[发明专利]一种减振俘能一体化压电超材料板

说明书

本发明公开了一种减振俘能一体化压电超材料板，包括薄板、压电片、悬臂板、圆柱基座、Z形连接架、环形质量框。本发明将针对宽带低频环境振动，以压电超材料薄板结构为对象，利用薄板内弹性波传播、压电俘能等基本理论，建立减振俘能一体化压电超材料薄板，采用环形质量框、悬臂板、Z形支架和压电片组成的压电振子，与圆柱支座相连接，将其均匀铺设在薄板上，当薄板发生振动时，压电振子能够抑制板的振动。与此同时，压电振子可以达到共振频率，实现俘能效果，从而增加电能输出，提高俘能密度。

技术领域

本发明属于振动能量收集领域，涉及到新能源技术领域和微机电系统，具体涉及一种具有能量俘获和低频振动衰减的减振俘能一体化压电超材料板。

背景技术

随着微电子、低功耗设计等技术的快速进步和发展，其功耗也在不断降低，只需毫瓦级甚至微瓦级的电能就能保证其正常工作。正因为传感器功耗下降，对嵌入式传感器的供电思路就是从环境中俘获能量，比如环境中的振动机械能、太阳能、风能等其他形式的能量，进而转化成电能实现无线传感器的自供电，而这种俘获能量的技术就称之为能量俘获或者俘能技术。目前振动能量俘获主要分为三种方式：电磁、静电和压电，而压电转换机理具有无电磁干扰、能量密度高以及易集成、可微小化等优点，具有广泛应用前景。因此，利用压电效应将振动环境中的能量进行俘获，为嵌入式传感器供电，是一种极具前景的技术途径。

目前，人们在压电俘能领域已经取得了丰富的研究成果，但是对于实际应用来说，实验中假设振动源是固定位置、能量集中、单方面的振动激励，而这种假设过于简化。实际中，结构振动往往是不定向的且其能量很多是以弹性波的形式存在，并且具有宽带、低频等特点，必须将弹性波的波动特性与压电俘能结构有机结合起来才能提高宽带低频能量俘获效率。因此，为了使宽带低频环境振动能量尽可能聚集作用在压电材料上，并有效控制弹性波在压电发电结构中的传播至关重要。近些年来，超材料在波动特性控制领域异军突起，它是一种经过人工设计具有特殊结构的材料，具有天然材料无法拥有的负折射率、负能量密度、负刚度等属性，并在能量俘获领域表现出巨大的研究潜力。

中国专利申请(公开号CN109951106A)公开了一种用于非定向流的阵列排布式压电俘能器，包括多个压电振子、阵列夹具机构、导向翼机构、齿轮传动机构和外壳；该发明应用与非定向流，将多个压电振子安装于阵列夹具机构上，振子间的运动状态相互耦合，实现俘能效果，但该装置的压电振子在低频范围内共振阶数较少，工作频带较窄，能量转换效率并不高。

发明内容

本发明是一种减振俘能一体化压电超材料板，克服了现有技术存在的不足，既可以将环境中振动能量转换为电能，为微电子器件提供能量，又能够利用每个压电振子的俘能特性影响薄板振动响应，起到振动衰减的作用，从而延长使用寿命。

参照附图1，本发明所采取的技术方案是：发明多功能超材料板，包括薄板(1)，压电片(2)，悬臂板(3)，圆柱基座(4)，Z形连接架(5)，环形质量框(6)。

薄板结构是一种常见的结构形式，其在运行过程中能够产生明显的振动，利用压电效应可以将振动能转换为电能从而储存在无线传感器的内部。但是由于机构振动的不定向性以及能量往往是以弹性波的形式传递，并且具有宽带、低频的特点，因此本发明采用压电振子在薄板上阵列均匀铺设方式可以将弹性波波动特性与压电俘能结构特点有机结合起来，达到提高俘能效率与抑制薄板振动的效果。

该减振俘能一体化压电超材料板的俘能方法，具体如下：