一种斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器及其工作方法

1.本发明属于新能源器件技术领域，特别涉及一种斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器及其工作方法。


背景技术：

2.随着无线传感网络迅速发展，数量庞大的传感器分布在所需监测的环境中，虽然可以利用传统的电池对传感器供电，但电池使用寿命短，无法长期工作，需要定期更换。振动能量收集技术作为电池技术的替代和补充，为无线传感器节点等电子设备供电，对物联网时代分布式微能耗自供电场景起到重要支撑。
3.目前振动能量收集的技术主要包括：压电式、电磁式、静电式三种。其中压电振动能量收集器取能效率高、体积小、结构简单，可以输出毫瓦级别的能量，适用于无线传感器等微小系统的可持续自供电。压电能量收集器件经典结构包括悬臂梁、简支梁、固支梁、圆盘式、钹式、压电叠堆，其谐振频率依次从低至高。压电振动能量收集器在谐振状态时，压电材料应变大，发电功率高。因此压电振动能量收集器的谐振频率需要设计的和环境激振频率接近。环境的激振频率往往是低频宽频，且振动幅值小，故所设计的压电振动能量收集器谐振频率一旦偏离环境激振频率则输出特性急剧恶化。
4.压电振动能量收集器设计一方面需要充分利用压电材料应变产生足够的压电能量来逼近理论发电功率极限，另一方面也要防止应力过载失效。线性振动pveh谐振频率窄，需要具备调谐功能以匹配实际环境激振频率。当环境激振不是定频和定幅值，还需要pveh具备拓频谐振效果时，合理的pveh非线性振动系统设计是实现调谐拓频的关键。
5.因此，研究者对压电振动能量收集器的设计提出了低频，宽频，高功率输出的要求。为了提高功率密度，一般采用增大附加质量，提高机电耦合系数等方法；为了增大谐振频带，一般采用磁力耦合调频和碰撞拓频。但与此同时，也必须考虑压电梁谐振时最大应力不应超过材料的许用应力。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明的目的在于提出一种斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器及其工作方法，本发明具有两个限幅点构成斜面限幅结构能够防止过载的同时进行碰撞拓频，利用磁力耦合进行谐振频率的调整。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一种斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器，包括压电谐振器、封装外壳和pcb底板，压电谐振器设置于封装外壳内，封装外壳设置于pcb底板上；
9.压电谐振器包括压电悬臂梁以及质量块；压电悬臂梁的一端固支于封装外壳上，压电悬臂梁的另一端为自由端，质量块的整体形状为一u型，压电悬臂梁的自由端与质量块底边内侧的中部连接；
10.封装外壳的内腔在质量块的上下两侧均设有限幅器，限幅器位于质量块靠近压电悬臂梁固支端的一侧，限幅器用于对质量块靠近压电悬臂梁固支端的一端进行限幅；封装外壳能够对质量块远离压电悬臂梁固支端的一端进行限幅；
11.质量块的底边外侧设有第一永磁体，封装外壳的内腔在与第一永磁体正对的位置设有第二永磁体，封装外壳与第二永磁体之间通过调节机构连接，所述调节机构用于调节第二永磁体与第一永磁体之间的距离。
12.优选的，所述质量块包括对称设置的第一l型质量块和第二l型质量块，第一l型质量块和第二l型质量块均包括垂直连接的第一边和第二边，第一l型质量块的第一边和第二l型质量块的第一边以及压电悬臂梁相互平行，第一l型质量块的第二边和第二l型质量块的第二边相连并使质量块整体上构成u型结构，压电悬臂梁的自由端插入第一l型质量块的第二边和第二l型质量块的第二边连接的界面之间，其中第一l型质量块的第二边和第二l型质量块的第二边与压电悬臂梁自由端的衬底层连接。
13.优选的，第一l型质量块沿着第一边内侧面及其延长面将第一l型质量块分隔为矩形的大质量块和矩形的小质量块，质量块整体的质心位于小质量块靠近压电悬臂梁固支端一侧表面与压电悬臂梁自由端衬底层中性层的交点，第一l型质量块的大质量块和第二l型质量块的大质量块整体的质心位于电悬臂梁衬底层中性层上且位于质量块整体的质心与压电悬臂梁固支端之间，质量块整体的质心与第一l型质量块的大质量块和第二l型质量块的大质量块整体的质心满足如下关系：
[0014][0015]
其中，l
sm
