基於模態分離技術的帶寬可調n×3點陣式振動能量採集器的製作方法
2023-12-02 00:07:37 1
本發明涉及一種微能源技術領域的環境能量採集器件，具體是一種基於模態分離技術的帶寬可調n×3點陣式振動能量採集器。
背景技術：
隨著無線移動傳感技術在野外環境、工況監測和隨身醫療電子系統等方面的廣泛應用與迅猛發展，如何為這些應用於特殊領域中的電子器件供電成為進一步推進其應用的關鍵問題。擺脫化學電池體積大、壽命短，有線電源架接困難等傳統能量供給方法的束縛，採集傳感器周邊環境中的能量直接為系統供電已成為無線移動傳感技術應用領域的研究熱點。
振動能廣泛存在於交通運輸（汽車、飛機等運輸工具和軌道），工礦設備（大型煤機、數控工具機），工程建築（橋梁、樓宇）以及生物體活動等應用環境。與太陽能、風能等環境能量形式相比，振動能對上述應用環境中的可移動可攜式無線傳感器具有明顯的供電優勢。然而，傳統振動能量採集器頻帶窄、能量轉化效率低、輸出功率小，目前尚不能滿足無線移動傳感器件的供電需求。如何提高能量採集器的輸出功率，拓寬採集頻帶並使之與環境振動頻率相匹配是振動能量採集領域亟待解決的關鍵問題。
公告號為CN 103346696 A的中國專利設計了一種陣列式壓電與電磁複合的能量採集器，通過陣列式結構拓寬能量採集頻率寬度，提高能量轉化效率，但是壓電與電磁結合的方式使得拾振結構複雜，不易於調試和加工。公告號為CN 103023378 A的中國專利提出了一種寬頻帶多方向振動能量採集器，通過6個T型結構懸臂梁在多個方向的能量採集來拓寬頻帶，但是此裝置體積較大，結構複雜，不易實現。公告號為CN 102931340 A的中國專利設計了一種寬頻帶微型壓電振動能量收集器，利用多組不同的懸臂梁陣列來實現較寬的頻帶輸出，但其微加工工藝複雜，製作成本較高。Xue 等人於2008年提出了多個雙壓電晶片串聯和並聯的能量採集結構，利用每個雙壓電晶片的不同厚度而得到不同的一階共振頻率，從而使得所有一階共振頻率非常靠近來增加採集器的頻帶寬度。這種方法明顯拓寬了工作頻帶，但是其工作頻率範圍（90-110 Hz）仍然高於一些環境中振動源的頻率（橋梁：7-10 Hz，樓宇：15-20 Hz，旋轉機械：43-50 Hz，動物活動：1-45 Hz）。基於此，一種低頻、寬頻帶，高能量轉化效率，高功率穩定輸出，易於加工的振動能量採集器設計顯得尤為重要。
技術實現要素：
為解決現有能量採集器工作頻帶窄，能量轉化效率低，輸出功率小等問題，本發明提出一種基於模態分離技術的帶寬可調n×3點陣式振動能量採集器拾振結構，該結構不僅能調節和拓寬採集器的頻帶範圍，而且採用點陣式結構設計，可有效提高能量轉換效率和輸出功率。
本發明所採用的技術方案是：一種基於模態分離技術的帶寬可調n×3點陣式振動能量採集器，包括柔性框架主梁結構、壓電懸臂梁和質量塊；柔性框架主梁結構為矩形，選定矩形的一條中心線作為軸線，矩形上面沿該軸線方向順次開有n-1個大小相等間距相同的中空矩形孔，所有中空矩形孔沿軸線方向兩側的實體部分作為柔性主梁，共形成n排柔性主梁，其中n≥2；每個柔性主梁上均粘貼固定有數量相同的多個壓電懸臂梁；所有壓電懸臂梁的朝向相同且均與軸線方向平行；所有壓電懸臂梁的一端粘貼固定在柔性主梁的上表面，位於一個最邊緣柔性主梁上的壓電懸臂梁的另一端懸浮在該最邊緣柔性主梁的外側，其餘壓電懸臂梁的另一端均懸浮在鄰近的矩形孔之上；同一個柔性主梁上的多個壓電懸臂梁等間距排列；在每個壓電懸臂梁的懸浮端均粘附有一個質量塊。（圖1）。
