出；
[0007] 步骤二：压电片与振动源直接接触，并随振动源一齐发生强迫振动，振动频率与振 动源一致，而与压电片固有频率无关。通过压电片受力和变形时产生的压电效应，将振动机 械能转换为电能，并通过引出导线输出；
[0008] 步骤三：利用整流电路对原始交流信号进行整流，获得直流电信号；
[0009] 步骤四：利用电容对整流信号进行滤波。其原理是当整流电压高于电容电压时，电 容充电；当整流电压低于电容电压时，电容放电，在充放电的过程中，使得输出电压保持基 本稳定。电容充放电的计算公式为：
[0010]
【权利要求】
1. 一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法，其特征在于： 步骤一：构建压电俘能结构；基体材料的两端分别采用简支铰接支承形式与底座相 连，基体材料的上表面粘贴压电片，组成梁板式结构体，两根导线分别从基体和压电片表面 引出； 步骤二：压电片与振动源直接接触，并随振动源一齐发生强迫振动，振动频率与振动源 一致，而与压电片固有频率无关；通过压电片受力和变形时产生的压电效应，将振动机械能 转换为电能，并通过引出导线输出； 步骤三：利用整流电路对原始交流信号进行整流，获得直流电信号； 步骤四：利用电容对整流信号进行滤波； 步骤五：输出电压检测 (1) 、将发光二极管/示波器连接俘能结构产生的原始交流电信号输出端，可测得二极 管的亮暗相间闪烁信号及交流电压波形的波动信号； (2) 、将发光二极管/示波器连接整流后的直流电信号输出端，可测得二极管的明暗相 间信号及直流电压波形的波动信号； (3) 、将发光二极管/示波器连接经整流和滤波后的稳压直流电信号输出端，可测得二 极管的稳定发光信号及直流稳定电压波形信号。
2. 根据权利要求1所述的一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法，其特征在 于：所述的基体材料为铜片。
3. 根据权利要求1所述的一种基于外界强迫振动的压电俘能及检测方法，其特征在 于：所述的整流电路采用二极管全桥整流电路，整流前后的电压关系为：
【文档编号】H02N2/18GK104218847SQ201410432589
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】高发荣, 许敏华, 沈娟红, 陈璐璐, 简海华, 任珊珊, 沈瑶 申请人:杭州电子科技大学