折线形结构压电悬臂梁式振动能量回收装置制造方法及图纸

技术编号:20117773 阅读:20 留言:0更新日期:2019-01-16 12:04
本发明专利技术涉及一种折线形结构压电悬臂梁式振动能量回收装置。该装置包括悬臂梁和折线形质量块;所述悬臂梁包括基板和布置于所述基板上的压电材料;所述折线形质量块包括两个质量块和连接所述两个质量块的连接板;所述两个质量块中的一个质量块固定于所述悬臂梁的自由端。所述悬臂梁可以是梯形梁、矩形梁或变厚度梁。本发明专利技术通过控制两个质量块的质量比,使悬臂梁的纵向应变分布趋向均匀,并且使得整体结构在不同振动模态下的输出表现更为优秀,可以有效地提高压电材料的利用率。

Piezoelectric Cantilever Beam Vibration Energy Recovery Device with Folded Line Structure

The invention relates to a piezoelectric cantilever beam vibration energy recovery device with a folded linear structure. The device comprises a cantilever beam and a folded mass block; the cantilever beam comprises a base plate and a piezoelectric material arranged on the base plate; the folded mass block comprises two mass blocks and a connecting plate connecting the two mass blocks; one mass block of the two mass blocks is fixed at the free end of the cantilever beam. The cantilever beam can be a trapezoidal beam, a rectangular beam or a variable thickness beam. By controlling the mass ratio of two mass blocks, the longitudinal strain distribution of the cantilever beam tends to be uniform, and the output performance of the whole structure under different vibration modes is better, thus effectively improving the utilization ratio of piezoelectric materials.

