一种并联电路的双向串联宽带压电俘能器的制作方法

本发明属于压电俘能器技术领域，具体涉及一种并联电路的双向串联宽带压电俘能器。

背景技术

压电俘能器是近些年来发展起来的，由于这种能量是一种可再生的绿色清洁能源。常用的压电俘能器是在一个悬梁臂覆盖一层压电陶瓷层，在悬梁臂的尾端放上永磁铁，利用产生的力使压电陶瓷层产生形变，从而通过转化得到电能，这就构成了压电俘能器。

按结构特征把压电俘能器分为两大类，即悬梁臂单晶片结构和悬梁臂多晶片结构，按是否含有非线性项分类，可分为线性俘能器和非线性俘能器。前一类的线性俘能器虽然可以实现谐振激励下的最大功率输出，但是激励频率偏移时，输出的功率会大幅度下降；而后一类的非线性的俘能器在随机激励下的性能比线性俘能器的性能更好，因此非线性结构使用较多。

常用的压电材料为pzt，但是由于pzt受到大应力容易断裂，这里采用pvdf(高聚物聚偏二氟乙烯)，pvdf更柔韧，不容易断裂，对抗大应力引起的疲劳性也更好。

基于路面的压电俘能器一般应用在15hz频率的范围，特殊的压电俘能器由于使用的环境不同，频率也能更高。多见于汽车行驶时所产生的路面震动，火车运动时轨道的震动，由于在路面的这种低频率和大应力的条件下，普通的压电俘能器的俘能效率较低，带宽较窄，在路面的使用不够理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于：解决在路面的这种低频率和大应力的条件下，目前普通的压电俘能器俘能效率较低，带宽较窄，使用不够理想的问题，提出一种基于并联电路的双向串联宽带压电俘能器，采用并联的双向悬梁臂结构，同时在同一震动块上串联多组悬梁臂，增强了俘能的效率，从而达到提高压电俘能器性能和带宽的作用。

本发明采用的技术方案如下：

一种并联电路的双向串联宽带压电俘能器，包括一组震动块和设置在震动块上的悬梁臂，一组震动块包括第一震动块和第二震动块，第一震动块和第二震动块上分别设置有平行悬梁臂和与之对应的垂直悬梁臂，平行悬梁臂的平行方向的上表面和垂直悬梁臂的垂直方向的上表面上都设置有压电陶瓷层，平行悬梁臂和垂直悬梁臂的尾端设置有一个永磁体，两个永磁体的极性面对面相同，第一震动块和第二震动块采用并联电路方式连接。

进一步，所述第一震动块和第二震动块上间隔设置有多组对应的平行悬梁臂和垂直悬梁臂，同一震动块上的悬梁臂采用串联电路方式连接。

进一步，所述压电俘能器包括多组震动块。

进一步，所述压电陶瓷层的厚度与悬梁臂的比值为1.273。

进一步，所述压电陶瓷层的材料为pvdf。

进一步，所述永磁体的材料为钕。

进一步，所述同一震动块上间隔设置的悬梁臂的长度是不同的。

进一步，所述永磁体上设置有用于测量外部压力来选取悬梁臂长度的压力传感器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，采用并联的两个震动块上设置双向悬梁臂结构，同时在同一震动块上串联多组悬梁臂，增强了俘能的效率，从而达到提高压电俘能器性能和扩展带宽的作用；

2、本发明中，压电俘能器包括多组震动块，路面震动时能够带动多组震动块震动俘能，能够进一步增强压电俘能器的俘能效率；

3、本发明中，压电陶瓷层的材料为pvdf，能承受更大的应力，不容易断裂，且由于材料的疲劳性，使用pvdf这种高分子材料相对于其他材料来说，对抗疲劳性效果更好；

4、本发明中，永磁体的材料为钕，钕的磁力较大，可以产生较大的磁力，使垂直悬梁臂进行震动，得到多方向的俘能；

5、本发明中，压电陶瓷层的厚度与悬梁臂的比值为1.273，满足比值将会获得能量的效果最好；

6、本发明中，所述震动块上间隔设置的多组的平行悬梁臂和与之对应的垂直悬梁臂中同一震动块设置的上下悬梁臂的长度是不同的，串联的多个不同长度的悬梁臂有助于提高俘能效率，且更容易满足频带宽度的要求；

