一種振動能量收集器及方法與流程

2023-05-23 11:06:06

本發明涉及一種共振頻率可變的振動能量收集裝置，屬于振動能量收集技術領域。

背景技術：

近年來，隨著微機電系統(mems)技術的不斷發展，各類微電子設備、微傳感器和可攜帶電子器件等微型機電設備的技術水平和應用範圍不斷擴大，在各類軍事和民用領域有著廣泛的應用前景。為了使微機電設備具有更高效、長久的工作效能，對其能源採集供應系統進行研究和改進是該領域中的研究熱點之一。

振動作為最為常見且廣泛存在的一種能量存在形式，利用法拉第電磁感應定律，通過能量收集技術收集振動能，並將其轉化為電能進行存儲和使用，是目前國際上較為成熟的方式。其中，懸臂梁式結構較為典型。一般而言，當懸臂梁的振動頻率與外界振動頻率一致時，即壓電式振動能量收集器工作在共振狀態下時，能量轉化效率最高，輸出功率和電壓最大。然而，當收集器的懸臂梁的長度、質量塊的位置固定後，懸臂梁的共振頻率也固定，對於外界振動能量的收集限於某一頻率下，應用範圍較窄，能源收集率較低。為了解決上述問題，需要設計一種懸臂梁固有共振頻率可調的振動能量收集裝置，從而適應不同場合和應用環境。

技術實現要素：

本發明的目的是針對普通振動能量收集器懸臂梁頻率固定致使應用範圍較窄的問題，提出一種固有共振頻率可變的振動能量收集器及方法。

本發明的設計思路為：選取具有敏感熱膨脹係數的負有彈性的材料作為振動能量收集器的懸臂梁，實現振動能量收集器的固有振動頻率可以隨外界溫度的改變而改變，從而拓寬振動能量收集器的使用頻寬，提高能量收集效率，擴大裝置應用範圍。

本發明的技術方案如下：

一種振動能量收集器，包括壓電層、質量塊、懸臂梁和基座。其中，所述懸臂梁的一端垂直固定在基座上，另一端為自由端。所述基座在外界環境中穩固放置。所述質量塊固定在懸臂梁自由端的上端面。

所述懸臂梁採用負有彈性的，並且具有敏感熱膨脹係數的非壓電材料。優選的，懸臂梁材質的熱膨脹係數選取範圍為50×10-61/℃-140×10-61/℃，彈性係數選取範圍為1-130gpa。

所述懸臂梁的上、下表面設有由壓電材料構成的壓電層。所述壓電層1為金屬壓電材料或者有機壓電材料，具備機電耦合特性，包括但不限於壓電陶瓷、壓電單晶等。上下表面的壓電層通過電路連接在一起。

使用本發明裝置的工作方法為：

當外界環境振動頻率與懸臂梁共振頻率一致時，質量塊發生振動，並帶動懸臂梁的自由端進行運動，導致懸臂梁發生彎曲變形。此時，懸臂梁上下表面的壓電層將分別產生拉伸應變和壓縮應變。由於壓電層採用的壓電材料具有機電耦合特性，上下壓電層會發生相反方向的應變，使得上下壓電層的電極表面產生不同性質的電荷。由於上下面的壓電層通過電路連接在一起，電荷運動將產生電流，從而實現將機械振動能向電能轉化的過程。

有益效果

本發明的振動能量收集器，通過選取具有敏感熱膨脹係數的材料作為振動能量收集器的懸臂梁，實現振動能量收集器的固有振動頻率可以隨外界溫度的改變而改變，從而拓寬振動能量收集器的使用頻寬，解決了普通振動能量收集器懸臂梁頻率固定致使應用範圍較窄的問題的難題，有利於提高能量收集效率，擴大了裝置應用範圍。

附圖說明

本發明的示例性實施例將從下文中給出的詳細說明和本發明不同實施例的附圖中被更完全地理解，然而這不應該被視為將本發明限制於具體的實施例，而應該只是為了解釋和理解。遍及附圖並且在後面的詳細說明中將使用相同的附圖標記來指出相同或類似的部分。

圖1為本發明所述振動能量收集器具體實施方式的結構框圖；

其中，1-壓電層、2-質量塊、3-懸臂梁、4-基座、5-電熱感應設備。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步詳細說明。

一種振動能量收集器，包括壓電層1、質量塊2、懸臂梁3和基座4。其中，所述懸臂梁3的一端垂直固定在基座4上，另一端為自由端。所述基座2在外界環境中穩固放置。所述質量塊2固定在懸臂梁3自由端的上端面，固定方式可以採用強力膠粘接等。

所述懸臂梁3採用負有彈性的，並且具有敏感熱膨脹係數的非壓電材料，例如彈簧鋼、黃銅、合金等。彈性模量可視為衡量材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應力作用下，發生彈性變形越小。因此彈性好的材料需要彈性模量較小。通過試驗發現，懸臂梁3的熱膨脹係數選取範圍為50×10-61/℃-140×10-61/℃，彈性模量選取範圍為1-130gpa為宜。其中，懸臂梁3選取彈性模量為30-95gpa的材質時，效果最佳。

採用上述要求的材料，能夠使懸臂梁3的形狀隨著振動能量收集器所處的熱環境(溫度)的改變而發生改變(包括但不限於拉伸、壓縮或者彎曲變形等)，從而引起懸臂梁3的固有共振頻率發生變化，實現不同工作頻帶下的振動能量收集。

所述懸臂梁3的上、下表面設有由壓電材料構成的壓電層1。所述壓電層1為金屬壓電材料或者有機壓電材料，具備機電耦合特性，包括但不限於壓電陶瓷、壓電單晶等。可以通過膠合或鍵合的方式將壓電層1與懸臂梁3相連接。上下表面的壓電層1通過電路連接在一起。

本發明的工作方式為：

當外界環境振動頻率與懸臂梁3共振頻率一致時，質量塊2發生振動，並帶動懸臂梁3的自由端進行運動，導致懸臂梁3發生彎曲變形。此時，懸臂梁3上下表面的壓電層1將分別產生拉伸應變和壓縮應變。由於壓電層1採用的壓電材料具有機電耦合特性，上下壓電層會發生相反方向的應變，使得上下壓電層的電極表面產生不同性質的電荷。由於上下面的壓電層1通過電路連接在一起，電荷運動將產生電流，從而實現將機械振動能向電能轉化的過程。應用時，可以在電路中接入微型電子設備，用於電能存儲或電能使用。

例如，在電路中接入電熱感應設備5，使本發明裝置與電熱感應設備5結合，從而具有溫度感知功能。若事先得知懸臂梁的固有共振頻率隨溫度的形變曲線，則可以根據振動能量收集器產生的電信號，與標定溫度下的電壓信號作對比，可以推斷出環境所在的溫度，使系統具有一定的溫度感知功能。

儘管已經示出並描述了本發明的特殊實施例，然而在不背離本發明的示例性實施例及其更寬廣方面的前提下，本領域技術人員顯然可以基於此處的教學做出變化和修改。因此，所附的權利要求意在將所有這類不背離本發明的示例性實施例的真實精神和範圍的變化和更改包含在其範圍之內。