带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，包括：弹性梁、压电元件、滑道、限位挡块和可动质量环，所述弹性梁悬空，其两端面固定，所述压电元件紧贴在弹性梁表面并紧邻弹性梁的固定端，所述滑道位于弹性梁的中间位置，所述限位挡块位于滑道两端并固定在弹性梁上，所述可动质量环穿过滑道和弹性梁并自由悬挂在滑道上。本发明装置，利用可动质量环在外界振动作用下产生的滑动和转动等运动行为来增加振动能量采集的频带宽度，实现压电式振动能量采集装置的宽频带工作。
【专利说明】带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置
【技术领域】
[0001]本发明属于能源与电子【技术领域】，涉及一种能量采集装置，具体涉及一种带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置。
【背景技术】
[0002]随着物联网、无线传感网络、微电子机械系统等技术的不断发展，如何长期高效地为其中的各种传感器和执行器供电正成为其发展的一大障碍。这类器件虽然消耗能量较少，但是使用时往往是大量散布在偏远、恶劣环境中或者植入物体内部，对供能元件的体积、成本、寿命等都提出较高的综合要求。目前主要的供电方式是电池和有线电源。传统的电池供电方式难以克服寿命短、存储能量有限、需定期更换等问题，而电源线供电方式则很难应对器件大量随机散布或植入被测物体内部的特殊要求。例如在心脏起搏器、汽车胎压监测系统等新兴技术中，更换电池或利用电源线都变得非常困难。必须寻找一种新的电源来代替传统的供电方式，从而克服上述问题。因此，可自我维持电源的研究成为能源研究领域的一个重要方向。
[0003]机械振动能是自然界中普遍存在的一种能量，在工业、建筑物、生物体等各种环境中时刻存在。所以，能够采集环境振动能并转换为电能的振动能量采集装置正逐步受到国内外同行的广泛关注。振动能量采集装置的工作方式主要有三种:静电式、压电式和电磁式。其中压电式振动能量采集装置基于压电材料的压电效应，工作时不需要额外电源；同时，能量输出密度大。也可以利用微细加工技术与各种传感器、执行器等集成。因此，压电式振动能量采集装置正成为能量采集技术中的一大研究热点。但是，目前报道的压电式振动能量采集装置通常都是工作在谐振状态，即主要是利用拾振系统与外界环境振动之间的共振来提高输出性能。因此，谐振式振动能量采集装置的工作频带宽度都很小，一般在3-5Hz。一旦能量采集装置的固有频率稍微偏离环境振动的频率，其输出性能就会迅速降低。而现实环境中的振动频率一般不固定，多在一小范围内变化，有时甚至是随机的。因此，谐振式压电振动能量采集装置不能满足现实要求。
[0004]经对现有技术文献的检索发现，Tang等在《Journal of Intelligent MaterialSystems and Structures))(《智能材料系统与结构学报》，2012年23卷13期1433-1449页)撰文“Improving funct1nality of vibrat1n energy harvesters using magnets，，(利用永磁体提高振动能量采集装置的多功能性)，提出了一种通过手动调整振动结构共振频率来实现压电振动能量采集装置宽频带工作的设计方案。该设计中，压电悬臂梁端部和其前方各放置一磁性质量块，两永磁体左右分布且磁极相对。实验表明，当两磁体相互吸引放置且间距从4mm增加到14.5mm时,共振频率从大约58Hz降低到28Hz左右；当两磁体相互排斥放置且间距从9.5mm增加到15.5mm时，共振频率从12Hz增加到23Hz。因此，该设计通过改变压电悬臂梁的共振频率实现了压电振动能量采集装置的宽频带工作。但是，由于现实环境中机械振动的频率是不断变化的，那么，就需要反复手动调整上述设计中的外永磁体磁极以及两磁体间距来改变共振频率从而适应外界环境振动。这就需要消耗大量的人力物力即增加成本，显然，在现实中是不可取的，而且，如果把该振动能量采集装置放置在无人触及的地方为传感器供电，也不能实现宽频带工作。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，无需外界提供任何形式的能量，完全利用可动质量环的运动来调整振动结构的谐振频率，从而真正实现压电振动能量采集装置的宽频带工作。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，包括:弹性梁、压电元件、滑道、限位挡块和可动质量环，所述弹性梁悬空，其两端面固定，所述压电元件紧贴在弹性梁表面并紧邻弹性梁的固定端，所述滑道位于弹性梁的中间位置，所述限位挡块位于滑道两端并固定在弹性梁上，所述可动质量环穿过滑道和弹性梁并自由悬挂在滑道上。