所述的n×3點陣式振動能量採集器拾振結構，包括柔性框架主梁結構，壓電懸臂梁和質量塊。所述柔性框架主梁結構採用低楊氏模量的高彈性分子材料，本發明優選聚二甲基矽氧烷（PDMS）。所述的壓電懸臂梁包括基板和壓電層，其中壓電層為壓電陶瓷薄膜，與基板一端之間通過導電銀膠粘合，質量塊粘附在基板的懸浮端。基板選用彈性模量小且強度大，能承受較大形變的材料，本發明優選銅片基板。壓電層選用壓電性強，壓電常數高的壓電材料，本發明優選PZT。質量塊選用密度大，廉價，易加工的金屬材料，本發明優選鐵塊。
本發明的工作原理為：柔性框架主梁結構兩端固定（沿軸線方向的兩端固定），當把本發明放置於實際環境振動體系中時，在外界的激勵下，柔性框架主梁結構的固定端振動並帶動整個柔性框架主梁結構振動，從而使粘貼在柔性框架主梁結構表面上的壓電懸臂梁一起振動，壓電懸臂梁通過在振動中發生形變將機械振動能轉化為電能。通過n排柔性主梁的設計，調節每排柔性主梁上壓電懸臂梁和質量塊尺寸來改變柔性主梁的有效質量，實現不同柔性主梁間的振動模態分離，進而達到拓寬低頻頻帶的效果。所有壓電懸臂梁採用串聯結構實現連接。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
採用柔性框架結構作為主梁。柔性材料的楊氏模量小、結構彈性高。採用柔性框架結構更容易感受外界環境的振動，並將振動能傳遞給壓電懸臂梁，從而降低每排壓電懸臂梁的振動模態，可以在50 Hz以下的低頻範圍內實現寬頻帶振動能量採集。
採用n×3點陣式壓電懸臂梁結構。通過調節每排柔性主梁上的壓電懸臂梁和質量塊尺寸，改變不同柔性主梁的有效質量，實現不同柔性主梁間的振動模態分離，進而達到拓寬低頻頻帶的效果。
隨著n×3點陣式壓電懸臂梁結構中排數n的增大，能量採集器的振動模態增加，可利用的有效頻帶得到拓寬。隨著排數n增大，能量採集器中壓電懸臂梁的數量增加，輸出電壓增大，同時提高了系統的輸出功率。
通過增加或者減少壓電懸臂梁的排數n，同時改變壓電懸臂梁和質量塊尺寸大小，可適時調節系統的有效頻帶寬度，提高能量採集器輸出的連續性和穩定性，進而增強振動能量採集器的環境適應能力。
附圖說明
圖1為本發明的整體結構示意圖（a-柔性框架主梁結構，b-壓電懸臂梁，c-質量塊）。
圖2為壓電懸臂梁的結構示意圖（c-質量塊，d-基板，e-壓電層）。
圖3為實施例1所發明的2×3點陣拾振結構的輸出頻率響應特性曲線。
圖4為實施例2所發明的3×3點陣拾振結構的輸出頻率響應特性曲線。
圖5為實施例3所發明的5×3點陣拾振結構的輸出頻率響應特性曲線。
具體實施方式
以下結合具體實施例子對本發明作進一步清楚、完整的說明。
實施例1
本發明包括柔性框架主梁結構a，壓電懸臂梁b和質量塊c，柔性框架主梁結構a為矩形框狀結構，中心開有一個中空的矩形孔；壓電懸臂梁b的一端粘貼固定在柔性框架主梁結構a的上表面，另一端懸空，壓電懸臂梁b懸空的長度小於矩形孔的寬度，質量塊c粘附在壓電懸臂梁b的懸浮端；六個壓電懸臂梁b（n=2）分別在矩形孔兩側沿同一方向等間距排列。
柔性框架主梁結構a選用PDMS材料，與壓電懸臂梁b平行的框體兩邊的外側面固定。
壓電懸臂梁b包括基板d和壓電層e，壓電層e使用導電銀膠粘貼在基板d的後端表面，質量塊c用AB膠粘貼在基板d的前端。其中：基板d採用銅片材料，壓電層e採用PZT-5H材料。如圖3所示，基板d的寬度和壓電層e的寬度相等，但基板d的長度大於壓電層e的長度，在實施過程中，讓壓電層e與基板d一端對齊後，用導電銀膠粘貼固定。本實施實例中所示的六個壓電懸臂梁尺寸和質量塊尺寸完全相同，在矩形孔兩側朝右呈兩排分布，並沿中空矩形的長邊方向等間距平行排列；第1排的3個基板d一側與柔性框架主梁結構a的左端對齊排列，第2排的3個基板d一側與柔性框架主梁結構a上中空矩形的右側長邊對齊排列，然後用AB膠將壓電懸臂梁b的基板d粘貼固定在柔性框架主梁結構a的上表面，另一端懸空；六個壓電懸臂梁b的連接方式為串聯連接。
