本发明涉及一种附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置，可以在很宽的频带内有效收集周围环境的振动能量进行发电，属于压电发电技术及新能源技术领域。
背景技术
在科技迅猛发展的当今社会，传统能源如石油、天然气、煤炭等不可再生能源的过量使用在加速科技发展的同时，对人们的生存环境也造成了不可恢复的破坏，新能源的开发和新型材料的利用得到了世界各国的重视。
压电俘能器是利用压电材料的压电效应俘获环境中的振动能量并将其转化为电能的设备。与传统电磁感应发电相比，压电俘能器由于其结构简单、易于制造、无污染等优点受到广泛关注。
1999年boudaoud等人设计了一种附加可移动磁珠的两端固支琴弦结构，磁珠上带有偏心孔，以减小耦合效应，随着磁场的变化，弦的运动引起磁珠位置的改变，从而实现调谐；2008年wu等人研究并设计出一种带有滑动质量块的螺杆，通过螺杆内外的运动实现调谐，调谐范围达到130-180hz，但需要手动实现调谐；2009年kozinsky设计了一种内部带有滑动质量块的空心管，由滑动质量块的运动引起共振，在没有质量块的情况下固有频率为87.7hz，带有质量块的情况下调谐范围可达83-90hz，但这种可移动质量块在绕自身轴线转动时会增加耗散；2013年miller等人研究并设计了一种附加可滑动质量块的两端固支梁结构，通过改变滑动质量块的位置来实现调谐，在0.007-2g的加速度下调谐范围可达45-140hz，这种结构的自调谐范围对尺寸和使用的材料较不敏感；2011年schaufuss等人研究并设计出了一种基于杠杆的悬臂结构，通过改变杠杆上质量块的位置实现调谐，调谐范围达到42–55hz，但需要手动实现调谐；2015年jackson等人研究并设计出了一种带有液体填充质量块的单压电层悬臂梁，通过液体的运动实现调谐，实现了1.6-4.45hz的较窄半峰值带宽；2018年somkuwar等人研究并设计了一种附加可移动圆柱体的中空箱，中空箱内圆柱体的运动改变了结构重心的位置从而使该装置在不同的频率下产生共振，但由于商用pvdf传感器安装问题，这种装置的输出电压较小。
由此可见，可移动质量块不仅可以调节压电俘能装置的固有频率，它们之间的碰撞还可以使小幅运动变成大幅运动，有效地提高了输出功率，从而实现高效率宽频振动的采集效果。
技术实现要素：
本发明的目的是利用滚动圆柱提高压电俘能器的俘能频宽，增大输出电压，使其在多频的振动环境中具有更强的适应性。本发明基于压电板和滚动圆柱系统，提出一种附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置。
为了解决压电俘能器的上述问题，本发明的解决方案如下：
本发明的压电板系统包括基板、压电层，压电层通过jl-510环氧ab胶水粘贴在基板的固定端附近；所述压电层由保护层、压电薄膜、电极层构成，压电层的长宽高尺寸为50×50×0.05mm，电极层分别附着在压电薄膜上下表面，由电极线导出压电层外侧，所述压电薄膜和电极层被保护层完全包裹，保护层厚度为0.125mm。所述压电层材料为极化后的pvdf，电极层材料为银，电极线材料为铜线，保护层材料为聚酯。
本发明所述的滚动圆柱系统由两个箱子组成，每个箱子由箱体、滚动圆柱、箱盖组成；所述滚动圆柱装在箱体中，用箱盖扣合，两个箱子的顶面分别通过jl-510环氧ab胶水粘贴在压电板自由端两角处，且箱子顶面的两边线与压电板对应边线重合；所述箱体内壁、箱盖和滚动圆柱的表面粗糙度均为ra12.5，粗糙度较小，当装置受到外界环境的振动影响时，滚动圆柱可在箱体中自由滚动并撞击箱体内壁，滚动圆柱位置的改变及其撞击内壁的效果调节了压电板的固有频率，使其更加适应环境振动的突变，起到调谐的作用。
本发明所述支座由基座、压板构成，所述基座上端设有四个螺栓孔，基座与外部平台通过螺栓连接固定；所述压板设有四个螺栓孔，基板通过螺栓固定在基座和压板之间。
所述滚动圆柱的材料为铅，所述基板、基座、压板、箱体、箱盖的材料为钢。
工作过程：
当附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置受到环境振动的激励时，滚动圆柱随着板的大幅振动在箱体中不断滚动，即滚动圆柱位置的改变引起系统固有频率的改变，从而起到调谐的作用；当滚动圆柱处于箱体最里端(靠近固定端的位置)时系统的固有频率最高，为p1，当滚动圆柱处于箱体最外端(靠近自由端的位置)时系统的固有频率最低，为p2，滚动圆柱在箱体内不断滚动，使得系统的固有频率处于p1、p2之间，当周围环境振动的频率位于p1、p2之间时，通过圆柱体的滚动，使得系统的固有频率和周围环境振动的频率相同，从而产生共振并引起系统的大幅振动。所以，该俘能器在p1—p2的频率范围内都能取得较高的能量转换效率和输出电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明装置利用滚动圆柱系统降低了整个系统的固有频率，与平板装置相比，能俘获更低频的周围环境振动。
