[发明专利]一种振动能量收集器及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种共振频率可变的振动能量收集装置，属于振动能量收集技术领域。

背景技术

近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的不断发展，各类微电子设备、微传感器和可携带电子器件等微型机电设备的技术水平和应用范围不断扩大，在各类军事和民用领域有着广泛的应用前景。为了使微机电设备具有更高效、长久的工作效能，对其能源采集供应系统进行研究和改进是该领域中的研究热点之一。

振动作为最为常见且广泛存在的一种能量存在形式，利用法拉第电磁感应定律，通过能量收集技术收集振动能，并将其转化为电能进行存储和使用，是目前国际上较为成熟的方式。其中，悬臂梁式结构较为典型。一般而言，当悬臂梁的振动频率与外界振动频率一致时，即压电式振动能量收集器工作在共振状态下时，能量转化效率最高，输出功率和电压最大。然而，当收集器的悬臂梁的长度、质量块的位置固定后，悬臂梁的共振频率也固定，对于外界振动能量的收集限于某一频率下，应用范围较窄，能源收集率较低。为了解决上述问题，需要设计一种悬臂梁固有共振频率可调的振动能量收集装置，从而适应不同场合和应用环境。

发明内容

本发明的目的是针对普通振动能量收集器悬臂梁频率固定致使应用范围较窄的问题，提出一种固有共振频率可变的振动能量收集器及方法。

本发明的设计思路为：选取具有敏感热膨胀系数的负有弹性的材料作为振动能量收集器的悬臂梁，实现振动能量收集器的固有振动频率可以随外界温度的改变而改变，从而拓宽振动能量收集器的使用频宽，提高能量收集效率，扩大装置应用范围。

本发明的技术方案如下：

一种振动能量收集器，包括压电层、质量块、悬臂梁和基座。其中，所述悬臂梁的一端垂直固定在基座上，另一端为自由端。所述基座在外界环境中稳固放置。所述质量块固定在悬臂梁自由端的上端面。

所述悬臂梁采用负有弹性的，并且具有敏感热膨胀系数的非压电材料。优选的，悬臂梁材质的热膨胀系数选取范围为50×10^-6 1/℃-140×10^-6 1/℃，弹性系数选取范围为1-130GPa。

所述悬臂梁的上、下表面设有由压电材料构成的压电层。所述压电层1为金属压电材料或者有机压电材料，具备机电耦合特性，包括但不限于压电陶瓷、压电单晶等。上下表面的压电层通过电路连接在一起。

使用本发明装置的工作方法为：

当外界环境振动频率与悬臂梁共振频率一致时，质量块发生振动，并带动悬臂梁的自由端进行运动，导致悬臂梁发生弯曲变形。此时，悬臂梁上下表面的压电层将分别产生拉伸应变和压缩应变。由于压电层采用的压电材料具有机电耦合特性，上下压电层会发生相反方向的应变，使得上下压电层的电极表面产生不同性质的电荷。由于上下面的压电层通过电路连接在一起，电荷运动将产生电流，从而实现将机械振动能向电能转化的过程。

有益效果

本发明的振动能量收集器，通过选取具有敏感热膨胀系数的材料作为振动能量收集器的悬臂梁，实现振动能量收集器的固有振动频率可以随外界温度的改变而改变，从而拓宽振动能量收集器的使用频宽，解决了普通振动能量收集器悬臂梁频率固定致使应用范围较窄的问题的难题，有利于提高能量收集效率，扩大了装置应用范围。

附图说明

本发明的示例性实施例将从下文中给出的详细说明和本发明不同实施例的附图中被更完全地理解，然而这不应该被视为将本发明限制于具体的实施例，而应该只是为了解释和理解。遍及附图并且在后面的详细说明中将使用相同的附图标记来指出相同或类似的部分。

图1为本发明所述振动能量收集器具体实施方式的结构框图；

其中，1-压电层、2-质量块、3-悬臂梁、4-基座、5-电热感应设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

一种振动能量收集器，包括压电层1、质量块2、悬臂梁3和基座4。其中，所述悬臂梁3的一端垂直固定在基座4上，另一端为自由端。所述基座2在外界环境中稳固放置。所述质量块2固定在悬臂梁3自由端的上端面，固定方式可以采用强力胶粘接等。