为小质量块沿平行于压电悬臂梁长度方向的长度，l
bm
为大质量块沿平行于压电悬臂梁长度方向的长度，l
ab
为质量块整体的质心与第一l型质量块的大质量块和第二l型质量块的大质量块整体的质心之间的距离，t
bm
为大质量块沿垂直于压电悬臂梁方向的厚度，t
sm
为小质量块沿垂直于压电悬臂梁方向的厚度。
[0016]
优选的，所述调节机构采用可调节螺栓，可调节螺栓与封装外壳之间螺纹连接，可调节螺栓的螺帽位于封装外壳外部，可调节螺栓螺杆端伸入封装外壳内部并与第二永磁体连接。
[0017]
优选的，第一永磁体设置于质量块的底边外侧的中部。
[0018]
优选的，压电悬臂梁包括依次设置的上压电层、衬底层和下压电层；上压电层和下压电层极化方向相反，表面均设有电极层，且均连接有引出电极，衬底层的表面与上压电层之间以及与下压电层之间通过能够导电的导电层连接。
[0019]
优选的，上压电层和下压电层均采用pzt压电层，衬底层采用铜衬底层，衬底层的表面与上压电层之间以及与下压电层之间通过能够导电的环氧树脂层连接。
[0020]
优选的，封装外壳包括上盖板、上框架和下框架，下框架的下端与pcb底板连接，下框架的上端与上框架的下端连接，上框架的上端与上盖板连接，压电谐振器设置于由上盖板、上框架、下框架和pcb底板围城的空腔内；压电悬臂梁的固支端固支于上框架和下框架之间，压电悬臂梁与上框架之间以及与下框架之间均垫有柔性的引出电极。
[0021]
优选的，上框架2上开设有用于嵌入引出电极的电极引线槽，上盖板、上框架、下框架和pcb底板通过环氧树脂封装；第一永磁体和质量块以及第二永磁体和可调节螺栓端面
均通过ergo5800胶水粘接。
[0022]
本发明如上所述的一种斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器的工作方法，包括如下过程：
[0023]
当加载环境振动时，pcb底板受到振动激励，压电悬臂梁产生受迫振动，质量块与限幅器碰撞后，将质量块与限幅器的碰撞能量转化为压电悬臂梁自由端的弯矩，当压电悬臂梁的受迫振动继续增强后，质量块还能够与封装外壳接触，此时封装外壳能够对质量块进行限幅；
[0024]
当需要使所述斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器谐振频率与环境振动频率相匹配时，调节所述调节机构，以调节第一永磁体和第二永磁体之间的间距，直至所述斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器谐振频率与环境振动频率相匹配。
[0025]
本发明具有以下有益效果：
[0026]
本发明斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器中，通过设置第一永磁体、第二永磁体与调节机构，通过调节第二永磁体与第一永磁体之间的间距，可调节压电悬臂梁轴向力进而改变刚度，调节谐振器谐振频率，当pveh的谐振频率与设计值相比，需要降频时第二永磁体与第一永磁体同极相对，需要升频时第二永磁体与第一永磁体异极相对。通过封装外壳以及设置的限幅器，使得压电悬臂梁在其振动方向的两侧均具有两个限幅点，其中第一个限幅点为限幅器，第二个限幅点为封装外壳，在压电悬臂梁自由端的质量块与第一个限幅点碰撞后，可将碰撞能量转化为压电悬臂梁自由端的弯矩，使压电悬臂梁自由端应力分布更加均匀，提高了结构机电耦合系数，当压电悬臂梁弯矩足够大后质量块才接触第二个限幅点。相比于传统的单点限幅，两个限幅点构成斜面限幅结构，可防止传统框架平面限幅在大激励下使压电梁成s形过载。磁力耦合和碰撞综合拓频更容易控制势能曲线实现低势垒的双稳态拓频，在调谐的基础上的拓频可获得更宽的谐振频带。质量块的整体形状为一u型，压电悬臂梁的自由端与质量块底边内侧的中部连接，这种结构的质量块保证了上述两点限幅的实现。
[0027]
进一步的，质量块包括对称设置的第一l型质量块和第二l型质量块，该结构的质量块使得u型质量块成为分体式的，便于与压电悬臂梁进行装配。
[0028]
进一步的，质量块的质心位于质量块底边内侧的中部，这样能够避免压电悬臂梁在质心不位于该点时引起压电层在质心左右两侧部分区域产生的电荷极性相反降低输出能量。
附图说明
[0029]
图1为本发明斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器的整体结构示意图；
[0030]
图2为图1内部可动压电谐振器结构示意图；
[0031]
图3为图2中压电双晶片示意图；
