一種基于外界強迫振動的壓電俘能及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于外界強迫振動的壓電俘能及檢測方法，本發(fā)明壓電體采用梁板結(jié)構(gòu)和簡支支承方式，通過強迫振動方式實現(xiàn)俘能。首先利用壓電效應(yīng)將強迫振動的機械能轉(zhuǎn)化為交流電信號，然后通過全橋整流電路對交流電信號進行整流，最后利用電容濾波電路實現(xiàn)穩(wěn)定的直流電輸出。本發(fā)明還通過設(shè)計帶有發(fā)光二極管和示波器的開關(guān)電路，實現(xiàn)對上述俘能過程的定性和定量檢測。本發(fā)明檢測方法簡便、準(zhǔn)確；俘能方法結(jié)構(gòu)簡單、支承穩(wěn)定，對外界振源的振動頻率依賴性弱，在低能耗電子器件的自供能方面有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】-種基于外界強迫振動的壓電俘能及檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓電俘能方法領(lǐng)域，具體涉及一種基于外界強迫振動的壓電俘能及檢 測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 環(huán)境振動的機械能存在范圍廣，能量密度高，將外界振動能量收集并加以貯存和 利用，具有重要的意義。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，將常見的振動機械能轉(zhuǎn)換為可利用電能（俘 能）的方法主要分為電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換三種。電磁轉(zhuǎn)換是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象， 將機械能轉(zhuǎn)化為電能。其方法的主要缺點在于，它所使用的線圈體積大，且輸出電壓小，效 果差。靜電轉(zhuǎn)換是在保持電壓穩(wěn)定的情況下，由外力作用改變電容器的電容，從而引起電 荷流動，進而輸出電流達到俘能的目的。該方法的缺點在于，需要提供一個外界穩(wěn)壓獨立電 源，在實際應(yīng)用中有很大局限性。壓電俘能是通過外界振動使壓電材料受力并發(fā)生形變，基 于壓電材料受力及形變導(dǎo)致材料分子中的正負電荷中心分離的特性，從而產(chǎn)生極化電壓， 驅(qū)動極板上的電荷定向流動輸出電能。壓電俘能方式具有電力轉(zhuǎn)化性能好、能量密度大、無 需外界額外電源、易于微型化的優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 壓電俘能利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將機械振動能量轉(zhuǎn)換為可利用的電能，這 方面已有大量文獻和專利報到。在能量轉(zhuǎn)換過程中，一般是利用壓電體的結(jié)構(gòu)頻率和外界 振動頻率的關(guān)系，通過諧振效應(yīng)來實現(xiàn)。為適應(yīng)不同的環(huán)境振動頻率，壓電體結(jié)構(gòu)設(shè)計多樣 乃至繁雜，同時為增大結(jié)構(gòu)變形，大都設(shè)計成一端支承另一端自由的懸臂類結(jié)構(gòu)，部分還在 自由端懸掛質(zhì)量塊來增強效果。這些方法的缺點，一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，二是懸臂結(jié) 構(gòu)的穩(wěn)定性較差。為此，本發(fā)明提出一種簡支結(jié)構(gòu)，可通過外界強迫振動來進行壓電俘能， 并能實現(xiàn)定性及定量檢測的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有壓電俘能和檢測技術(shù)的不足，采用強迫振動模式，使壓 電體在非諧振條件下從環(huán)境振動中吸收機械能，將其轉(zhuǎn)化為電能并能對轉(zhuǎn)化的各階段進行 檢測，最終獲得穩(wěn)定直流電輸出。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法包括發(fā)下步驟：
[0006] 步驟一：構(gòu)建壓電俘能結(jié)構(gòu)；基體材料的兩端分別采用簡支鉸接支承形式與底座 相連，基體材料的上表面粘貼壓電片，組成梁板式結(jié)構(gòu)體，兩根導(dǎo)線分別從基體和壓電片表 面引出；
[0007] 步驟二：壓電片與振動源直接接觸，并隨振動源一齊發(fā)生強迫振動，振動頻率與振 動源一致，而與壓電片固有頻率無關(guān)。通過壓電片受力和變形時產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，將振動機 械能轉(zhuǎn)換為電能，并通過引出導(dǎo)線輸出；
[0008] 步驟三：利用整流電路對原始交流信號進行整流，獲得直流電信號；
[0009] 步驟四：利用電容對整流信號進行濾波。其原理是當(dāng)整流電壓高于電容電壓時，電 容充電；當(dāng)整流電壓低于電容電壓時，電容放電，在充放電的過程中，使得輸出電壓保持基 本穩(wěn)定。電容充放電的計算公式為：
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于外界強迫振動的壓電俘能及檢測方法，其特征在于： 步驟一：構(gòu)建壓電俘能結(jié)構(gòu)；基體材料的兩端分別采用簡支鉸接支承形式與底座相 連，基體材料的上表面粘貼壓電片，組成梁板式結(jié)構(gòu)體，兩根導(dǎo)線分別從基體和壓電片表面 引出； 步驟二：壓電片與振動源直接接觸，并隨振動源一齊發(fā)生強迫振動，振動頻率與振動源 一致，而與壓電片固有頻率無關(guān)；通過壓電片受力和變形時產(chǎn)生的壓電效應(yīng)，將振動機械能 轉(zhuǎn)換為電能，并通過引出導(dǎo)線輸出； 步驟三：利用整流電路對原始交流信號進行整流，獲得直流電信號； 步驟四：利用電容對整流信號進行濾波； 步驟五：輸出電壓檢測 (1) 、將發(fā)光二極管/示波器連接俘能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的原始交流電信號輸出端，可測得二極 管的亮暗相間閃爍信號及交流電壓波形的波動信號； (2) 、將發(fā)光二極管/示波器連接整流后的直流電信號輸出端，可測得二極管的明暗相 間信號及直流電壓波形的波動信號； (3) 、將發(fā)光二極管/示波器連接經(jīng)整流和濾波后的穩(wěn)壓直流電信號輸出端，可測得二 極管的穩(wěn)定發(fā)光信號及直流穩(wěn)定電壓波形信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于外界強迫振動的壓電俘能及檢測方法，其特征在 于：所述的基體材料為銅片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于外界強迫振動的壓電俘能及檢測方法，其特征在 于：所述的整流電路采用二極管全橋整流電路，整流前后的電壓關(guān)系為：
【文檔編號】H02N2/18GK104218847SQ201410432589
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】高發(fā)榮, 許敏華, 沈娟紅, 陳璐璐, 簡海華, 任珊珊, 沈瑤 申請人:杭州電子科技大學(xué)