帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，包括：彈性梁、壓電元件、滑道、限位擋塊和可動(dòng)質(zhì)量環(huán)，所述彈性梁懸空，其兩端面固定，所述壓電元件緊貼在彈性梁表面并緊鄰彈性梁的固定端，所述滑道位于彈性梁的中間位置，所述限位擋塊位于滑道兩端并固定在彈性梁上，所述可動(dòng)質(zhì)量環(huán)穿過滑道和彈性梁并自由懸掛在滑道上。本發(fā)明裝置，利用可動(dòng)質(zhì)量環(huán)在外界振動(dòng)作用下產(chǎn)生的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)行為來增加振動(dòng)能量采集的頻帶寬度，實(shí)現(xiàn)壓電式振動(dòng)能量采集裝置的寬頻帶工作。
【專利說明】帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于能源與電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種能量采集裝置，具體涉及一種帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、微電子機(jī)械系統(tǒng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，如何長(zhǎng)期高效地為其中的各種傳感器和執(zhí)行器供電正成為其發(fā)展的一大障礙。這類器件雖然消耗能量較少，但是使用時(shí)往往是大量散布在偏遠(yuǎn)、惡劣環(huán)境中或者植入物體內(nèi)部，對(duì)供能元件的體積、成本、壽命等都提出較高的綜合要求。目前主要的供電方式是電池和有線電源。傳統(tǒng)的電池供電方式難以克服壽命短、存儲(chǔ)能量有限、需定期更換等問題，而電源線供電方式則很難應(yīng)對(duì)器件大量隨機(jī)散布或植入被測(cè)物體內(nèi)部的特殊要求。例如在心臟起搏器、汽車胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等新興技術(shù)中，更換電池或利用電源線都變得非常困難。必須尋找一種新的電源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供電方式，從而克服上述問題。因此，可自我維持電源的研究成為能源研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。
[0003]機(jī)械振動(dòng)能是自然界中普遍存在的一種能量，在工業(yè)、建筑物、生物體等各種環(huán)境中時(shí)刻存在。所以，能夠采集環(huán)境振動(dòng)能并轉(zhuǎn)換為電能的振動(dòng)能量采集裝置正逐步受到國(guó)內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。振動(dòng)能量采集裝置的工作方式主要有三種:靜電式、壓電式和電磁式。其中壓電式振動(dòng)能量采集裝置基于壓電材料的壓電效應(yīng)，工作時(shí)不需要額外電源；同時(shí)，能量輸出密度大。也可以利用微細(xì)加工技術(shù)與各種傳感器、執(zhí)行器等集成。因此，壓電式振動(dòng)能量采集裝置正成為能量采集技術(shù)中的一大研究熱點(diǎn)。但是，目前報(bào)道的壓電式振動(dòng)能量采集裝置通常都是工作在諧振狀態(tài)，即主要是利用拾振系統(tǒng)與外界環(huán)境振動(dòng)之間的共振來提高輸出性能。因此，諧振式振動(dòng)能量采集裝置的工作頻帶寬度都很小，一般在3-5Hz。一旦能量采集裝置的固有頻率稍微偏離環(huán)境振動(dòng)的頻率，其輸出性能就會(huì)迅速降低。而現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的振動(dòng)頻率一般不固定，多在一小范圍內(nèi)變化，有時(shí)甚至是隨機(jī)的。因此，諧振式壓電振動(dòng)能量采集裝置不能滿足現(xiàn)實(shí)要求。
[0004]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Tang等在《Journal of Intelligent MaterialSystems and Structures))(《智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)》，2012年23卷13期1433-1449頁(yè))撰文“Improving funct1nality of vibrat1n energy harvesters using magnets，，(利用永磁體提高振動(dòng)能量采集裝置的多功能性)，提出了一種通過手動(dòng)調(diào)整振動(dòng)結(jié)構(gòu)共振頻率來實(shí)現(xiàn)壓電振動(dòng)能量采集裝置寬頻帶工作的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)中，壓電懸臂梁端部和其前方各放置一磁性質(zhì)量塊，兩永磁體左右分布且磁極相對(duì)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩磁體相互吸引放置且間距從4mm增加到14.5mm時(shí),共振頻率從大約58Hz降低到28Hz左右；當(dāng)兩磁體相互排斥放置且間距從9.5mm增加到15.5mm時(shí)，共振頻率從12Hz增加到23Hz。