[0008]所述弹性梁为扁平的长方体结构，其两端被支撑底座和盖板面固定并被悬空，可以用金属、塑料等材料制备。
[0009]所述支撑底座为长方体形状，可以用金属、塑料等材料制备。
[0010]所述盖板为长方体形状，可以用金属、塑料等材料制备。
[0011]所述压电元件为上下面带有电极的压电单元，可以为压电陶瓷片、PVDF压电薄膜等成品压电传感器；也可以为用各种微加工技术直接在弹性梁上制备得到的压电薄膜(比如氧化锌压电薄膜，氮化铝压电薄膜等)。如果上述的弹性梁为导电材料制备，则所述的压电元件与弹性梁之间设有绝缘介质。
[0012]所述压电元件的数目大于1，则它们之间为并联连接。
[0013]所述滑道为半圆柱体形状，其直径大于或等于弹性梁的宽度，圆柱表面光滑，其半圆柱面朝上，其平面一面通过环氧树脂胶粘贴或其他方式固定在弹性梁上。
[0014]所述滑道表面非常光滑，可以用金属、塑料等材料制作。
[0015]所述限位挡块为长方体形状，其长度比半圆柱体半径要大，通过环氧树脂胶粘贴或其他方式固定在弹性梁上。
[0016]所述限位挡块可以用金属、塑料等材料制作。
[0017]所述可动质量环为圆环形状，其内径大于滑道的半径同时小于限位挡块的高度，穿过滑道悬挂在弹性梁上。
[0018]所述可动质量环内表面非常光滑，可在滑道上几乎无摩擦地滑动和转动。
[0019]所述可动质量环可以用金属、塑料等材料制作。
[0020]本发明主要用于采集自然界环境中广泛存在的各种机械振动能并转换为电能。由弹性梁和两个支撑底座及盖板构成的简支梁结构作为拾振系统，用来感知外界振动。压电元件把外界作用产生的应力转变成电荷或电压。通过改变滑道、限位挡块和可动质量环的总质量，可以调整振动系统的固有频率，从而改变压电振动能量采集装置的工作频带范围。
[0021]当本发明受到外界振动作用时，双端固支的弹性梁会产生受迫振动，导致位于弹性梁根部的压电元件产生变形。根据压电效应，压电元件的两个电极之间就会产生电压。当外界振动频率处在某一频率范围以及振动加速度超过某一个阈值后，可动质量环会在振动作用下在滑道上产生转动和滑动，滑道两端的限位挡块防止可动质量环脱离滑道运动。与质量环固定的谐振式振动能量采集装置相比，本发明中可动质量环的转动和滑动行为导致在相同的振动作用下弹性梁的振幅变小，并且对频率的灵敏度也明显降低。因此，弹性梁根部的振幅在某一个频率范围内变化很小。从而使得压电元件产生的电压在某一个频率范围内也基本不变。所以，利用可动质量环的滑动和转动可以实现压电振动能量采集装置在某一个频率范围内输出电压基本不变即宽频带工作的目的。
[0022]本发明的有益效果如下:
[0023]利用可动质量环来代替传统谐振式压电振动能量采集装置中的固定质量块，能够实现压电振动能量采集装置在一个较大的频率范围内都有稳定的电压输出。频率范围至少在1Hz以上。而且，随着外界振动加速度的增加，频带可以增加到20Hz以上。从而克服了传统谐振式振动能量采集装置的工作频带很小的缺点(一般在3-5Hz左右)，真正实现了压电振动能量采集装置宽频带工作的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明所提供的振动能量采集装置实施例1的结构示意图；
[0025]图2是图1的侧视图；
[0026]图3是本发明所提供的振动能量采集装置实施例2的结构示意图；
[0027]图4是图3的侧视图。
【具体实施方式】
[0028]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。
[0029]如图1和图2所示，本发明所提供的振动能量采集装置实施例1结构示意图，包括:弹性梁1、支撑底座2、盖板3、压电元件4、滑道5、限位挡块6和可动质量环7。其中:弹性梁I的两端利用盖板3固定在支撑底座2上，压电元件4粘贴在弹性梁I的根部，滑道5位于弹性梁I的中间位置，限位挡块6位于滑道两端并固定在弹性梁I上，可动质量环7穿过滑道5和弹性梁1，悬挂在滑道5上。
[0030]弹性梁I为长方体形状，中间可动部分的长度、宽度和厚度分别为:16.8cm, 1.2cm和0.5_，采用不锈钢材料加工而成。
[0031]支撑底座2为长方体形状，其长度、宽度和高度分别为:2cm，1.2cm和3cm，采用有机玻璃加工而成。
[0032]盖板3为长方体形状，其长宽高分别为:2cm，1.2cm和0.5cm，采用有机玻璃加工而成。
[0033]支撑底座2和盖板3之间通过螺丝等部件固定连接，对弹性梁I的两端进行机械挤压并固定。
[0034]压电元件4为美国Measurement Specialties公司生产的PVDF压电薄膜传感器(LDT1-028K)，利用环氧树脂胶粘贴在弹性梁I的根部表面。
[0035]滑道5为半圆柱体形状,直径为1.2cm,高度为3cm。采用聚氨酯材料加工而成,利用环氧树脂胶粘贴在弹性梁I的中间位置；圆柱表面涂覆一层润滑油以增加光滑度，有利于可动质量环7的自由运动。