7、本发明中，所述永磁体上设置有用于测量外部压力来选取悬梁臂长度的压力传感器，实际应用时，根据不同路面的震动情况，通过对压力传感器的数据的输出，选取不同长度的悬梁臂，有助于拓宽频带宽度，使环境的频率处于悬臂梁的频带宽度之内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明结构示意图；

图中标记：1-第一震动块，2-第二震动块，3-平行悬梁臂，4-垂直悬梁臂，5-压电陶瓷层，6-永磁体，7-压力传感器；

图2为本发明安装结构图；

图中标记：21-压力板，22-密封圈；

图3为本发明简化电路图；

图中标记：31-俘能器整体等效电源；

图4为本发明实施例结构示意图；

图5为本发明实施例结构俯视图；

图6为本发明整体俘能流程图。

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例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种并联电路的双向串联宽带压电俘能器，利用多方向的压电俘能器，通过同种结构的两个震动块上设置双向悬梁臂结构进行并联，同时在同一震动块上串联多组悬梁臂，能较大的利用路面震动所产生的能量，通过整体的并联也提升了俘能的效率，核心是利用多方向性的效果进行俘能，使结构的利用率达到最大。结构如图1所示，包括一组震动块和设置在震动块上的悬梁臂，震动块包括第一震动块1和第二震动块2，第一震动块和第二震动块上分别设置有平行悬梁臂3和与之对应的垂直悬梁臂4，平行悬梁臂和垂直悬梁臂上都设置有压电陶瓷层5，平行悬梁臂和垂直悬梁臂的尾端设置有一个永磁体6，两个永磁体的极性面对面相同，第一震动块和第二震动块采用并联电路方式连接，震动块上间隔设置有多组的平行悬梁臂和与之对应的垂直悬梁臂，同一震动块上的悬梁臂采用串联电路方式连接。

使用时，将整体结构放置在地面，按照并联的方式沿着道路行驶方向进行铺设，铺设时，将装置的中心与轨迹的中心相吻合，得到最大的受力，安装示意图如图2所示，震动块上设置有压力板21，压力板与装置之间设置有密封圈22。当路面的汽车通过时，引起路面的震动，通过对压力板表面的下压，然后使震动块下方的弹簧形变，设置在第一震动块上的悬梁臂受力震动，平行悬梁臂直接发生位移，平行悬梁臂上的永磁铁也产生了位移，从而使磁力产生变化，平行悬梁臂上的压电陶瓷片由于位移而产生了能量，对应的另外一个垂直悬梁臂上的永磁铁由于磁力的变化而产生位移，使设置在垂直悬梁臂上的压电陶瓷片位移产生能量。震动块上串联的压电俘能结构也同步上述运动，经过这种往返的运动，从而使悬梁臂产生电压，通过串联结构输出，再通过外部的并联电路电路转化，通过开关进行控制获得收获的能量，电路连接如图3所示，31为俘能器整体等效的电源。利用外部的压力使之形变，通过对压电陶瓷片的形变，获得能量，磁体的距离控制共振的频率。根据牛顿第二定律，基尔霍夫定律和压电材料的本构方程，得出单个的压电俘能器的并联的一组双向悬梁臂机电耦合方程：

式子中，m是等效质量，c是等效阻尼，k为等效刚度，κc和κv，是等效压电片参数，cp是压电材料的等效电容，rl表示负载的电阻，v是负载两端的电压，x表示悬梁臂末端的位移，和表示两个振动源产生的加速度，frv1和frv2表示两个磁力的垂直分量大小，χ表示的是机电耦合项。

