[发明专利]一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器

说明书

技术领域

本发明涉及振动应用和电力技术领域，尤其涉及一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器。

背景技术

现在化学电池是微型传感器、集成电路、MEMS和便携式电子设备等主要的供电电源，但电池容量寿命有限，需要定期更换，势必对系统应用带来不便，尤其对于发展日益迅速的医疗健康监测和嵌入式智能系统来说，电池供电的这种局限性更为明显。此外，大量使用电池会带来材料浪费和环境污染等问题。因此，寻求可持续的供电方法来代替电池供电是突破系统寿命瓶颈的关键技术。

振动是自然界最普遍的现象之一，大至宇宙，小至离子，都在时刻不停的振动。从物理学克制，许多形式的物理现象，如声、热、电磁、光等都包含振动。在人们的日常生活中，振动现象也屡见不鲜：心脏的跳动、耳膜和声带的振动，都是人体不可以缺少的生理活动，人的视觉靠光的刺激，而光本质上也是一种电磁振动。所以说振动能量是一个取之不尽，用之不竭的能源。如何高效采集振动能量是摆在现代科研人员要解决的关键问题。

振动式能量采集器近年来备受关注，是一种高效、清洁无污染的新型能量采集技术。它是利用压电陶瓷晶片的压电效应将环境的振动能量转换为电能，为便携式微功率电器或无线传感器等小型电子设备供电，是一种替代化学电池的最佳供电方式，解决了已自给自足方式供能自身的问题。根据能量转换原理的不同，获取电能的有效方法可利用电磁式、静电式和压电式等三类，而传统压电能量采集器普遍存在着工作频率单一、频带窄等问题，而环境中的振动频带较宽，且随机性较大。当环境中振动频率稍稍骗了压电振动能量采集器的谐振频率时，压电振动能量采集器的采集和转换效率就会显著降低，不利于对环境振动能量进行高效的采集与转换。所以构建新型工作频带宽的压电能量采集器装置仍是一个富有挑战的课题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器，结构上采用了直角型悬臂梁装置，使得能量采集器能够有更宽的工作频带，从而有效提高能量采集效率。

一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器，包括支座和安装在支座上的水平金属基板，水平金属基板靠近支座端的安装有压电陶瓷晶片，水平金属基板另一端粘结有垂直金属基板，水平金属基板与垂直金属基板相互垂直构成直角型悬臂梁结构，垂直金属基板的另一端安装有质量块。

进一步的，所述的质量块可以沿垂直和水平方向复合振动。

进一步的，所述水平金属基板与垂直金属基板的长度比例为2:1。

更进一步的，所述水平金属基板长度为50mm，垂直金属基板的长度为25mm。

进一步的，所述质量块的重量为40g。。

进一步的，所述压电陶瓷晶片通过粘结胶层粘结在水平金属基板的外表面。

进一步的，所述水平金属基板与垂直金属基板为一体成型的相互垂直金属基板。

下面对本发明做进一步的说明：

本发明涉及种一种直角型压电悬臂梁振动能量采集器，它包括支座、压电陶瓷晶片、水平金属基板、垂直金属基板、质量块组成；水平金属基板的左端固定在支座上，压电陶瓷晶片粘接在水平金属基板上靠近左边固定端的外表面；垂直金属基板垂直粘接在水平金属基板右端，构成直角型；质量块设置在垂直金属基板上端。

当此直角型压电悬臂梁振动能量采集器安装在无线传感器或微功率电器上时，环境中的振动会引发此采集器质量块的振动，使质量块不停的振动引发水平金属基板上压电陶瓷晶片发生形变，使压电悬臂梁发电结构实现振动能转换为电能。

本发明采用上述技术方案与现有技术相比，可以达到下列效果：

1.现有典型的压电振动能量采集器是末端带有质量块的压电悬臂梁结构，它工作频率单一、频带较窄、采集能量效率低。通过在传统水平悬臂梁结构中增加一个垂直辅助悬臂梁，组成直角型悬臂梁结构，通过控制直角型悬臂梁辅助梁结构水平金属基板、垂直金属基板的长度使悬臂梁的一阶、二阶模态的固有频率间距缩小，使两者串联起来形成一个宽频谐振带。传统水平悬臂梁单结构一、二阶模态的固有频率间距较大，即f₂≌6.27f₁，两者串联起来不利于形成宽频带。本装置通过在传统水平悬臂梁结构中增加一个垂直辅助悬臂梁，组成直角型悬臂梁结构，通过控制直角型悬臂梁辅助梁结构参数，水平方向金属基板长度为50mm,垂直方向金属基板长度为25mm,使悬臂梁的一阶、二阶模态的固有频率间距缩小，使两者串联起来形成一个宽频谐振带,即f₂≌2f₁。