基于模态分离技术的带宽可调n×3点阵式振动能量采集器

摘要

本发明涉及一种微能源技术领域的环境能量采集器件，具体是一种基于模态分离技术的带宽可调n×3点阵式振动能量采集器。一种基于模态分离技术的带宽可调n×3点阵式振动能量采集器，包括柔性框架主梁结构、压电悬臂梁和质量块；柔性框架主梁结构为矩形，矩形上面沿该轴线方向顺次开有n‑1个大小相等间距相同的中空矩形孔，共形成n排柔性主梁，其中n≥2；每个柔性主梁上均粘贴固定有数量相同的多个压电悬臂梁；在每个压电悬臂梁的悬浮端均粘附有一个质量块。本发明通过增加或者减少压电悬臂梁的排数n，同时改变压电悬臂梁和质量块尺寸大小，可适时调节系统的有效频带宽度，提高能量采集器输出的连续性和稳定性，增强振动能量采集器的环境适应能力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微能源技术领域的环境能量采集器件，具体是一种基于模态分离技术的带宽可调n×3点阵式振动能量采集器。

背景技术

随着无线移动传感技术在野外环境、工况监测和随身医疗电子系统等方面的广泛应用与迅猛发展，如何为这些应用于特殊领域中的电子器件供电成为进一步推进其应用的关键问题。摆脱化学电池体积大、寿命短，有线电源架接困难等传统能量供给方法的束缚，采集传感器周边环境中的能量直接为系统供电已成为无线移动传感技术应用领域的研究热点。

振动能广泛存在于交通运输（汽车、飞机等运输工具和轨道），工矿设备（大型煤机、数控机床），工程建筑（桥梁、楼宇）以及生物体活动等应用环境。与太阳能、风能等环境能量形式相比，振动能对上述应用环境中的可移动便携式无线传感器具有明显的供电优势。然而，传统振动能量采集器频带窄、能量转化效率低、输出功率小，目前尚不能满足无线移动传感器件的供电需求。如何提高能量采集器的输出功率，拓宽采集频带并使之与环境振动频率相匹配是振动能量采集领域亟待解决的关键问题。

公告号为CN 103346696 A的中国专利设计了一种阵列式压电与电磁复合的能量采集器，通过阵列式结构拓宽能量采集频率宽度，提高能量转化效率，但是压电与电磁结合的方式使得拾振结构复杂，不易于调试和加工。公告号为CN 103023378 A的中国专利提出了一种宽频带多方向振动能量采集器，通过6个T型结构悬臂梁在多个方向的能量采集来拓宽频带，但是此装置体积较大，结构复杂，不易实现。公告号为CN 102931340 A的中国专利设计了一种宽频带微型压电振动能量收集器，利用多组不同的悬臂梁阵列来实现较宽的频带输出，但其微加工工艺复杂，制作成本较高。Xue 等人于2008年提出了多个双压电晶片串联和并联的能量采集结构，利用每个双压电晶片的不同厚度而得到不同的一阶共振频率，从而使得所有一阶共振频率非常靠近来增加采集器的频带宽度。这种方法明显拓宽了工作频带，但是其工作频率范围（90-110 Hz）仍然高于一些环境中振动源的频率（桥梁：7-10Hz，楼宇：15-20 Hz，旋转机械：43-50 Hz，动物活动：1-45 Hz）。基于此，一种低频、宽频带，高能量转化效率，高功率稳定输出，易于加工的振动能量采集器设计显得尤为重要。

发明内容

为解决现有能量采集器工作频带窄，能量转化效率低，输出功率小等问题，本发明提出一种基于模态分离技术的带宽可调n×3点阵式振动能量采集器拾振结构，该结构不仅能调节和拓宽采集器的频带范围，而且采用点阵式结构设计，可有效提高能量转换效率和输出功率。

本发明所采用的技术方案是：一种基于模态分离技术的带宽可调n×3点阵式振动能量采集器，包括柔性框架主梁结构、压电悬臂梁和质量块；柔性框架主梁结构为矩形，选定矩形的一条中心线作为轴线，矩形上面沿该轴线方向顺次开有n-1个大小相等间距相同的中空矩形孔，所有中空矩形孔沿轴线方向两侧的实体部分作为柔性主梁，共形成n排柔性主梁，其中n≥2；每个柔性主梁上均粘贴固定有数量相同的多个压电悬臂梁；所有压电悬臂梁的朝向相同且均与轴线方向平行；所有压电悬臂梁的一端粘贴固定在柔性主梁的上表面，位于一个最边缘柔性主梁上的压电悬臂梁的另一端悬浮在该最边缘柔性主梁的外侧，其余压电悬臂梁的另一端均悬浮在邻近的矩形孔之上；同一个柔性主梁上的多个压电悬臂梁等间距排列；在每个压电悬臂梁的悬浮端均粘附有一个质量块。（图1）。