因此，該設(shè)計(jì)通過改變壓電懸臂梁的共振頻率實(shí)現(xiàn)了壓電振動(dòng)能量采集裝置的寬頻帶工作。但是，由于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中機(jī)械振動(dòng)的頻率是不斷變化的，那么，就需要反復(fù)手動(dòng)調(diào)整上述設(shè)計(jì)中的外永磁體磁極以及兩磁體間距來改變共振頻率從而適應(yīng)外界環(huán)境振動(dòng)。這就需要消耗大量的人力物力即增加成本，顯然，在現(xiàn)實(shí)中是不可取的，而且，如果把該振動(dòng)能量采集裝置放置在無人觸及的地方為傳感器供電，也不能實(shí)現(xiàn)寬頻帶工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，無需外界提供任何形式的能量，完全利用可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整振動(dòng)結(jié)構(gòu)的諧振頻率，從而真正實(shí)現(xiàn)壓電振動(dòng)能量采集裝置的寬頻帶工作。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，包括:彈性梁、壓電元件、滑道、限位擋塊和可動(dòng)質(zhì)量環(huán)，所述彈性梁懸空，其兩端面固定，所述壓電元件緊貼在彈性梁表面并緊鄰彈性梁的固定端，所述滑道位于彈性梁的中間位置，所述限位擋塊位于滑道兩端并固定在彈性梁上，所述可動(dòng)質(zhì)量環(huán)穿過滑道和彈性梁并自由懸掛在滑道上。
[0008]所述彈性梁為扁平的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其兩端被支撐底座和蓋板面固定并被懸空，可以用金屬、塑料等材料制備。
[0009]所述支撐底座為長(zhǎng)方體形狀，可以用金屬、塑料等材料制備。
[0010]所述蓋板為長(zhǎng)方體形狀，可以用金屬、塑料等材料制備。
[0011]所述壓電元件為上下面帶有電極的壓電單元，可以為壓電陶瓷片、PVDF壓電薄膜等成品壓電傳感器；也可以為用各種微加工技術(shù)直接在彈性梁上制備得到的壓電薄膜(比如氧化鋅壓電薄膜，氮化鋁壓電薄膜等)。如果上述的彈性梁為導(dǎo)電材料制備，則所述的壓電元件與彈性梁之間設(shè)有絕緣介質(zhì)。
[0012]所述壓電元件的數(shù)目大于1，則它們之間為并聯(lián)連接。
[0013]所述滑道為半圓柱體形狀，其直徑大于或等于彈性梁的寬度，圓柱表面光滑，其半圓柱面朝上，其平面一面通過環(huán)氧樹脂膠粘貼或其他方式固定在彈性梁上。
[0014]所述滑道表面非常光滑，可以用金屬、塑料等材料制作。
[0015]所述限位擋塊為長(zhǎng)方體形狀，其長(zhǎng)度比半圓柱體半徑要大，通過環(huán)氧樹脂膠粘貼或其他方式固定在彈性梁上。
[0016]所述限位擋塊可以用金屬、塑料等材料制作。
[0017]所述可動(dòng)質(zhì)量環(huán)為圓環(huán)形狀，其內(nèi)徑大于滑道的半徑同時(shí)小于限位擋塊的高度，穿過滑道懸掛在彈性梁上。
[0018]所述可動(dòng)質(zhì)量環(huán)內(nèi)表面非常光滑，可在滑道上幾乎無摩擦地滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0019]所述可動(dòng)質(zhì)量環(huán)可以用金屬、塑料等材料制作。
[0020]本發(fā)明主要用于采集自然界環(huán)境中廣泛存在的各種機(jī)械振動(dòng)能并轉(zhuǎn)換為電能。由彈性梁和兩個(gè)支撐底座及蓋板構(gòu)成的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)作為拾振系統(tǒng)，用來感知外界振動(dòng)。壓電元件把外界作用產(chǎn)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)變成電荷或電壓。通過改變滑道、限位擋塊和可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的總質(zhì)量，可以調(diào)整振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，從而改變壓電振動(dòng)能量采集裝置的工作頻帶范圍。