質量塊c採用鐵質材料。質量塊c用AB膠粘貼固定在基板d的前端，與基板d前端邊界對齊，且與壓電層e不接觸；質量塊c與壓電懸臂梁b的寬度相同。其輸出的頻率響應特性曲線如圖3所示。
實施例2
本發明包括柔性框架主梁結構a，壓電懸臂梁b和質量塊c，柔性框架主梁結構a為矩形框狀結構，矩形結構上開有兩個中空的矩形孔；壓電懸臂梁b的一端粘貼固定在柔性框架主梁結構a的上表面，另一端懸空，壓電懸臂梁b懸空的長度小於矩形孔的寬度，質量塊c粘附在壓電懸臂梁b的懸浮端；九個壓電懸臂梁b（n=3）分別在兩個矩形孔兩側沿同一方向等間距排列。
柔性框架主梁結構a選用PDMS材料，與壓電懸臂梁b平行的框體兩邊的外側面固定。
壓電懸臂梁b包括基板d和壓電層e，壓電層e使用導電銀膠粘貼在基板d的後端表面，質量塊c用AB膠粘貼在基板d的前端表面。其中：基板d採用銅片材料，壓電層e採用PZT-5H材料。基板d的寬度和與其粘貼的壓電層e的寬度相等，但基板d的長度大於壓電層e的長度，在實施過程中，讓壓電層e與基板d一端對齊後，用導電銀膠粘貼固定。本實施實例中的九個壓電懸臂梁尺寸和質量塊尺寸不完全相同（第1排和第3排壓電懸臂梁b的尺寸和質量塊尺寸完全相同，與第2排的尺寸不同），分別在兩個中空矩形孔兩側沿同一個方向呈三排分布，並沿中空矩形的長邊方向等間距平行排列；第1排的3個基板d一側與柔性框架主梁結構a的左端對齊排列，第2排的3個基板d和第3排的3個基板d的一側分別與柔性框架主梁結構a上兩個中空矩形的右側長邊對齊排列，然後用AB膠將壓電懸臂梁b的基板d粘貼固定在柔性框架主梁結構a的上表面，另一端懸空；九個壓電懸臂梁b的連接方式為串聯連接。
質量塊c採用鐵質材料。質量塊c用AB膠粘貼固定在基板d的前端，與基板d前端邊界對齊，且與壓電層e不接觸；質量塊c的寬度和與其粘貼的壓電懸臂梁b的寬度相同。其輸出的頻率響應特性曲線如圖4所示。
實施例3
本發明包括柔性框架主梁結構a，壓電懸臂梁b和質量塊c，柔性框架主梁結構a為矩形框狀結構，矩形結構上開有四個中空的矩形孔；壓電懸臂梁b的一端粘貼固定在柔性框架主梁結構a的上表面，另一端懸空，壓電懸臂梁b懸空的長度小於矩形孔的寬度，質量塊c粘附在壓電懸臂梁b的懸浮端；十五個壓電懸臂梁b（n=5）分別在四個矩形孔兩側沿同一方向等間距排列。
柔性框架主梁結構a選用PDMS材料，與壓電懸臂梁b平行的框體兩邊的外側面固定。
壓電懸臂梁b包括基板d和壓電層e，壓電層e使用導電銀膠粘貼在基板d的後端表面，質量塊c用AB膠粘貼在基板d的前端表面。其中：基板d採用銅片材料，壓電層e採用PZT-5H材料。基板d的寬度和與其粘貼的壓電層e的寬度相等，但基板d的長度大於壓電層e的長度，在實施過程中，讓壓電層e與基板d一端對齊後，用導電銀膠粘貼固定。本實施實例中的十五個壓電懸臂梁尺寸和質量塊尺寸不完全相同（其中不同排壓電懸臂梁的尺寸和質量塊尺寸不完全相同，每一排的3個壓電懸臂梁的尺寸和質量塊尺寸完全相同），分別在四個中空矩形孔兩側朝右呈五排分布，並沿中空矩形的長邊方向等間距平行排列；第1排的3個基板d一側與柔性框架主梁結構a的左端對齊排列，其餘每排（第2、3、4和5排）的3個基板d一側分別與柔性框架主梁結構a上四個中空矩形的右側長邊對齊排列，然後用AB膠將壓電懸臂梁b的基板d粘貼固定在柔性框架主梁結構a的上表面，另一端懸空；十五個壓電懸臂梁b的連接方式為串聯連接。
質量塊c採用鐵質材料。質量塊c用AB膠粘貼固定在基板d的前端，與基板d前端邊界對齊，且與壓電層e不接觸；質量塊c的寬度和與其粘貼的壓電懸臂梁b的寬度相同。其輸出的頻率響應特性曲線如圖5所示。