多方向宽频带压电振动发电装置的制作方法

本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种多方向宽频带压电振动发电装置。

背景技术：

随着芯片和超低工号集成电路技术的迅猛发展，使得无线传感器网络广泛应用，由于无线传感器网络节点分布众多，为无线传感器网络节点的供电成为了技术难题，传统技术采用电池供电，需要定期为无线传感器网络节点更换电池，造成人力和物力的大量浪费，尤其是在恶劣的工况条件下，使得电池更换更佳复杂，甚至难以进行。

为了解决上述技术问题，人们逐渐提出了压电振动发电技术，这种技术具有工作稳定、制作简单且清洁无污染，因此，压电振动发电技术应用越来越广泛，但是现有的压电振动发电装置具有如下缺点：现有的压电振动发电装置在谐振频率处具有较高的输出电压，而一旦振动偏离谐振频率，输出电压则骤然下降，而且现有的压电振动发电装置只对某个方向的振动激励较为敏感，而且在实际的工况条件下，振动具有宽频和多方向的特点，导致现有的压电发电装置能量收集的效率低下，无法满足实际应用需求。

因此，需要提出一种新的压电发电装置，在实际应用中能够适应多方向和振动频带较宽的环境，提高振动能量收集效率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多方向宽频带压电振动发电装置，在实际应用中能够适应多方向和振动频带较宽的环境，提高振动能量收集效率。

本发明提供的一种多方向宽频带压电振动发电装置，包括第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁的一端固定设置，另一端与第二悬臂梁的一端可拆卸式连接，第二悬臂梁的另一端为自由端并设置有质量块，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁之间具有夹角，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁均设置有压电片。

进一步，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁的夹角θ为90°＜θ＜180°。

进一步，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁的夹角为135°。

进一步，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁通过一连接件可拆卸式连接。

进一步，所述连接件为柱状结构，所述连接件的侧壁沿径向下沉形成多个嵌入槽，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁的端部嵌入于嵌入槽中。

进一步，所述嵌入槽沿连接件的圆周方向均匀分布。

进一步，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁为板状结构，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁的上表面和下表面均设置有压电片。

进一步，还包括储能转换电路，所述储能转换电路包括整流电路U1、储能电容C1以及转换芯片U2；

所述转换芯片U2的输入端PZ2和输入端PZ1与压电片的输出端连接，所述整流电路U1的输入端与压电片的输出端连接，整流电路U1的正输出端通过电容C3与转换芯片U2的输入端Vin1连接，整流电路U1的负输出端通过电容C2与转换芯片U2的输入端Vin2连接，所述储能电容C1的两端分别连接于整流电路U1的正输出端和负输出端之间，所述转换芯片U2的输出端Vout向负载供电。

进一步，所述转换芯片U2为LTC3588-1芯片。

本发明的有益效果：本发明的多方向宽频带压电振动发电装置，能够收集多方向的振动能量并转化成电能，而且能够有效拓宽能量收集频带，提高了振动能量的收集效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明在Y方向激励下开路电压与激振频率的关系图。

图3为本发明在Z方向激励下开路电压与激振频率的关系图。

图4为本发明的储能转换电路原理图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为本发明在Y方向激励下开路电压与激振频率的关系图，图3为本发明在Z方向激励下开路电压与激振频率的关系图，如图所示，本发明提供的一种多方向宽带压电振动发电装置，本发明提供的一种多方向宽频带压电振动发电装置，包括第一悬臂梁1和第二悬臂梁2，所述第一悬臂梁1的一端固定设置，固定设置是指第一悬臂通过固定件固定安装，比如专用夹具、通过螺钉固定于墙壁等方式；另一端与第二悬臂梁2的一端可拆卸式连接，第二悬臂梁2的另一端为自由端并设置有质量块3，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2之间具有夹角，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2均设置有压电片4，通过上述结构，第一悬臂梁和第二悬臂梁即使在较小的激励下具有较大振幅，而且即使在不同方向上的振动激励下同样能够具有输出，从而能够有效提高压电振动发电装置的振动能量收集效率，有效解决了传统技术中只能在单一方向激励下才具有输出的问题。