[0021]當(dāng)本發(fā)明受到外界振動(dòng)作用時(shí)，雙端固支的彈性梁會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，導(dǎo)致位于彈性梁根部的壓電元件產(chǎn)生變形。根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電元件的兩個(gè)電極之間就會(huì)產(chǎn)生電壓。當(dāng)外界振動(dòng)頻率處在某一頻率范圍以及振動(dòng)加速度超過某一個(gè)閾值后，可動(dòng)質(zhì)量環(huán)會(huì)在振動(dòng)作用下在滑道上產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)，滑道兩端的限位擋塊防止可動(dòng)質(zhì)量環(huán)脫離滑道運(yùn)動(dòng)。與質(zhì)量環(huán)固定的諧振式振動(dòng)能量采集裝置相比，本發(fā)明中可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)行為導(dǎo)致在相同的振動(dòng)作用下彈性梁的振幅變小，并且對(duì)頻率的靈敏度也明顯降低。因此，彈性梁根部的振幅在某一個(gè)頻率范圍內(nèi)變化很小。從而使得壓電元件產(chǎn)生的電壓在某一個(gè)頻率范圍內(nèi)也基本不變。所以，利用可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)壓電振動(dòng)能量采集裝置在某一個(gè)頻率范圍內(nèi)輸出電壓基本不變即寬頻帶工作的目的。
[0022]本發(fā)明的有益效果如下:
[0023]利用可動(dòng)質(zhì)量環(huán)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)諧振式壓電振動(dòng)能量采集裝置中的固定質(zhì)量塊，能夠?qū)崿F(xiàn)壓電振動(dòng)能量采集裝置在一個(gè)較大的頻率范圍內(nèi)都有穩(wěn)定的電壓輸出。頻率范圍至少在1Hz以上。而且，隨著外界振動(dòng)加速度的增加，頻帶可以增加到20Hz以上。從而克服了傳統(tǒng)諧振式振動(dòng)能量采集裝置的工作頻帶很小的缺點(diǎn)(一般在3-5Hz左右)，真正實(shí)現(xiàn)了壓電振動(dòng)能量采集裝置寬頻帶工作的目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明所提供的振動(dòng)能量采集裝置實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是圖1的側(cè)視圖；
[0026]圖3是本發(fā)明所提供的振動(dòng)能量采集裝置實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4是圖3的側(cè)視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程。
[0029]如圖1和圖2所示，本發(fā)明所提供的振動(dòng)能量采集裝置實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖，包括:彈性梁1、支撐底座2、蓋板3、壓電元件4、滑道5、限位擋塊6和可動(dòng)質(zhì)量環(huán)7。其中:彈性梁I的兩端利用蓋板3固定在支撐底座2上，壓電元件4粘貼在彈性梁I的根部，滑道5位于彈性梁I的中間位置，限位擋塊6位于滑道兩端并固定在彈性梁I上，可動(dòng)質(zhì)量環(huán)7穿過滑道5和彈性梁1，懸掛在滑道5上。
[0030]彈性梁I為長(zhǎng)方體形狀，中間可動(dòng)部分的長(zhǎng)度、寬度和厚度分別為:16.8cm, 1.2cm和0.5_，采用不銹鋼材料加工而成。
[0031]支撐底座2為長(zhǎng)方體形狀，其長(zhǎng)度、寬度和高度分別為:2cm，1.2cm和3cm，采用有機(jī)玻璃加工而成。
[0032]蓋板3為長(zhǎng)方體形狀，其長(zhǎng)寬高分別為:2cm，1.2cm和0.5cm，采用有機(jī)玻璃加工而成。
[0033]支撐底座2和蓋板3之間通過螺絲等部件固定連接，對(duì)彈性梁I的兩端進(jìn)行機(jī)械擠壓并固定。
[0034]壓電元件4為美國(guó)Measurement Specialties公司生產(chǎn)的PVDF壓電薄膜傳感器(LDT1-028K)，利用環(huán)氧樹脂膠粘貼在彈性梁I的根部表面。
[0035]滑道5為半圓柱體形狀,直徑為1.2cm,高度為3cm。采用聚氨酯材料加工而成,利用環(huán)氧樹脂膠粘貼在彈性梁I的中間位置；圓柱表面涂覆一層潤(rùn)滑油以增加光滑度，有利于可動(dòng)質(zhì)量環(huán)7的自由運(yùn)動(dòng)。
[0036]限位擋塊6為長(zhǎng)方體形狀，其長(zhǎng)寬高分別為:1.3cm，1.2cm和0.2cm，采用有機(jī)玻璃加工而成。
[0037]限位擋塊6位于滑道5的兩端并利用環(huán)氧樹脂粘貼在彈性梁I上。
