一种对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置的制作方法

本发明属于压电能量收集领域，具体涉及一种双稳态板式压电能量收集装置。

背景技术：

如今传感网络的应用十分普遍，物联网技术的发展推动了传感网络的使用。随着电子技术以及其他相关领域的技术发展，制造功耗越来越低的传感器已经实现，传感网络的能量供给需求降低，一些传感网络的功率已经降低至毫瓦量级。

传感网络主要通过化学电池供能，虽然传感网络的功耗降低可以延长电池的使用时间，但是电池的更换会付出大量的成本，而且在一些特大型传感网络中更换电池几乎难以实现。为了克服电池供能带来的问题，一些研究提出能量收集技术的概念，通过收集自然环境中耗散的能量为传感网络供能。振动广泛存在于自然环境中并具有较高的能量密度，振动能量收集技术对应用环境的要求较低，可以提供较为稳定的能量。振动能量收集技术主要有电磁式能量收集技术；静电式能量收集技术和压电式能量收集技术。压电能量收集技术相比另外两种振动能量收集技术具有结构简单，输出电压和功率高等显著的优点，已成为振动能量收集技术的主要研究方向，利用压电能量收集技术设计的压电能量收集装置受到越来越多的关注。

近十年来，双稳态压电能量收集技术因为具有可收集振动能量的频带宽等重要的特性得到了特别的关注。双稳态系统具有两个稳定的势能最低点，当双稳态系统从一个稳定位置转移到另一个稳定位置会实现更大的位移幅值。正是由于双稳态系统具有的非线性特征，双稳态压电能量收集技术相比于线性能量收集技术可以有效的收集更宽频率的振动能量。

现有的双稳态压电能量收集装置需要通过永磁体引入非线性永磁力才能实现双稳态结构，永磁体在振动能量收集过程中不仅易受周围磁场的影响，同时它本身产生的磁场也会对附近的电子元器件产生影响，难以与微型电子元器件兼容。还有一类免磁铁的双稳态压电能量收集装置采用轴向压缩力实现双稳态结构，轴向压缩力只能实现单向调节，不易实现双稳态结构；此外仅利用轴向压缩力会使装置中的压电元件受力不均，难以充分发挥压电材料的压电特性，发电效率较低难以满足电子元器件的供能要求。

技术实现要素：

本发明为了解决已有基于线性系统设计的压电能量收集装置存在工作频带较窄，能量收集效率低下的缺陷和基于非线性永磁力的双稳态压电能量收集装置引入电磁干扰，以及免磁铁双稳态压电能量收集装置只能单向调节轴向压缩力不易实现双稳态结构且难以发挥压电材料的压电特性，发电效率较低等缺陷，提供了一种免磁铁的对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置。利用夹具对柔性矩形板角点处的向心压缩力调节，柔性矩形板表面贴合的柔性压电元件受力更加均匀，可充分发挥压电材料的压电特性，发电效率更高。本发明通过夹具从上到下夹持多层双稳态板的技术方案，提高压电能量收集装置的输出电量和功率。本发明提供的对角压缩的多层双稳态板式压电能量收集装置相比与常见的采用轴向压缩的单层双稳态板式压电能量收集装置的空间利用率较高，可以实现多向调节，具有更宽的频率响应范围和更高的输出功率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置，包括一个或一个以上的矩形板状的压电能量收集单元，以及夹持压电能量收集单元的边缘并向压电能量收集单元提供向心压缩力的夹具。压电能量收集单元包括一矩形板状的柔性矩形板，以及贴合在柔性矩形板表面的柔性压电元件。夹具设有一个或一个以上的夹持装置组，夹持装置组的数量与压电能量收集单元的数量相同且一一对应；夹持装置组包括四个夹持装置，四个夹持装置分别对应夹持压电能量收集单元的四角；夹持装置组中的四个夹持装置围成一矩形，该矩形的对角线长度小于压电能量收集单元的对角线长度。

本发明在工作过程中，外界环境中的振动会使柔性矩形板产生形变，柔性矩形板发生形变使贴合在柔性矩形板表面的柔性压电元件产生电能，柔性压电元件产生的电能可通过导线输入到相应电路中处理后输出。