2、该俘能器装置的滚动圆柱可随外界环境的激振而滚动，使得系统的固有频率发生改变，通过这种调谐作用，可以使得系统的固有频率和周围环境振动的频率相同，增加了该俘能器装置的工作频宽。
3、由于共振及滚动圆柱与箱体撞击引起的系统大幅振动，使得该俘能器在很宽的频率范围内都能取得较高的输出电压和能量转换效率。
附图说明
图1是本发明附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置的主视图；
图2是本发明附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置的系统拆解图；
图3是本发明附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置各部件的爆炸视图；
图4是本发明滚动圆柱系统的立体图；
图中：1、压电板，2、滚动圆柱系统，3、支座，4、基座，5、箱盖，6、滚动圆柱，7、箱体，8、基板、9、压电层、10、压板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
如图1-4所示：本发明为附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置，该装置由压电板1、滚动圆柱系统2和支座3组成。压电板1由基板8和压电层9构成，压电板1通过压板10并用螺栓固定于支座3的基座4上；滚动圆柱系统2由两个粘贴在压电板1自由端的箱子(如图4所示)构成，箱子由箱体7、滚动圆柱6和箱盖5构成，箱盖5设置在箱体7的顶部，滚动圆柱6设置在箱体7中；滚动圆柱6随着压电板1的大幅振动在箱体7中不断滚动并撞击箱体7的箱壁，调节并降低了压电板1的固有频率，增大了工作频宽，提高了俘能器的能量转换效率和输出电压。
本发明所述的基板8为钢板，长宽高尺寸为150×60×0.5mm。
压电板包括基板8、压电层9，压电层9通过jl-510环氧ab胶水粘贴在基板8上方的固定端附近处；所述压电层9由保护层、压电薄膜、电极层构成，压电层9的长宽高尺寸为50×50×0.05mm，电极层分别附着在压电薄膜上下表面处，电极层由电极线导出压电层外侧，所述压电薄膜和电极层被保护层完全包裹，保护层厚度为0.125mm。所述压电层9的压电薄膜材料为极化后的pvdf，电极层材料为银，电极线材料为铜线，保护层材料为聚酯。
滚动圆柱系统2由两个箱子(如图4所示)组成，图4中，每个箱子由箱体7、滚动圆柱6和箱盖5构成；所述滚动圆柱6装在箱体7中，用箱盖5扣合，两个箱子的顶面分别通过jl-510环氧ab胶水粘贴在压电板1的自由端两角处；所述箱体7的内壁、箱盖5和滚动圆柱6的表面粗糙度均为ra12.5，滚动圆柱6能够在箱体7中自由滚动并撞击箱体7的内壁。
所述支座3由基座4、压板10构成，所述基座4上端设有四个螺栓孔，下端设有一个螺栓孔，支座3与外部平台通过基座4的螺栓孔连接固定；压板10上设有四个螺栓孔，压电板1通过螺栓固定在基座4和压板10之间。
所述滚动圆柱6的材料为铅，所述基板8、基座4、压板10、箱体7、箱盖5的材料均为钢。
当附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置受到环境振动的激励时，由于滚动圆柱6和箱体7内壁的粗糙度较小，滚动圆柱6能够随压电板1的振动在箱体7中不断滚动并撞击箱体7内壁，调节并降低了压电板1的固有频率，增大了该装置的工作频宽，提高了俘能器的能量转换效率和输出电压。
所述压电板边长与基板长的比值为0.42，箱体长为基板长的2/5，宽和高均为基板宽的1/3，滚动圆柱的底面半径为基板长的8/75，高为基板宽的4/15。
综上所述：本发明附加滚动圆柱的自调压电谐俘能器装置，将质量块系统运用在压电俘能器的结构上，降低了系统的固有频率，使其能俘获更低频的周围环境振动，提高了俘能效果；采用滚动圆柱系统的方式，滚动圆柱随着压电板的大幅振动在箱体中不断滚动并撞击箱壁，调节并降低了压电板的固有频率，增大其俘能频宽；同时由于滚动圆柱撞击箱体内壁及共振引起的系统大幅振动，使得该俘能器在较宽的频率范围内都能取得较高的能量转换效率和输出电压。
本发明的附加滚动圆柱的自调谐压电俘能器装置可用于中小型机械自供电设备，如为路边信号灯、路灯、指示灯供电等，也可用于振动和噪声监测设备，如铁道、隧道、桥梁等工程爆破监测和地震监测等。