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

技术特征：
1.一种斜面限幅可调频压电悬臂梁微型振动能量收集器，其特征在于，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，封装外壳设置于pcb底板(4)上；压电谐振器包括压电悬臂梁以及质量块(7)；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(7)的整体形状为一u型，压电悬臂梁的自由端与质量块(7)底边内侧的中部连接；封装外壳的内腔在质量块(7)的上下两侧均设有限幅器(12)，限幅器(12)位于质量块(7)靠近压电悬臂梁固支端的一侧，限幅器(12)用于对质量块(7)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(7)远离压电悬臂梁固支端的一端进行限幅；质量块(7)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。2.根据权利要求1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，其特征在于，所述质量块(7)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(7)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。3.根据权利要求2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，其特征在于，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(c)和矩形的小质量块(d)，质量块(7)整体的质心位于小质量块(d)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(7)整体的质心与压电悬臂梁固支端之间，质量块(7)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：其中，l
sm
为小质量块(d)沿平行于压电悬臂梁长度方向的长度，l
bm
为大质量块(c)沿平行于压电悬臂梁长度方向的长度，l
ab
为质量块(7)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(c)沿垂直于压电悬臂梁方向的厚度，t
sm
为小质量块(d)沿垂直于压电悬臂梁方向的厚度。4.根据权利要求1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，其特征在于，所述调节机构采用可调节螺栓(14)，可调节螺栓(14)与封装外壳之间螺纹连接，可调节螺栓(14)的螺帽位于封装外壳外部，可调节螺栓(14)螺杆端伸入封装外壳内部并与第二永磁体连接。5.根据权利要求1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，其特征在于，第一永磁体设置于质量块(7)的底边外侧的中部。6.根据权利要求1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，其特
征在于，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；上压电层和下压电层极化方向相反，表面均设有电极层(10)，且均连接有引出电极(5)，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导电层连接。7.根据权利要求6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，其特征在于，上压电层和下压电层均采用pzt压电层(8)，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。8.根据权利要求1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，其特征在于，封装外壳包括上盖板(1)、上框架(2)和下框架(3)，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，压电谐振器设置于由上盖板(1)、上框架(2)、下框架(3)和pcb底板(4)围城的空腔内；压电悬臂梁的固支端固支于上框架(2)和下框架(3)之间，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)。9.根据权利要求8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，其特征在于，上框架2上开设有用于嵌入引出电极(5)的电极引线槽，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；第一永磁体和质量块(7)以及第二永磁体和可调节螺栓(14)端面均通过ergo5800胶水粘接。10.权利要求1-9任意一项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，其特征在于，包括如下过程：当加载环境振动时，pcb底板(4)受到振动激励，压电悬臂梁产生受迫振动，质量块(7)与限幅器(12)碰撞后，将质量块(7)与限幅器(12)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(7)还能够与封装外壳接触，此时封装外壳能够对质量块(7)进行限幅；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。

技术总结
本发明公开了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，压电谐振器设置于封装外壳内，封装外壳设置于PCB底板上；压电悬臂梁一端固支于封装外壳上，压电悬臂梁由端与质量块底边内侧中部连接；封装外壳内腔在质量块上下两侧均设有限幅器，限幅器用于对质量块靠近压电悬臂梁固支端一端进行限幅；封装外壳能够对质量块远离压电悬臂梁固支端一端进行限幅；质量块底边外侧设有第一永磁体，封装外壳内腔在与第一永磁体正对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，调节机构用于调节第二、第一永磁体间距。本发明具有两个限幅点构成斜面限幅结构能够防止过载同时进行碰撞拓频，利用磁力耦合进行谐振频率调整。耦合进行谐振频率调整。耦合进行谐振频率调整。


技术研发人员：王路 王骞 前田龙太郎 费振轩 段从升 张俊龙 赵立波 韩香广 蒋庄德
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.08.09
技术公布日：2022/11/22