低频屈曲式双稳态压电俘能装置

1.本发明属于能量俘获技术领域，涉及一种低频屈曲式双稳态压电俘能装置。


背景技术：

2.近年来，能量俘获成为了学术界和工业界共同关注的前沿热点技术之一。其中振动能量俘获是目前研究广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术，它为未来无线传感器网络技术和物联网技术持久可靠供电难题提供了解决方案。传统的传感系统的电池寿命有限、更换困难、成本较高，而且被使用过的电池也存在环境污染等问题；而传统的水力和风力发电等技术主要适用于大功率场合，造价昂贵且体积庞大，并不适用于低功耗电子设备供电。
3.振动能量俘获的基本原理就是收集利用物体因外部运动产生的位移或变形所蕴含的能量，将其转化为电能。根据俘获机理主要分为三类：压电式、静电式和电磁感应式。压电式能量俘获是利用压电材料的正压电效应，将压电材料的变形能转化为电能；静电式振动能量俘获的基本原理是通过环境振动引起电容改变来产生电能；电磁式振动能量俘获的基本原理是利用法拉第电磁感应定理，即磁通量变化时产生电场。
4.为了提高振动能量俘获的效率，研究员进行了广泛的创新和实验。传统的线性振动能量俘获只能在共振峰区域进行俘能，频带窄。大部分自然环境的振动都是随机的，如何能在更宽的工作频带进行能量俘获成为研究热点之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种低频屈曲式双稳态压电俘能装置，通过引入非线性结构能拓宽频带，可以实现更宽的工作频带，能量俘获效率更高且稳定。
6.本发明所采用的技术方案是低频屈曲式双稳态压电俘能装置，包括底座，底座上固定有背板，背板的两端固定有夹具；夹具上夹持有基底梁，基底梁呈屈曲式，基底梁上固定有质量块和压电片，压电片位于基底梁的端部；压电片通过导线连通储能电池。
7.本发明的特点还在于：
8.底座为截面呈圆弧面的结构，底座的顶端呈平面。
9.夹具和背板上开设有螺纹通孔，夹具通过螺栓与螺母的配合固定于背板上。
10.夹具为l型角铁，背板的每端固定有两个夹具，通过两个夹具的作用固定基底梁。
11.基底梁为窄板结构。
12.基底梁为黄铜材质。
13.质量块固定于基底梁的中间位置。
14.压电片固定于基底梁靠近底座的端部。
15.压电片为pzt-5h压电陶瓷片。
16.压电片的宽度与基底梁的宽度相同。
17.本发明的俘能装置通过引入非线性结构能拓宽频带，实现更宽的工作频带。多稳
态的结构的引入，采集器产生单稳态、双稳态和三稳态等非线性振动特性,也可以达到提高能量采集器输出性能的目的。基底梁与质量块通过夹具夹持形成屈曲双稳态结构，通过质量块振动带动屈曲基底梁弯曲，基底梁根部的压电片发生形变，实现正压电效应，压电片储存的变形能转化为电能，实现发电。相比于其他能量俘获装置，本发明的能量俘获效率更高。
附图说明
18.图1是本发明低频屈曲式双稳态压电俘能装置的结构示意图；
19.图2是本发明低频屈曲式双稳态压电俘能装置的正视示意图。
20.图中，1.螺栓，2.螺母，3.夹具，4.螺纹通孔，5.基底梁，6.质量块，7.压电片，8.背板，9.底座，10.导线，11.储能电池。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
22.本发明的低频屈曲式双稳态压电俘能装置，如图1和图2所示，夹具3通过螺栓1与螺母2的配合固定在背板8上；基底梁5装配在夹具3平面一侧上，呈屈曲状；基底梁5中间固定有适当的质量块6，从而使屈曲梁更易振动；靠近背板8一端的基底梁5根部粘贴有压电片7，形成屈曲式的压电梁。