[0032]
图4为本发明斜面限幅结构示意图；
[0033]
图5为本发明磁力耦合调频结构示意图；
[0034]
图6为本实施例在设置斜面限幅时其输出电压相比单点限幅时的比较示意图；
[0035]
图7为本发明实施例中质量块与压电双晶片的连接示意图。
[0036]
附图中：1、上盖板，2、上框架，3、下框架，4、pcb底板，5、引出电极，6、压电双晶片，7、质量块，8、pzt压电层，9、衬底层，10、电极层，11、环氧树脂层，12、限幅器，13、永磁体，14、可调节螺栓。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0038]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系而进行描述，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、或特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0039]
参照图1～图5，本发明斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器包括压电谐振器、封装外壳和pcb底板4，压电谐振器设置于封装外壳内，封装外壳设置在pcb底板4上，封装外壳可为全封闭壳体结构或者无下底的壳体结构，图1、图4和图5所示的是封装外壳无下底的情形，所示封装外壳包括上盖板1、上框架2、下框架3和pcb底板4，下框架3的下端与pcb底板4连接，下框架3的上端与上框架2的下端连接，上框架2的上端与上盖板1连接，上盖板1、上框架2、下框架3和pcb底板4通过环氧树脂封装，压电谐振器设置于上盖板1、上框架2、下框架3和pcb底板4围城的空腔内；压电谐振器包括压电悬臂梁以及质量块7；以图1所示的方位为例，压电悬臂梁的左端固支于上框架2和下框架3之间，压电悬臂梁的固支端连接有柔性的引出电极5，引出电极5的一端从上框架2和下框架3之间引出，压电悬臂梁与上框架2之间以及与下框架3之间均垫有柔性的引出电极5；上框架2上开设有用于嵌入引出电极的电极引线槽。质量块7设置于压电悬臂梁的自由端(图1所示压电悬臂梁的右端)。所述的质量块7包括两个相同的且上下对称设置的l型质量块，l型质量块右侧竖向的边的水平面与压电悬臂梁自由端的衬底层直接键合(即压电悬臂梁位于质量块7内的部分仅有衬底层，不设置压电层以及电极层，压电层以及电极层末端位于质量块7底边内侧即可)，l型质量块水平的边与压电悬臂梁平行且朝向压电悬臂梁的固支端，两个l型质量块共同构成了u型的质量块7；本发明利用l型质量块提高压电输出功率和可靠性，利用矩形限幅器防止过载的同时进行碰撞拓频，利用磁力耦合进行谐振频率的调整。l型质量块与压电悬臂梁键合长度短，不削弱压电悬臂梁的有效长度，压电层厚，功率密度高。
[0040]
参见图3以及图2，压电悬臂梁包括依次设置的上压电层、衬底层9和下压电层，衬底层9的表面与上压电层之间以及与下压电层之间连接；上压电层与下压电层极化方向相反；上压电层和下压电层的表面设电极层10，且均连接有引出电极5。衬底层9采用铜衬底层，衬底层9的表面与上压电层之间以及与下压电层之间通过能够导电的环氧树脂层11连接；电极层为银电极层5。参见图1和图5，封装外壳的右侧框架处设有螺纹孔，可调节螺栓14配合旋入此螺纹孔中，可调节螺栓14的头部位于封装外壳外部，可调节螺栓14的螺杆部位伸入封装外壳的内部，永磁体为圆形钕铁硼永磁体，第一圆形钕铁硼永磁体粘接在质量块7整体的右端面的中部，第二圆形钕铁硼永磁体粘接在可调节螺栓14的螺杆部位的端面。第一永磁体和质量块7端面、第二永磁体和可调节螺栓14端面均通过ergo5800胶水粘接。限幅器12包括两个矩形限幅器，第一限幅器左侧边的端面与上框架2左侧内表面粘接，第一限幅
器上侧边的端面与上盖板1左侧内表面粘接，第二限幅器左侧边的端面与下框架3左侧内表面粘接，第二限幅器底部的端面与pcb底板4内侧表面粘接。
[0041]
参照图1，本发明斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器中，上盖板1、上框架2和下框架3均采用有机玻璃(pmma)激光加工，上框架2需要刻出电极引线槽方便布置引出电极5，最终封装结构采用环氧树脂粘合。压电层8由pzt粉末烧结工艺制成，压电层8上下表面分别涂敷银电极层，然后通过环氧树脂层11与中间铜衬底层9低温键合，该环氧树脂层11能够导电。上下两层压电层8的极化方向相反，铜衬底层9和上下两层压电层8形成串联结构，串联能够增大压电电压。