本实施例中，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2的夹角θ为90°＜θ＜180°，第一悬臂梁1和第二悬臂梁2的夹角在此角度范围内使得本发明具有较高的能量收集效率，优选地，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2的夹角为135°，也就是说，一般状况下，第一悬臂梁1和第二悬臂梁2之间的夹角为135°时，无论在竖直方向还是水平方向上其输出最大，但是，在某些特定的工况环境中，比如已经明确检测到振动激励的方向，或者某些工况下不能够以上述方式设定，那么可以将两个悬臂之间的夹角按照实际工况进行相应调整，以使两个悬臂梁之间的夹角适合于工况环境。

本实施例中，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2通过一连接件5可拆卸式连接，通过这种结构，能够方面对第一悬臂梁1和第二悬臂梁2进行安装，更 为重要的是，连接件在此处还可以作为质量块，连接件和第二悬臂梁2上的质量块的共同作用在激励作用下增大两个悬臂梁的振幅，进一步提高了振动能量的收集效率。

本实施例中，所述连接件5为柱状结构，所述连接件5的侧壁沿径向下沉形成多个嵌入槽6，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2的端部嵌入于嵌入槽6中，通过这种结构，能够方便对两个悬臂梁进行安装，更为重要的是利于对两个悬臂梁之间的夹角进行调整，从而能够具有较强的工况适应能力。

优选地，所述嵌入槽6沿连接件5的圆周方向均匀分布，在实际使用中，可以将嵌入槽6设置为8个、16个或者32个等个数，根据实际需要以及两个悬臂梁之间的夹角调整的精确度而确定，通过上述结构，利于对两个悬臂梁之间的夹角进行调整。

本实施例中，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2为板状结构，所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2的上表面和下表面均设置有压电片4，通过这种结构，能够有效提高振动能量的收集效率以及提高电能的转化，当然，压电片4采用现有的压电片，并具有输出电极等结构，通过电极和导线与整流存储电路连接，比如陶瓷压电片，第一悬臂梁1和第二悬臂梁2采用金属材料，优选采用铜材料，连接件5同样采用金属材料，比如铝合金。

本实施例中，还包括储能转换电路，所述储能转换电路包括整流电路U1、储能电容C1以及转换芯片U2；

所述转换芯片U2的输入端PZ2和输入端PZ1与压电片的输出端连接，所述整流电路U1的输入端与压电片的输出端连接，整流电路U1的正输出端通过电容C3与转换芯片U2的输入端Vin1连接，整流电路U1的负输出端通过电容C2与转换芯片U2的输入端Vin2连接，所述储能电容C1的两端分别连接于整流电路U1的正输出端和负输出端之间，所述转换芯片U2的输出端Vout向负载供电，其中，转换芯片U2的输入端PZ2和输入端PZ1与其中的一个压电片的输出端连接，而其它压电片的输出端则连接到整流电路U1的输入端，整流电路U1为全桥式整流电路，由于压电片输出的能量为交流电，而且不同的压电片的特性不 同，每个压电片的输出电压、电流以及相位均不相同，因此，当所有的压电片都通过串接或并联的方式直接连接于转换芯片U1时，将导致整体的输出功率降低，通过上述结构，即使压电片多于两个，只将其中一个压电片直接连接于转换芯片U1，其他的压电片的输出端均与整流电路U1的输入端连接，然后通过储能电容C1的储能缓冲作用，能够有效解决上述问题，从而能够有效避免能量损失，提高本发明的输出功率。

进一步，所述转换芯片U2为LTC3588-1芯片

以下以具体实例对本发明进行说明：

在本实例中，两个悬臂梁均采用铜制成，压电片采用PZT-51压电陶瓷，连接件采用铝合金，质量块则采用钨钢制成，在实例中的具体参数如下表：

采用上表中的参数，经过试验仿真后，得出图2和图3仿真图，从图2中可以看出：当激励来自Y方向，即水平方向的振动时，本发明的输出具有两个峰值：一阶谐振频率8.5Hz具有峰值77V/g，在二阶谐振频率24.7Hz有峰值24.9V/g；图3中可以看出：当激励来自Z方向，即竖直方向的振动时，本发明的输出具有两个峰值：一阶谐振频率9.2Hz具有峰值140.2V/g，在二阶谐振频率29Hz有峰值22.9V/g；综上可以得知：本发明在实际应用中，在不同方向的振动激励下，都至少具有两个输出峰值，也就是说，本发明有效提高了能量的收集的频带宽度，进而提交了振动能量的收集效率，而且电能转化效率高。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。