所述的n×3点阵式振动能量采集器拾振结构，包括柔性框架主梁结构，压电悬臂梁和质量块。所述柔性框架主梁结构采用低杨氏模量的高弹性分子材料，本发明优选聚二甲基硅氧烷（PDMS）。所述的压电悬臂梁包括基板和压电层，其中压电层为压电陶瓷薄膜，与基板一端之间通过导电银胶粘合，质量块粘附在基板的悬浮端。基板选用弹性模量小且强度大，能承受较大形变的材料，本发明优选铜片基板。压电层选用压电性强，压电常数高的压电材料，本发明优选PZT。质量块选用密度大，廉价，易加工的金属材料，本发明优选铁块。

本发明的工作原理为：柔性框架主梁结构两端固定（沿轴线方向的两端固定），当把本发明放置于实际环境振动体系中时，在外界的激励下，柔性框架主梁结构的固定端振动并带动整个柔性框架主梁结构振动，从而使粘贴在柔性框架主梁结构表面上的压电悬臂梁一起振动，压电悬臂梁通过在振动中发生形变将机械振动能转化为电能。通过n排柔性主梁的设计，调节每排柔性主梁上压电悬臂梁和质量块尺寸来改变柔性主梁的有效质量，实现不同柔性主梁间的振动模态分离，进而达到拓宽低频频带的效果。所有压电悬臂梁采用串联结构实现连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用柔性框架结构作为主梁。柔性材料的杨氏模量小、结构弹性高。采用柔性框架结构更容易感受外界环境的振动，并将振动能传递给压电悬臂梁，从而降低每排压电悬臂梁的振动模态，可以在50 Hz以下的低频范围内实现宽频带振动能量采集。

采用n×3点阵式压电悬臂梁结构。通过调节每排柔性主梁上的压电悬臂梁和质量块尺寸，改变不同柔性主梁的有效质量，实现不同柔性主梁间的振动模态分离，进而达到拓宽低频频带的效果。

随着n×3点阵式压电悬臂梁结构中排数n的增大，能量采集器的振动模态增加，可利用的有效频带得到拓宽。随着排数n增大，能量采集器中压电悬臂梁的数量增加，输出电压增大，同时提高了系统的输出功率。

通过增加或者减少压电悬臂梁的排数n，同时改变压电悬臂梁和质量块尺寸大小，可适时调节系统的有效频带宽度，提高能量采集器输出的连续性和稳定性，进而增强振动能量采集器的环境适应能力。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图（a-柔性框架主梁结构，b-压电悬臂梁，c-质量块）。

图2为压电悬臂梁的结构示意图（c-质量块，d-基板，e-压电层）。

图3为实施例1所发明的2×3点阵拾振结构的输出频率响应特性曲线。

图4为实施例2所发明的3×3点阵拾振结构的输出频率响应特性曲线。

图5为实施例3所发明的5×3点阵拾振结构的输出频率响应特性曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例子对本发明作进一步清楚、完整的说明。

实施例1

本发明包括柔性框架主梁结构a，压电悬臂梁b和质量块c，柔性框架主梁结构a为矩形框状结构，中心开有一个中空的矩形孔；压电悬臂梁b的一端粘贴固定在柔性框架主梁结构a的上表面，另一端悬空，压电悬臂梁b悬空的长度小于矩形孔的宽度，质量块c粘附在压电悬臂梁b的悬浮端；六个压电悬臂梁b（n=2）分别在矩形孔两侧沿同一方向等间距排列。

柔性框架主梁结构a选用PDMS材料，与压电悬臂梁b平行的框体两边的外侧面固定。

压电悬臂梁b包括基板d和压电层e，压电层e使用导电银胶粘贴在基板d的后端表面，质量块c用AB胶粘贴在基板d的前端。其中：基板d采用铜片材料，压电层e采用PZT-5H材料。如图3所示，基板d的宽度和压电层e的宽度相等，但基板d的长度大于压电层e的长度，在实施过程中，让压电层e与基板d一端对齐后，用导电银胶粘贴固定。本实施实例中所示的六个压电悬臂梁尺寸和质量块尺寸完全相同，在矩形孔两侧朝右呈两排分布，并沿中空矩形的长边方向等间距平行排列；第1排的3个基板d一侧与柔性框架主梁结构a的左端对齐排列，第2排的3个基板d一侧与柔性框架主梁结构a上中空矩形的右侧长边对齐排列，然后用AB胶将压电悬臂梁b的基板d粘贴固定在柔性框架主梁结构a的上表面，另一端悬空；六个压电悬臂梁b的连接方式为串联连接。