23.整体框架包括两部分，一部为圆弧形的底座9，其与旋转激励源相连；另一部分为背板8，其上有间距不同的螺孔，用以固定普通夹具3。
24.压电梁由基底梁5与压电片7组成。基底梁5的两端打孔，分别用两个相同的夹具3通过螺栓1穿孔进行固定，靠近夹具3一侧的基底梁5根部用压电片7粘贴。旋转激励源激励时，两端固定的屈曲梁发生振动产生弯曲变形，通过正压电效应将变形能转化为电能。通过将夹具3装配在背板8不同位置的螺孔，从而实现不同程度的屈曲。
25.为了便于压电片7的安装与提高使用寿命，压电片7宽度与基底梁5的宽度相同。
26.底座9与旋转激励源接触的一面即基底部分设置为圆弧面，该圆弧面与旋转激励源外侧圆弧面半径相同，这样可以轻松的将该俘能装置安装配合在旋转激励源上。底座9的形状并不唯一，可根据旋转激励源实际尺寸和形状进行适应性调整。
27.夹具3通过螺栓1与基底梁5的两端固定连接，夹具3的端面与背板8进行连接。质量块6固定在基底梁5的中部，实现质量块6与基底梁5的整体结构。
28.基底梁5采用黄铜材质，压电片7采用pzt-5h压电陶瓷片，这是因为黄铜具有更高的弹性，提升能量的俘获效果，pzt-5h压电陶瓷是极佳的绝缘体，可以减少能量的损失。
29.本发明的原理如下：在旋转激励源工作时，相当于给该双稳态压电俘能装置提供一种旋转环境，亦即提供一种周期性外界激励，在这种激励作用下，基底梁5中间的质量块6会发生振动，从而带动屈曲式基底梁5发生振动，基底梁5根部的压电片7会发生形变，从而利用正压电效应将压电梁的变形能转化为电能，并最终通过导线10连接的储能电池11将能量储存起来。同时，可以通过调节夹具3在背板8上的位置，形成不同程度的屈曲，用于适应不同的工作环境。
30.工作时，将本装置安装在车轮的轮毂或者其它旋转激励源上。装置中各个零部件
具体的安装和连接方式(按从激励源向外的方向进行描述)为：底座9与旋转激励源表面固定连接，用强力胶将底座9与背板8粘连，夹具3有四个，均通过螺栓1穿过螺纹通孔4与螺母2配合固定，基底梁5根部用强力胶固定压电片7，基底梁5中部用强力胶固定质量块6，基底梁5通过螺栓1与螺母2配合固定到夹具3上，形成屈曲。
31.如图1所示，将装置通过底座9安装在旋转激励源上；当旋转激励源工作时，将会产生周期性的外部激励，该激励作用到该低频屈曲式双稳态压电俘能装置上，会带动质量块6振动，进而带动基底梁5振动。如图2所示，当基底梁5发生屈曲振动时，附着在基底梁5上的压电片7产生正压电效应，将振动能量转化成电能，并最终储存起来。
32.本发明提出一种低频屈曲式双稳态压电俘能装置，当外界激励使屈曲式压电俘能装置发生振动时，非线性力使质量块6的振动呈现双稳态特征，能够有效地提高能量俘获效率以及拓宽能量俘获器的工作频带。通过非线性力可以形成双稳态结构，其能量俘获效率高，工作频带宽，可以代替传统化学电池对低功耗的微电子设备供电。本发明利用压电梁结构和屈曲结构设计方法，不仅具备绿色环保、结构简单的特点，还可根据实际工况和需要在旋转激励源上安装一个或多个这样的结构；这种将非线性振动引入俘能的结构，极大地提高了结构的全系统能量转换效率。
33.相比于目前提出的基于旋转环境的能量俘获结构，本发明提出的装置为双稳态结构，不仅利用了非线性特性，而且在实际应用中更加安全，在低频振动环境能量俘获效率高且稳定，为微型无线电子设备自主供电难题提供了新的思路和解决方案。