[发明专利]碰撞式压电振动能量收集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种碰撞式压电振动能量收集装置，是一种适用于低频、冲击能量高、非连 续振动环境的碰撞式压电振动能量收集装置，属于压电材料能量转化与收集装置技术领域。

背景技术

传感器广泛应用于机械仪器检测、建筑环境监控、无线通信网络、下一代便携式多媒体 设备、植入式医疗器械等多种生产、生活领域，并逐渐呈现出微型化、集成化、嵌入式等特 点。在一些应用环境中，由于更换不便或空间、数量等的限制而无法采用一般的电池供电/ 充电方式，使得能量供应成为传感器应用中的突出瓶颈，能量供应技术成为传感器应用中的 关键技术。

由于多数应用环境都存在不同程度的振动，因此将工作环境固有振动能量转化为电能的 小型化能量收集器具有良好的应用前景。目前经常采用的换能方式为压电式，即通过带有压 电材料的振动结构产生相对运动，在压电材料中形成应力，进而产生电势，通过外接电路转 化为电能输出。对于压电式换能，应使振动结构尽可能地工作于谐振状态，才能收集到较多 的振动能量，获得较高的能量转换效率。

但是，工作环境中的振动形式通常具有频率偏低、频率成分多的特点，使得振动结构的 固有频率难以与环境固有振动频率在较大低频范围内精确调谐。即便在某些频率上实现了精 确调谐，由于工作环境的振动形式还具有振动不连续、振动频率可能发生变化等特点，导致 振动结构容易偏离谐振点，难以在长时间内维持谐振状态。一旦发生谐振频率不匹配的情况， 结构的相对运动将迅速减小，收集到的振动能量也迅速减少。此外，对于具有较高冲击能量 的工作环境，单一的调谐方式难以高效收集冲击能量，并可能导致振动结构的不稳定。

因此，需要一种适用于低频、冲击能量高、非连续振动环境的压电能量收集装置，该装 置将固定在垫片上的支撑基片-压电层作为核心换能结构。在实际应用中，该装置固定安装在 具有低频振动的环境中，支撑基片-压电层换能结构通过垫片固定在装置中的振动块上。由于 振动块与固定块(或壳体)之间没有机械连接，二者将在外界振动的激励下产生相对运动， 并发生碰撞。振动块在碰撞的瞬时将动能转化为支撑基片-压电层换能结构的形变势能，随后 该换能结构以其自振频率做高频振动，同时通过外接电路产生高频电能输出，与外界振动的 状况无关。

根据本发明实现的能量收集装置，可以有效收集低频、高强度的冲击能量，同时解决了 因环境固有振动频率具有多值、可变等特点所导致的振动结构的谐振频率不易匹配、能量转 换效率低等问题，适用于低频、冲击能量高、非连续振动环境，实现将低频碰撞的动能耦合 到高频振动的支撑基片-压电层换能结构，高效收集环境振动能量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碰撞式压电碰撞能量收集装置，从实际工作环境中转换和收 集低频、高能量、非连续冲击的振动能量，将振动能量转化成电能，然后向传感器或其他低 功耗系统供电，使其拥有自供电能力。