[发明专利]一种基于弯扭振动的多段分叉的密频压电板能量俘获装置

说明书

本发明一种基于弯扭振动的多段分叉的密频压电板能量俘获装置，属于压电集能领域；包括夹持基础、压电片和悬臂主板；所述悬臂主板的一端固定于夹持基础的侧壁构成悬臂架构，并在其根部的上下表面均设置有压电片；悬臂主板的另一端为分叉板；所述分叉板中包括两个或两个以上分叉板分板。通过调节分叉板的长度和分叉角度，当两段分叉板的长度和分叉角度不同时，压电板结构呈现非对称特性，使得压电板结构在该非对称条件下较对称结构时具有更多的响应峰，进而实现粘贴在悬臂主板上的压电片在该条件下具有更宽的压电响应频带，实现在该频率下具有更高的压电能量俘获效果。

技术领域

本发明属于压电集能领域，具体涉及一种基于弯扭振动的多段分叉的密频压电板能量俘获装置。

背景技术

现阶段压电能量俘获结构通过压电片在结构模态频率处的共振特性将结构的机械能转化为电能，实现能量俘获。但常规的悬臂式压电能量俘获结构的俘能频带较窄，且俘能效率较低。也有选择在悬臂式压电能量俘获结构自由端添加质量块实现响应频率降频、利用非线性方法来拓宽能量俘获频带的效果，但其效果并不能满足未来能量俘获的更高要求。因此，如何从结构的角度来增加压电片宿主结构的模态频率，使压电片在较宽的频带内进行能量俘获的效果，是未来压电集能领域内需要研究的方向。

南京航空航天大学的侯志伟在题目为“蒲公英状多方向宽频带压电振动能量采集研究”(论文编号：102870113-B063)的博士论文中第18页提出的能量俘获结构具有多方向能量俘获的效果(如图a所示)，可实现整体结构在能量俘获中的频带拓宽。其中，每个小悬臂梁上都贴有压电材料并安装在基座上。但该装置在单一方向上只是常规的悬臂梁式能量俘获结构，因此在单方向上的能量俘获效率不高。另外，同样是南京航空航天大学的GUANGCHENG ZHANG和JUNHUI HU在题目为“A Branched Beam-Based Vibration EnergyHarvester”(DOI：10.1007/s11664-014-3398-5)的文章中提出了一种分叉式压电能量俘获的多模态结构(如图b所示)。该结构采用增加了阵列式的分叉梁的方法，使得整体结构具有在单方向上提高能量俘获效率的作用。但是由于该分叉梁采用阵列式分布，使得分叉梁在振动时无法将振动机械能最大效率得传递到压电材料部位(悬臂梁根部应变能最大)。因此，如何在单方向上实现能量转化效率最大是一个值得研究得方向。基于以上的想法，本发明提出了一种基于弯扭振动的多叉式压电板的能量俘获方法。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于弯扭振动的多段分叉的密频压电板能量俘获装置，能够从结构的模态角度拓宽能量俘获的响应频带，解决压电响应频带窄，能量俘获装置适应性弱及单方向上能量俘获效率最大的问题。

本发明的技术方案是：一种基于弯扭振动的多段分叉的密频压电板能量俘获装置，其特征在于：包括夹持基础、压电片和悬臂主板；所述悬臂主板的一端固定于夹持基础的侧壁构成悬臂架构，并在其根部的上、下表面均设置有压电片；悬臂主板的另一端为分叉板；所述分叉板中包括两个或两个以上分叉板分板。

本发明的进一步技术方案是：所述分叉板的形状为Y形，包含的两个分叉板分板为对称结构或非对称结构。

本发明的进一步技术方案是：所述分叉板分板与悬臂主板位于同一平面内，与悬臂主板相邻的分叉板分板和悬臂主板之间夹角θ的范围是：0°θ180°。

本发明的进一步技术方案是：所述夹持基础为块状结构。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明利用板结构弯曲与扭转振动之间的耦合作用，在贴有压电片的悬臂主板自由端同一平面内连接两段或两段以上分叉板分板，通过调节分叉板的结构特性，可以改变压电板结构的模态频率，使得压电板结构可根据外界激励频率设计合适的分叉板，实现压电板结构的能量俘获频率根据环境振动可调；粘贴在悬臂主板上的压电片增加了因分叉板引起的共振响应频率，拓宽了压电板的能量俘获频带。