质量块c采用铁质材料。质量块c用AB胶粘贴固定在基板d的前端，与基板d前端边界对齐，且与压电层e不接触；质量块c与压电悬臂梁b的宽度相同。其输出的频率响应特性曲线如图3所示。

实施例2

本发明包括柔性框架主梁结构a，压电悬臂梁b和质量块c，柔性框架主梁结构a为矩形框状结构，矩形结构上开有两个中空的矩形孔；压电悬臂梁b的一端粘贴固定在柔性框架主梁结构a的上表面，另一端悬空，压电悬臂梁b悬空的长度小于矩形孔的宽度，质量块c粘附在压电悬臂梁b的悬浮端；九个压电悬臂梁b（n=3）分别在两个矩形孔两侧沿同一方向等间距排列。

柔性框架主梁结构a选用PDMS材料，与压电悬臂梁b平行的框体两边的外侧面固定。

压电悬臂梁b包括基板d和压电层e，压电层e使用导电银胶粘贴在基板d的后端表面，质量块c用AB胶粘贴在基板d的前端表面。其中：基板d采用铜片材料，压电层e采用PZT-5H材料。基板d的宽度和与其粘贴的压电层e的宽度相等，但基板d的长度大于压电层e的长度，在实施过程中，让压电层e与基板d一端对齐后，用导电银胶粘贴固定。本实施实例中的九个压电悬臂梁尺寸和质量块尺寸不完全相同（第1排和第3排压电悬臂梁b的尺寸和质量块尺寸完全相同，与第2排的尺寸不同），分别在两个中空矩形孔两侧沿同一个方向呈三排分布，并沿中空矩形的长边方向等间距平行排列；第1排的3个基板d一侧与柔性框架主梁结构a的左端对齐排列，第2排的3个基板d和第3排的3个基板d的一侧分别与柔性框架主梁结构a上两个中空矩形的右侧长边对齐排列，然后用AB胶将压电悬臂梁b的基板d粘贴固定在柔性框架主梁结构a的上表面，另一端悬空；九个压电悬臂梁b的连接方式为串联连接。

质量块c采用铁质材料。质量块c用AB胶粘贴固定在基板d的前端，与基板d前端边界对齐，且与压电层e不接触；质量块c的宽度和与其粘贴的压电悬臂梁b的宽度相同。其输出的频率响应特性曲线如图4所示。

实施例3

本发明包括柔性框架主梁结构a，压电悬臂梁b和质量块c，柔性框架主梁结构a为矩形框状结构，矩形结构上开有四个中空的矩形孔；压电悬臂梁b的一端粘贴固定在柔性框架主梁结构a的上表面，另一端悬空，压电悬臂梁b悬空的长度小于矩形孔的宽度，质量块c粘附在压电悬臂梁b的悬浮端；十五个压电悬臂梁b（n=5）分别在四个矩形孔两侧沿同一方向等间距排列。

柔性框架主梁结构a选用PDMS材料，与压电悬臂梁b平行的框体两边的外侧面固定。

压电悬臂梁b包括基板d和压电层e，压电层e使用导电银胶粘贴在基板d的后端表面，质量块c用AB胶粘贴在基板d的前端表面。其中：基板d采用铜片材料，压电层e采用PZT-5H材料。基板d的宽度和与其粘贴的压电层e的宽度相等，但基板d的长度大于压电层e的长度，在实施过程中，让压电层e与基板d一端对齐后，用导电银胶粘贴固定。本实施实例中的十五个压电悬臂梁尺寸和质量块尺寸不完全相同（其中不同排压电悬臂梁的尺寸和质量块尺寸不完全相同，每一排的3个压电悬臂梁的尺寸和质量块尺寸完全相同），分别在四个中空矩形孔两侧朝右呈五排分布，并沿中空矩形的长边方向等间距平行排列；第1排的3个基板d一侧与柔性框架主梁结构a的左端对齐排列，其余每排（第2、3、4和5排）的3个基板d一侧分别与柔性框架主梁结构a上四个中空矩形的右侧长边对齐排列，然后用AB胶将压电悬臂梁b的基板d粘贴固定在柔性框架主梁结构a的上表面，另一端悬空；十五个压电悬臂梁b的连接方式为串联连接。

质量块c采用铁质材料。质量块c用AB胶粘贴固定在基板d的前端，与基板d前端边界对齐，且与压电层e不接触；质量块c的宽度和与其粘贴的压电悬臂梁b的宽度相同。其输出的频率响应特性曲线如图5所示。