[0036]限位挡块6为长方体形状，其长宽高分别为:1.3cm，1.2cm和0.2cm，采用有机玻璃加工而成。
[0037]限位挡块6位于滑道5的两端并利用环氧树脂粘贴在弹性梁I上。
[0038]可动质量环7为圆环形状,其内外半径分别为8mm和1mm,高度为9mm,采用金属材料加工而成，内表面光滑，以方便在滑道5上的自由滑动和转动。
[0039]将压电元件4的两电极分别接入外电路中，当外界振动作用在该发明上时，弹性梁I产生上下振动，由于两端固定，因此，根部必然产生形变。粘贴于弹性梁I根部的压电元件4就会产生形变，从而在上下电极之间产生电压。在外界振动的作用下，可动质量环7在位于两个限位挡块6之间的滑道5上产生滑动和转动运动，完全有别于传统的谐振式振动能量采集装置中质量块固定在弹性梁上的情况。可动质量环7的滑动和转动行为导致弹性梁I的振幅在较大频率范围内基本不变。因此，在一个很大的频率范围内，本发明都可以实现大小相同的电压输出，从而实现压电振动能量采集装置的宽频带工作。实验表明，具有上述参数的压电式振动能量采集装置，如果把可动质量环固定在滑道中间，在加速度为6m/S2的振动激励下，工作带宽仅仅为3.0Hz0但是，如果让可动质量环自由悬挂在滑道上，在加速度为6m/s2的振动激励下，工作带宽约为16.6Hz。带宽增加了 4倍以上。
[0040]如图3和图4所示，本发明所提供的振动能量采集装置实施例2结构示意图，在弹性梁I根部的上下面上各粘贴一个压电元件4。因此，实施例2中含有4个压电元件4。实施例2与实施例1的工作原理完全相同，除了压电元件的个数不同，所有部件的形状、尺寸都与实施例1 一致。实施例2由于拥有四个压电元件4，在工作中把四个压电元件并联后再接入外电路，就可以增加输出电压和输出功率。因此，本实施例在具有宽频带工作特点的同时，也具有较高的电压和功率输出。
[0041]以上实施例详细显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
【权利要求】
1.一种带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，包括:弹性梁、压电元件、滑道、限位挡块和可动质量环，其特征在于，所述弹性梁悬空，其两端面固定，所述压电元件紧贴在弹性梁表面并紧邻弹性梁的固定端，所述滑道位于弹性梁的中间位置，所述限位挡块位于滑道两端并固定在弹性梁上，所述可动质量环穿过滑道和弹性梁并自由悬挂在滑道上。
2.根据权利要求1所述的带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述弹性梁为扁平的长方体结构，其两端被支撑底座和盖板面固定并被悬空。
3.根据权利要求1所述的带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述支撑底座和盖板为长方体形状，分别位于弹性梁两端的上下表面。
4.根据权利要求3所述的带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述支撑底座和盖板采用螺栓把弹性梁的两端固定。
5.根据权利要求1所述的带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述压电元件为I个、2个、3个或4个，紧贴弹性梁的上或下表面，在所述压电元件为2个以上时，采用并联连接。
6.根据权利要求5所述的带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述压电元件至少包括中间压电层和上下电极层。
7.根据权利要求2所述的带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述滑道为表面光滑的半圆柱体形状，其直径等于或者大于弹性梁的宽度，其平面一面固定在弹性梁上表面的中间位置。
8.根据权利要求7所述的带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述限位挡块为长方体形状，其长度大于半圆柱体滑道的半径。
9.根据权利要求8所述的带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，其特征在于，所述可动质量环为内表面光滑的圆环形状，其内径大于滑道的半径同时小于限位挡块的高度。
【文档编号】H02N2/18GK104300830SQ201410613453
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】王佩红, 刘慧婷, 鲁毓岚, 袁梅, 张一强, 孙兆奇 申请人:安徽大学