一种收集人体能量的滚筒-悬臂梁式压电俘能器

1.本实用新型涉及压电俘能技术领域，具体涉及一种收集人体能量的滚筒-悬臂梁式压电俘能器。


背景技术：

2.近年来能源危机和环境污染问题愈演愈烈，振动能量作为一种清洁可再生能源，成为传统化学电池的替代途径之一，具有很好的开发应用前景，利用好振动能量，能够解决电子设备的供电问题，极大地便利我们的生活；利用压电材料的正压电效应，将振动能量转化为电能的装置称为压电俘能器；在悬臂梁式压电俘能器的设计中，目前大部分悬臂梁结构都只针对单一方向上的振动，收集频带窄，能量收集效率低。
3.人体在运动过程中会产生大量动能，雷杰宇对人体运动状态进行了研究分析，以前后方向为x轴，左右为y轴，站立为z轴，发现人体在运动时不断经历着x轴和z轴方向上的加减速变化，而且人体的步幅和步频在跑步和走路两种状态下有跃变，且踝关节处的摆动幅度最大(参见：雷杰宇2015年发表的硕士毕业论文“人体运动数据采集与分析”)，压电俘能器可以收集这些能量为小型电子产品供电。但人体运动频率较低，现有俘能器共振频率难以与人体运动频率匹配，导致俘能效果不好。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本实用新型提供一种收集人体能量的滚筒-悬臂梁式压电俘能器，利用变截面悬臂梁设计将线性悬臂梁变成非线性悬臂梁，拓宽了共振响应频带，有效避免了单一悬臂梁的共振频带过窄导致俘能效率不高的问题；该俘能器受到z轴方向振动时，永磁体因自身重力而上下振动使压电陶瓷发生形变产生电能，受到x轴方向振动时，铁制滚筒受到惯性力在凹槽导轨中来回滚动引起永磁体振动，带动悬臂梁振动使压电陶瓷发生形变产生电能；本实用新型可以同时收集两个方向上的振动能量，并且适应低频环境，响应频带宽，俘能效率高。
5.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种收集人体能量的滚筒-悬臂梁式压电俘能器，其特征在于：包括支架结构、悬臂梁压电结构和滚筒结构；所述支架结构包括底座、带筋板支架、直角滑块和压块，所述带筋板支架有完全一样的两个，通过前后两个安装孔对称固定在带槽底座两端，所述直角滑块可在带筋板支架直滑槽内滑动并通过螺栓和螺母固定，所述压块通过螺丝固定在直角滑块表面；所述悬臂梁压电结构包括压电陶瓷、悬臂梁和永磁体，所述悬臂梁上表面通过导电胶粘贴有压电陶瓷，所述悬臂梁末端固定粘贴有永磁体，所述悬臂梁被压块通过两个固定孔固定在直角滑块上表面；所述滚筒结构包括滚筒和两根凹槽导轨，所述两根凹槽导轨固定连接在两个带筋板支架顶端，所述滚筒可在两根凹槽导轨的凹槽中来回滚动。
6.所述悬臂梁不等长，所述悬臂梁分三段式不等截面，最薄截面0.25mm，后两个截面依次比前一个截面厚0.1mm。
7.所述直角滑块可在带筋板支架直槽内上下滑动并可用螺栓螺母固定，所述直角滑块固定后高度保持一致。
8.所述滚筒材质为铁，左右两侧有圆柱凸台，圆柱凸台可嵌入两根凹槽导轨凹槽中来回滚动。
9.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
10.本实用新型的悬臂梁采用变截面设计，可以有效降低振动频率以匹配低频人体运动频率，两个悬臂梁不等长，有效拓宽了能量收集频带；悬臂梁末端的永磁体的重力和铜制悬臂梁自身的弹性提高了俘能器对振动的敏感性；受到z轴方向的振动时，永磁体上下振动使压电陶瓷发生形变产生电能，受到x轴方向的振动时，铁制滚筒来回滚动引起永磁体振动，使压电陶瓷发生形变产生电能，实现了对环境中双向振动能量的收集，极大提升了能量收集效率。