本发明的有益效果包括：

1、本发明相比与常见的采用轴向压缩的单层双稳态板式压电能量收集装置的空间利用率较高，可以实现多向调节，具有更宽的频率响应范围和更高的输出功率。利用夹具对柔性矩形板角点处的向心压缩力调节，柔性矩形板表面贴合的柔性压电元件受力更加均匀，输出功率相比于常见的采用轴向压缩的单层双稳态板式压电能量收集装置可提高50%，可充分发挥压电材料的压电特性，发电效率更高。

2、通过表面粘附有柔性压电元件的柔性矩形板提高压电能量收集装置的输出电量和功率。

3、本发明不需要通过永磁体引入非线性永磁力来形成双稳态。解决了基于非线性永磁力的双稳态压电能量收集装置采用永磁体带来的结构不紧凑和引入电磁干扰等缺陷。

4、本发明属于双稳态压电能量收集装置，通过柔性矩形板的压缩势能和弯曲势能形成双稳态结构，增加了能量收集装置的振动幅度和工作频带宽度，提高了能量收集效率。

5、本发明结构简单，实用性强，可以广泛应用于机械结构，建筑结构等的振动能量收集。通过对外界振动能量的收集，在不消耗任何化石能源的情况下实现低功耗器件的自供电，是一种绿色能源。

附图说明

图1为实施例1的对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置的结构示意图。

图2为实施例1的对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置的纵向剖视图。

图3为实施例1的对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置的俯视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为压电能量收集单元一，2为压电能量收集单元二，3为柔性压电元件，4为夹具，5为质量块一，6为质量块二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本实施例提供一种对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置的实例，其结构示意图如图1中所示。

该对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置包括一个或一个以上的矩形板状的压电能量收集单元，以及夹持压电能量收集单元的边缘并向压电能量收集单元提供向心压缩力的夹具4；

压电能量收集单元包括一矩形板状的柔性矩形板，以及贴合在柔性矩形板表面的柔性压电元件3；

夹具4设有一个或一个以上的夹持装置组，夹持装置组的数量与压电能量收集单元的数量相同且一一对应；夹持装置组包括四个夹持装置，四个夹持装置分别对应夹持压电能量收集单元的四角；夹持装置组中的四个夹持装置围成一矩形，该矩形的对角线长度小于压电能量收集单元的对角线长度。

在本实施例中，如图2所示，压电能量收集单元的数量为2个，分别为尺寸大小相同的压电能量收集单元一1和压电能量收集单元二2，二者从上到下排布构成双层结构。在具体应用中，压电能量收集单元的数量不限于2个，可以根据需要进行增减；设置的压电能量收集单元尺寸大小可以相同也可以不同，本发明对此不做限定。

在本实施例中，如图1至图3所示，夹具4的形状为立方形，包括四个条状的夹臂，分别为图中所示的夹臂一41、夹臂二42、夹臂三43和夹臂四44。夹持装置组设有两组，一组对应夹持压电能量收集单元一1，另一组对应夹持压电能量收集单元二2，夹持装置组中的四个夹持装置分别对应设置在夹臂一41、夹臂二42、夹臂三43和夹臂四44上。在本实施例中，夹持装置为分别设置在夹臂一41、夹臂二42、夹臂三43和夹臂四44上的凹槽，将夹持压电能量收集单元的四角插入凹槽中实现夹持。由于夹臂一41到夹臂三43的距离和夹臂二42到夹臂四44的距离均小于压电能量收集单元一1和压电能量收集单元二2的对角线长度，使得压电能量收集单元一1和压电能量收集单元二2的四角受到夹具4所提供的向心压缩力而形成向上弯曲及向下弯曲的双稳态结构。

在实际应用中，可以将凹槽替换为螺栓、铆钉、铰链等，使得夹持装置组以固支边界条件或简支边界条件夹持压电能量收集单元。

在本实施例中，压电能量收集单元还包括固定设置于柔性矩形板上的质量块。如图1和图2所示，压电能量收集单元一1中设有质量块一5，压电能量收集单元二2中设有质量块二6。质量块一5的质心与压电能量收集单元一1中柔性矩形板的中心处于同一竖直线上，质量块二6的质心与压电能量收集单元二2中柔性矩形板的中心处于同一竖直线上。

质量块可以为压电能量收集装置提供更好的惯性激励力，在工作过程中，利用质量块惯性，外界环境中的振动会进一步促使柔性矩形板产生形变，柔性矩形板发生形变使贴合在柔性矩形板表面的柔性压电元件3产生更多电能。