由末端磁铁位移和双稳态的条件下得出了一个基于电荷模型的磁力方程：

其中，fri表示磁力的大小，σm是电荷密度，b是由两个磁铁产生的磁场，s表示的是两个磁铁对应的表面积。

磁铁产生的排斥力和距离有一定的关系：当距离为d1时，fr1垂直方向磁力为frv1；距离为d2时，fr2垂直方向磁力为frv2。

通过无量纲变换得出并联悬梁臂耦合的方程式，过程为：

令则：

其中等效机械阻尼比线性刚度非线性刚度机电耦合系数电阻长度缩放尺度lc和lp代表不同悬梁臂的长度。

设外部震动为简谐振动，可以用fcosωt代替再令可以得出并联悬梁臂耦合的方程式：

其中，耦合变量是x5，由于耦合项的存在，使并联压电俘能器的效果比非并联的压电俘能器提升了俘能效率。

进一步，所述压电俘能器包括多组震动块。路面震动时能够带动多组震动块震动俘能，能够进一步增强压电俘能器的俘能效率；

进一步，所述压电陶瓷层的厚度与悬梁臂的比值为1.273，将获得较大的能量。

进一步，所述压电陶瓷层的材料为pvdf。能承受更大的应力，不容易断裂，且由于材料的疲劳性，使用pvdf这种高分子材料相对于其他材料来说，对抗疲劳性效果更好。

进一步，所述永磁体的材料为钕。钕的磁力较大，可以产生较大的磁力，使垂直悬梁臂进行震动，得到多方向的俘能。

进一步，所述同一震动块上间隔设置的悬梁臂的长度是不同的。串联的多个不同长度的悬梁臂有助于提高俘能效率，俘能效率也有一定的提升。

进一步，所述永磁体上设置有用于测量外部压力来选取悬梁臂长度的压力传感器7。实际应用时，根据不同路面的震动情况，通过对压力传感器的数据的输出，选取不同长度的悬梁臂，有助于拓宽频带宽度，使环境的频率处于悬臂梁的频带宽度之内。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种并联电路的双向串联宽带压电俘能器，包括多组震动块和设置在震动块上的悬梁臂，一组震动块包括第一震动块1和第二震动块2，第一震动块和第二震动块上分别设置有平行悬梁臂3和与之对应的垂直悬梁臂4，平行悬梁臂和垂直悬梁臂上都设置有压电陶瓷层5，平行悬梁臂和垂直悬梁臂的尾端设置有一个永磁体6，两个永磁体的极性面对面相同，第一震动块和第二震动块采用并联电路方式连接，震动块上间隔设置有2组的对应的平行悬梁臂和垂直悬梁臂，同一震动块上的悬梁臂采用串联电路方式连接。压电陶瓷层的材料为pvdf，永磁体的材料为钕。

其中震动块的排列方式结构如图4和图5所示：一个长方柱震动块位于中间，分别在长方柱震动块的四个侧面上串联设置多个垂直悬梁臂，四个侧面方向分别对应设置一个震动块，围成一个正方形，这四个震动块分别位于正方形的四个角，这四个震动块在三个方向上设置有悬梁臂，分别沿所在正方形的角的两个侧边方向和对角线方向，同方向上震动块两两对应为一组，一组震动块上同水平线上相对的悬梁臂为相对应的一组平行悬梁臂和垂直悬梁臂。在路面上安装时多个相同正方形结构排列的振动块依次并联安装，整体结构放置在地面40mm处，按照并联的方式沿着道路行驶方向进行铺设，铺设时，将装置的中心与轨迹的中心相吻合，得到最大的受力。图6为整体俘能流程图。

实施例2

在实施例1的基础上，同一震动块上串联的2组悬梁臂中下方的悬梁臂比上方的悬梁臂短，串联多个不同长度的压电梁有助于提高俘能效率，且更容易满足频带宽度的要求。永磁体上设置有用于测量外部压力来选取悬梁臂长度的压力传感器，实际应用时，根据不同路面的震动情况，通过对压力传感器的数据的输出，选取不同长度的悬梁臂，有助于拓宽频带宽度，使环境的频率处于悬臂梁的频带宽度之内。

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。