[0042]
本发明斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器的工作过程包括：当加载环境振动时，pcb底板4受到振动激励，整个器件的封装外壳与环境振动情况相同，受到上框架2和下框架3夹持的压电双晶悬臂梁(即采用压电悬臂梁采用压电双晶片)产生受迫振动。这种发电方式基于压电材料的d31发电模式，即在振动中使压电悬臂梁上下压电层产生轴向拉压应力，从而在表面的电极层上产生交变电压输出。第一限幅器和上盖板1构成两个限幅点，第二限幅器和pcb底板4构成两个限幅点，在压电悬臂梁自由端的附加质量块7与第一个限幅点碰撞后，可将碰撞能量转化为悬臂梁自由端的弯矩，使自由端应力分布更加均匀，提高了结构机电耦合系数，当弯矩足够大后才接触第二个限幅点。相比于传统的单点限幅，两个限幅点构成斜面限幅结构，可防止传统框架平面限幅在大激励下使压电梁成s形过载。通过旋转可调螺栓14改变第一和第二永磁体之间间距调节谐振器谐振频率以匹配环境振动频率，以获得良好输出特性。
[0043]
本发明斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器中，右侧框架处设有螺纹孔，可调节螺栓14旋转插入此螺纹孔，永磁体13为圆形钕铁硼永磁体，第一圆形钕铁硼永磁体粘接在质量块7端面，第二圆形钕铁硼永磁体粘接在可调节螺栓14端面。通过旋转调节螺栓控制永磁体13间距，可调节压电悬臂梁轴向力进而改变压电悬臂梁的刚度，进而调节谐振器谐振频率。限幅器12包括两个矩形限幅器，第一限幅器和上盖板1构成两个限幅点，第二限幅器和pcb底板4构成两个限幅点，在压电悬臂梁自由端的附加质量块与第一个限幅点碰撞后，可将碰撞能量转化为悬臂梁自由端的弯矩，使自由端应力分布更加均匀，提高了结构机电耦合系数，当弯矩足够大后才接触第二个限幅点。相比于传统的单点限幅，两个限幅点构成斜面限幅结构，可防止传统框架平面限幅在大激励下使压电梁成s形过载。磁力耦合和碰撞综合拓频更容易控制势能曲线实现低势垒的双稳态拓频，在调谐的基础上的拓频可获得更宽的谐振频带。
[0044]
参照图7，质量块7包括两个l型质量块，每个l型质量块以图7所示的虚线(第一l型质量块沿着第一边内侧面的延长面)进行分割，l型质量块被上下分割为大、小两个矩形质量块，其中将虚线以上部分记为大质量块c，虚线以下部分记为小质量块d，通过优化大、小两个矩形质量块的尺寸，使整个压电谐振器的质心位于b点，b点同时为小质量块位置点(即小质量块d左侧面在衬底层9中性层上的投影线)，避免压电谐振器质心不在点b时引起压电谐振器在质心左右两侧部分区域产生的电荷极性相反降低输出能量。
[0045]
参照图7，质量块7包括两个l型质量块，两个l型质量块各包含一大矩形质量块，将两个大矩形质量块视作一整体，a即为该整体的质心，当整个压电谐振器质心位于b点时，ab之间距离l
ab
小质量块长度l
sm
、高度t
sm
和大质量块长度l
bm
、高度l
sm
之间的满足函数关系式：
[0046][0047]
依据上述函数关系式，通过优化键合长度，能够保证压电悬臂梁有效长度，降低谐振频率，通过优化大矩形质量块长度更容易实现与限幅点的碰撞，避免采用传统大长度矩形质量块以实现与限幅点碰撞的同时引起压电层应力过大的情况，同时能够减小压电谐振器整体的体积。
[0048]
进一步的，上压电层和下压电层为pzt压电层，衬底层9采用铜衬底层；采用铜基pzt块材压电双晶片，采用粉末烧结的pzt块材致密性好，工艺成熟，而且材料机电耦合系数高。铜衬底则保证了压电悬臂梁的韧性。压电双晶片的厚度可保证负载大的附加质量块。
[0049]
参照图2和图3，本实施例中各零部件尺寸如表1所示：
[0050]
表1
[0051]
symbolparametersvaluelc压电悬臂梁长度14mmwc压电悬臂梁宽度10mmt
p
压电层厚度0.2mmts衬底厚度0.1mmt
bm
大质量块厚度2mmt
sm
小质量块厚度0.5mml
bm
大质量块长度12mml
sm
小质量块长度5mml
e1
电极长度12mml
e2
电极长度24mmtb键合层厚度0.1mm
[0052]
参照图6，在1g加速度激励，本实施例在设置斜面限幅时其输出电压相比单点限幅时可提高约40％。
[0053]
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。