【技术实现步骤摘要】
折线形结构压电悬臂梁式振动能量回收装置
本专利技术属于压电
,涉及压电能量回收装置,具体涉及一种折线形结构压电悬臂梁式振动能量回收装置。
技术介绍
随着无线传感器领域的不断发展,传统电池的局限性日益突出。传统电池寿命及能量密度有限,对环境有污染等问题日益突出。压电能量回收装置因其结构简单、产生电压较高以及运行不需要额外电源而受到了更多的关注(ANTONSR,SODANOHA.Areviewofpowerharvestingusingpiezoelectricmaterials(2003-2006)[J].SmartMaterStruct,2007,16(3):R1-21.)。在压电能量回收研究中,目前最为成熟的是矩形悬臂梁结构,但是这种结构在悬臂梁的长度方向上无法使应力分布均匀化,因此不能最大程度的利用压电材料。有一些研究人员通过改变悬臂梁的几何结构来优化应变分布,具有代表性的有梯形梁与变厚度梁。梯形梁参见文献“BAKERJ,ROUNDYS,WRIGHTP.Alternativegeometriesforincreasingpowerdensityinvibrationenergyscavengingforwirelesssensornetworks[C]//SanFrancisco:3rdInternationalEnergyConversionEngineeringConference,2005:959-970.”。变厚度梁参见文献“MEHRAEENS,JAQANNATHANS,CORZINEKA.Energyharvestingfromvibrationwithalternatescavengingcircuitryandtaperedcantileverbeam[J].IEEETransIndElectron,2010,57(3):820-830.”。梯形梁的应力分布趋向于近似一致,应力分布的均匀程度优于传统悬臂梁,但是仍具有一定的应力分布梯度。变厚度梁可以使悬臂梁的应力分步趋向于近似一致,但是变厚度梁存在结构设计复杂、器件制备难度大的缺点,针对不同振动环境的普适性差。
技术实现思路
本专利技术提出一种新型悬臂梁结构,在梯形悬臂梁的基础上,利用折线形结构的转动惯量来进一步改善压电悬臂梁结构的应变分布。本专利技术采用的技术方案如下:一种折线形结构压电悬臂梁式振动能量回收装置,包括悬臂梁和折线形质量块;所述悬臂梁包括基板和布置于所述基板上的压电材料;所述折线形质量块包括两个质量块和连接所述两个质量块的连接板;所述两个质量块中的一个质量块固定于所述悬臂梁的自由端。进一步地,所述折线形质量块在振动状态时,在所述悬臂梁的自由端产生弯矩。进一步地,通过控制所述两个质量块的质量比,使所述悬臂梁的纵向应变分布趋向均匀。进一步地,所述两个质量块的质量比值为0.8~2.0。优选地,所述两个质量块的质量比值为1.2。进一步地,所述折线形质量块具有两种基本模态:模态1是两个质量块运动方向相反的旋转运动,模态2是两个质量块运动方向相同的上下运动。进一步地,所述基板的材料为不锈钢;所述连接板为两条铝合金薄板;所述压电材料为压电陶瓷。各部件也可以采用它合适的材料。进一步地,所述悬臂梁可以为梯形梁、矩形梁或变厚度梁。与现有技术相比,本专利技术的有益效果如下:本专利技术提出了一种用于环境振动能量回收的新型压电悬臂梁结构。这种压电悬臂梁由悬臂梁与折线形结构复合组成。悬臂梁部分由基板与PZT-4等压电陶瓷组成。折线形结构包含两个分离的质量块,可以提供较大的转动惯量。当该结构处于振动状态时,折线形结构可以在悬臂梁的自由端产生弯矩。通过选择两个质量块合适的质量比,使悬臂梁的纵向应变分布趋向均匀,并且使得整体结构在不同振动模态下的输出表现更为优秀,可以有效地提高压电材料的利用率。本专利技术分析了该结构并制作了原型进行测试,实验结果与模拟结果保持一致。附图说明图1.折线形结构梯形压电悬臂梁的结构示意图图2.振动模态示意图,其中(a)为振动模态1,(b)为振动模态2。图3.不同质量比条件下输出电压随振动频率的变化曲线图。图4.沿着基板伸长方向上的应力分布曲线图。图5.输出电压随负载电阻的变化示意图(质量比为1.2,振动频率为160Hz)。图6.输出功率随负载电阻的变化示意图(质量比为1.2,振动频率为160Hz)。具体实施方式下面通过具体实施例和附图,对本专利技术做进一步详细说明。本实施例提出了一种压电悬臂梁式振动能量回收装置,采用新型悬臂梁结构,在梯形悬臂梁的基础上,利用折线形结构的转动惯量来进一步改善压电悬臂梁结构的应变分布。ComsolMultiphysics分析表明,两个质量块的在合适的质量比下,可以优化梯形悬臂梁的应变分布。本实施例设计的折线形梯形压电悬臂梁如图1所示,由梯形悬臂梁与折线形质量块结构复合组成。梯形悬臂梁是由不锈钢基板1和PZT-4压电陶瓷2构成,基板与压电陶瓷粘接在一起。折线型质量块结构是由两条铝合金薄板3连接两块分离的质量块4和5构成,其中一个质量块(图1中的4)固定于梯形悬臂梁的自由端。折线型质量块结构拥有多个振动模态,在本实施例的研究中,采用的是两种基本模态,图2中的(a)图与(b)图分别为模态1与模态2。通过控制分离质量块的质量比,折线形质量块结构可以在梯形悬臂梁的自由端产生交变的弯矩载荷。应用ComsolMultiphysics软件进行有限元模拟,表1给出了模型的参数,其中L1~L8的符号意义见图1,Thickness是不锈钢基板的厚度。令折线形结构的两个质量块的质量比(m1/m2,其中m1为图1中质量块4的质量,m2为图1中质量块5的质量)取不同值,梯形悬臂梁的输出特性有较大变化。图3显示了悬臂梁结构的输出电压随质量比的变化曲线。从图中可以看出,当质量比为1.2时,该结构的输出电压在振动频率为132Hz与339Hz时分别可达10.33V与34.18V。表1.模型参数L1L2L3L4L515mm25mm18mm16mm40mmL6L7L8Thickness50mm3mm5mm1mm由模态示意图(图2)可以看出,该结构的模态1是两个质量块运动方向相反的旋转运动,模态2是两个质量块运动方向相同的上下运动,这两种模态均可以使梯形悬臂梁的应变分布趋向均匀。由图3不难看出,模态2下的输出电压更大(图3中每条曲线有两个峰值,第二个峰值对应的是模态2下的输出电压)。当对该结构施加一个振动激励:a(t)=ag×sin(2πf0t)其中,aa=1.0g,f0=160Hz,t表示时间。通过仿真可获得梯形悬臂梁基板表面的应力数据。为了进行比较,模拟了一个在自由端附着质量块的传统梯形悬臂梁。在折线形结构和传统梯形悬臂梁结构中,压电陶瓷和基板的材料与尺寸完全相同。图4是沿着基板伸长方向上的应力分布图。从曲线上可以看到,忽略边缘效应,仿真的折线形结构的应变范围为0.44με到0.81με,传统梯形悬臂梁基板的应变范围为0.99με到5.28με。折线形结构的应力分布趋向于一致,这一结果比传统的梯形悬臂梁结构要好的多。图5是输出电压随负载电阻的变化示意图(质量比为1.2,振动频率为339Hz),当负载电阻为48kΩ时,输出电压最高达63.1V。图本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种折线形结构压电悬臂梁式振动能量回收装置,其特征在于,包括悬臂梁和折线形质量块;所述悬臂梁包括基板和布置于所述基板上的压电材料;所述折线形质量块包括两个质量块和连接所述两个质量块的连接板;所述两个质量块中的一个质量块固定于所述悬臂梁的自由端。

【技术特征摘要】
1.一种折线形结构压电悬臂梁式振动能量回收装置,其特征在于,包括悬臂梁和折线形质量块;所述悬臂梁包括基板和布置于所述基板上的压电材料;所述折线形质量块包括两个质量块和连接所述两个质量块的连接板;所述两个质量块中的一个质量块固定于所述悬臂梁的自由端。2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述折线形质量块在振动状态时,在所述悬臂梁的自由端产生弯矩。3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,通过控制所述两个质量块的质量比,使所述悬臂梁的纵向应变分布趋向均匀。4.根据权利要求3所述的装置,其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员:廖擎玮方鸣伟雷欧冉知桐秦雷王丽坤
申请(专利权)人:北京信息科技大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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