[0038]可動(dòng)質(zhì)量環(huán)7為圓環(huán)形狀,其內(nèi)外半徑分別為8mm和1mm,高度為9mm,采用金屬材料加工而成，內(nèi)表面光滑，以方便在滑道5上的自由滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0039]將壓電元件4的兩電極分別接入外電路中，當(dāng)外界振動(dòng)作用在該發(fā)明上時(shí)，彈性梁I產(chǎn)生上下振動(dòng)，由于兩端固定，因此，根部必然產(chǎn)生形變。粘貼于彈性梁I根部的壓電元件4就會(huì)產(chǎn)生形變，從而在上下電極之間產(chǎn)生電壓。在外界振動(dòng)的作用下，可動(dòng)質(zhì)量環(huán)7在位于兩個(gè)限位擋塊6之間的滑道5上產(chǎn)生滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，完全有別于傳統(tǒng)的諧振式振動(dòng)能量采集裝置中質(zhì)量塊固定在彈性梁上的情況?？蓜?dòng)質(zhì)量環(huán)7的滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)行為導(dǎo)致彈性梁I的振幅在較大頻率范圍內(nèi)基本不變。因此，在一個(gè)很大的頻率范圍內(nèi)，本發(fā)明都可以實(shí)現(xiàn)大小相同的電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)壓電振動(dòng)能量采集裝置的寬頻帶工作。實(shí)驗(yàn)表明，具有上述參數(shù)的壓電式振動(dòng)能量采集裝置，如果把可動(dòng)質(zhì)量環(huán)固定在滑道中間，在加速度為6m/S2的振動(dòng)激勵(lì)下，工作帶寬僅僅為3.0Hz0但是，如果讓可動(dòng)質(zhì)量環(huán)自由懸掛在滑道上，在加速度為6m/s2的振動(dòng)激勵(lì)下，工作帶寬約為16.6Hz。帶寬增加了 4倍以上。
[0040]如圖3和圖4所示，本發(fā)明所提供的振動(dòng)能量采集裝置實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖，在彈性梁I根部的上下面上各粘貼一個(gè)壓電元件4。因此，實(shí)施例2中含有4個(gè)壓電元件4。實(shí)施例2與實(shí)施例1的工作原理完全相同，除了壓電元件的個(gè)數(shù)不同，所有部件的形狀、尺寸都與實(shí)施例1 一致。實(shí)施例2由于擁有四個(gè)壓電元件4，在工作中把四個(gè)壓電元件并聯(lián)后再接入外電路，就可以增加輸出電壓和輸出功率。因此，本實(shí)施例在具有寬頻帶工作特點(diǎn)的同時(shí)，也具有較高的電壓和功率輸出。
[0041]以上實(shí)施例詳細(xì)顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，包括:彈性梁、壓電元件、滑道、限位擋塊和可動(dòng)質(zhì)量環(huán)，其特征在于，所述彈性梁懸空，其兩端面固定，所述壓電元件緊貼在彈性梁表面并緊鄰彈性梁的固定端，所述滑道位于彈性梁的中間位置，所述限位擋塊位于滑道兩端并固定在彈性梁上，所述可動(dòng)質(zhì)量環(huán)穿過滑道和彈性梁并自由懸掛在滑道上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，所述彈性梁為扁平的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，其兩端被支撐底座和蓋板面固定并被懸空。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，所述支撐底座和蓋板為長(zhǎng)方體形狀，分別位于彈性梁兩端的上下表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，所述支撐底座和蓋板采用螺栓把彈性梁的兩端固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，所述壓電元件為I個(gè)、2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)，緊貼彈性梁的上或下表面，在所述壓電元件為2個(gè)以上時(shí)，采用并聯(lián)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，所述壓電元件至少包括中間壓電層和上下電極層。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，所述滑道為表面光滑的半圓柱體形狀，其直徑等于或者大于彈性梁的寬度，其平面一面固定在彈性梁上表面的中間位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，所述限位擋塊為長(zhǎng)方體形狀，其長(zhǎng)度大于半圓柱體滑道的半徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶有可動(dòng)質(zhì)量環(huán)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，所述可動(dòng)質(zhì)量環(huán)為內(nèi)表面光滑的圓環(huán)形狀，其內(nèi)徑大于滑道的半徑同時(shí)小于限位擋塊的高度。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK104300830SQ201410613453
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】王佩紅, 劉慧婷, 魯毓嵐, 袁梅, 張一強(qiáng), 孫兆奇 申請(qǐng)人:安徽大學(xué)