本发明对柔性矩形板、柔性压电元件3、夹具4以及质量块的材质不做具体限定，可以根据实际需要进行选择。在本实施例中，柔性矩形板使用硅胶材料，也可以替换为其他弹性材料，例如橡胶；树脂等高分子聚合物或弹簧钢等弹性金属材料制品。柔性压电元件3采用聚偏氟乙烯（pvdf）制造，也可以替换为其他压电材料，例如锆钛酸铅pzt。夹具4采用铝合金制造，也可以替换为其他材料，例如不锈钢等金属材料制品或硬质塑料。质量块的材质为铝合金，也可以替换为其他材料，例如不锈钢等金属材料制品。

本发明的工作原理为：压电能量收集单元一1和压电能量收集单元二2的四角受到夹具4所提供的向心压缩力而形成向上弯曲及向下弯曲的双稳态结构，外界环境中的振动使柔性矩形板产生形变，柔性矩形板发生形变使贴合在柔性矩形板表面的柔性压电元件产生电能，柔性压电元件产生的电能可通过导线输入到相应电路中处理后输出。

下面结合具体技术原理和实验数据对比本实施例提供的一种对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置和对应尺寸相同的轴向压缩的单层双稳态板式压电能量收集装置在相同的外界振动激励下产生的电能数据。通过该实例中的实验数据对比，进一步突出采用柔性矩形板向心压缩力相对于采用轴向压缩的有益效果。

自然界中的振动主要以低频振动为主，而所有的振动均可由若干简谐振动叠加形成，所以本实例中的外界振动激励选取激励幅值为1厘米，激励频率为5赫兹的低频小幅简谐振动。

当对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置和对应尺寸相同的轴向压缩的单层双稳态板式压电能量收集装置的夹具底部同时固定在振动台并提供所选取的外界振动激励时，单层双稳态板式压电能量收集装置中的质量块中心的振动幅值约为0.019m，柔性压电元件的开路输出电压集中在±0.7v以内；对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置中质量块一5的振动幅值约为0.047m，柔性压电元件3的开路输出电压集中在±1.5v以内。通过实验数据的对比可以看出对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置利用夹具对柔性矩形板角点处的向心压缩力调节，柔性矩形板表面贴合的柔性压电元件受力更加均匀，可充分发挥压电材料的压电特性，发电效率更高。

实施例2：

本实施例提供一种对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置的具体参数实例，其结构与实施例1相同。

在本实施例中，柔性矩形板的厚度为1厘米，长度与宽度均为11厘米。夹臂一41、夹臂二42、夹臂三43和夹臂四44的高度均为40厘米；夹具4底面对应的长度与宽度均为10厘米。夹臂一41、夹臂二42、夹臂三43和夹臂四44上的凹槽距离夹具底部的间距分别为15厘米和30厘米。由于夹臂一41到夹臂三43的距离和夹臂二42到夹臂四44的距离为10厘米均小于压电能量收集单元一1和压电能量收集单元二2的对角线长度11厘米，使得压电能量收集单元一1和压电能量收集单元二2的四角受到夹具4所提供的向心压缩力而形成向上弯曲及向下弯曲的双稳态结构。

在本实施例中，质量块一5和质量块二6均为尺寸相同的立方体，其高度均为4厘米；长度与宽度均为3厘米。

本实施例的其他技术特征均与实施例1相同，在此不再赘述。

本发明对角压缩的多层双稳态板式压电能量收集装置的双稳态结构由受对角压缩的所述柔性矩形板的压缩势能和弯曲势能形成，不需要通过永磁体引入非线性永磁力来形成双稳态。解决了基于非线性永磁力的双稳态压电能量收集装置采用永磁体带来的结构不紧凑和引入电磁干扰等缺陷。

本发明对角压缩的多层双稳态板式压电能量收集装置相比与常见的采用轴向压缩的单层双稳态板式压电能量收集装置的空间利用率较高，不仅可以实现多向调节，具有更宽的频率响应范围和更高的输出功率。而且利用所述立方形夹具对所述柔性矩形板角点处的向心压缩力调节，所述柔性矩形板表面贴合的所述柔性压电元件受力更加均匀，可充分发挥压电材料的压电特性，发电效率更高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。