附图说明
11.图1为本实用新型的结构示意图；
12.图2为本实用新型的直角滑块与带筋板支架摆放示意图；
13.图3为本实用新型的悬臂梁压电结构示意图。
14.图中：1支架结构、2悬臂梁压电结构、3、滚筒结构、4带槽底座、5带筋板支架、6直角滑块、7压块、8压电陶瓷、9悬臂梁、10永磁体、11滚筒、12凹槽导轨、13安装孔、14螺栓孔、15悬臂梁固定孔、 16压块固定孔、17固定孔。
具体实施方式
15.为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
16.参照图1、2，本实用新型提供一种实施方案：一种收集人体能量的滚筒-悬臂梁式压电俘能器，由支架结构1、悬臂梁压电结构2和滚筒结构3组成，支架结构1包括底座4、带筋板支架5、直角滑块6和压块7，带筋板支架5有完全一样的两个，通过前后两个安装孔13对称固定在带槽底座4两端，带筋板支架 5和带槽底座4两端平齐，带筋板支架5内开有直滑槽，与直滑槽内径、直角滑块6上螺栓孔14孔径相等的螺栓贯穿带筋板支架5和直角滑块6且表面套有螺母，直角滑块6可在带筋板支架5直滑槽内滑动并通过螺栓和螺母固定，可以根据外界频率大小自由调节悬臂梁高度，进而改变所受到磁力的大小，提高了俘能器环境适应性；直角滑块6上有两个悬臂梁固定孔15用于固定悬臂梁9，压块7通过压块固定孔16用螺丝固定在直角滑块6表面。
17.参照图1、2、3，悬臂梁压电结构2包括压电陶瓷8、悬臂梁9和永磁体10，悬臂梁9为三等分变截面设计的铜基片，最薄截面0.25mm，后两个截面依次比前一个截面厚0.1mm，悬臂梁9上表面通过导电胶粘贴有压电陶瓷8，末端固定粘贴有永磁体10，压电陶瓷8厚度为0.2mm，长度为悬臂梁9的一半，一段与永磁体10相接，悬臂梁9通过两个固定孔17被压块7固定在直角滑块6上表面；两边支架固定的压电陶瓷8和悬臂梁9长度不相等，长悬臂梁比短悬
臂梁长5mm，相应的长压电陶瓷比短压电陶瓷长2mm，长短不等的变截面悬臂梁9设计，降低了俘能器自身频率并极大拓宽了能量收集频带，有效提高了能量收集效率；滚筒结构3包括滚筒11和两根凹槽导轨12，两根凹槽导轨12固定连接在两个带筋板支架5顶端，铁制滚筒11可在两根凹槽导轨12的凹槽中活动。
18.使用时，调节直角滑块6在带筋板支架5直槽内的位置并用螺栓螺母固定，使两个直角滑块6固定后高度保持一致，并且滚筒11在凹槽导轨12上滚动过程中，永磁体10受到磁力作用时会产生振动，使悬臂梁9高度保持在会因磁力影响振动又不能因磁力过大损坏压电陶瓷结构的范围内，人体运动时，踝关节处的摆动幅度最大，将压电俘能器固定在人体脚踝关节上，使底座4水平于地面。
19.该收集人体能量的滚筒-悬臂梁式压电俘能器的工作原理如下：
20.本实用新型中所述的压电俘能器可以收集x轴方向和z轴方向的人体振动能量，人体运动时主要产生 x轴和z轴两个方向的低频振动(小于8hz)，压电俘能器受到x轴方向的振动时，铁制滚筒11受到惯性力在凹槽导轨12中来回滚动引起永磁体10振动，带动悬臂梁9振动使压电陶瓷8发生形变产生电能；受到z轴方向的振动时，由于永磁体10自身重力而上下振动使压电陶瓷8发生形变产生电能；两根悬臂梁9 采用不等长变截面设计，可以降低并拓宽俘能频带，直角滑块6设计可以根据人体运动频率的变化调整两个悬臂梁9的高度，提高了俘能器环境适应性。
21.本实用新型中所述的滚筒-悬臂梁式压电俘能器可以同时收集两个方向上的振动能量，并且适应低频环境，响应频带宽，俘能效率高。