本发明专利技术涉及一种多方向宽频带压电能量收集器，属于能量采集领域。该能量收集器包括基座、悬臂梁、压电陶瓷、质量块、第一电极和第二电极和导线；固定基座的顶面是绝缘层，侧面是可导电的长方体；悬臂梁的底端固定在基座上；压电陶瓷位于悬臂梁的内侧和外侧；质量块与压电悬臂梁一一对应，并固定于悬臂梁顶端内侧压电陶瓷上；第一电极和第二电极分别连接压电陶瓷。本发明专利技术提出的多方向宽频带压电能量收集器，能多方向收集环境中具有一定频带宽度的振动源能量，有效拓宽了工作频率宽度，同时提高了能量收集效率，而且可达到轻量化、易集成化，扩宽了能量收集的适用范围，增强了实用性。
【技术实现步骤摘要】
一种多方向宽频带压电能量收集器
本专利技术属于能量采集
，涉及一种多方向宽频带压电能量收集器。
技术介绍
无线传感器网络节点的供能已经成为了制约无线传感器网络发展的重大瓶颈。由于部署在不同应用场合的传感器越来越多，如果采用传统化学电池供电，则需要越来越多的工作人员不定期的进行更换和充电，这会大大增加人力成本。同时，传统化学电池的使用还会对环境造成极大的污染。在寻找传感器供能新方式上，有许多的选择，比如太阳能电池供电、热能供电、风能供电、振动能供电等。由于振动能在环境中广泛存在，所以振动能供电相比于其他几种供电方式不太容易受到环境的影响，更适合应用于无线传感器网络。生活中的振动能是比较丰富的，洗衣机、微波炉、冰箱等电器运行时会产生振动，人的行走会引起木板振动，车在公路上飞驰会引起路面的振动，类似的振动还有很多，总之振动是无处不在的。振动能具有普遍存在、清洁环保的特点，因此研究振动能量收集技术，设计振动能量收集器并将其应用于无线传感网络是非常有意义的。压电式振动能量收集器基于正压电效应，当压电材料受到振动源激励时，会产生相应的振动，压电材料表面因极化效应而聚集电荷，通过能量收集接口电路和电源管理电路将压电材料产生的电能转化为可以供给无线传感器使用的电能。环境中的振动能多种多样，具有宽频带和随机性的特征，而传统的压电振动能量收集器具有工作频带窄、振动方向单一的缺点，不能充分利用环境中的振动能，所以不能很好的解决无线传感器网络节点的供能问题。因此亟需一种多方向宽频带压电能量收集器。
技术实现思路
<br>有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于多方向宽频带压电能量收集器，实现了对外界的振动能量通过多方向的压电悬梁臂进行能量转换输出。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种多方向宽频带压电能量收集器包括固定基座、悬臂梁、压电陶瓷、质量块、第一电极和第二电极和导线；固定基座的顶面是绝缘层，侧面是可导电的长方体；悬臂梁的底端是固定在固定基座上；压电陶瓷位于悬臂梁内侧和外侧；质量块与悬臂梁匹配对应，并固定于悬臂梁顶端内侧压电陶瓷上；第一电极和第二电极分别连接在压电陶瓷上；导线分别连接对应悬臂梁的内侧压电陶瓷。可选地，质量块的质量是根据悬臂梁的固有频率和实际环境的振动频率范围运用公式计算得到，其中m表示单所述悬臂梁的等效质量，k表示该单所述悬臂梁的等效刚度，c表示该单所述悬臂梁的等效阻尼，Ee、E分别表示所述压电陶瓷的弹性模量、金属片的弹性模量，假设单所述悬臂梁末端质量块的质量为mm，lr为所述单悬臂梁的有效工作长度，金属片的密度为ρ，长度为l，宽度为w，高度为h；所述压电陶瓷的密度为ρe，长度为le，宽度为we，高度为he；所述质量块的密度为ρm，长度为lm，宽度为wm，高度为hm。可选地，悬臂梁是阵列式分布且有八个，形状为矩形，材料为铝合金，长度为60mm，宽度为10mm，厚度为0.2mm，对称的分布在固定基座上，且拥有不同谐振频率。可选地，压电陶瓷材料为PZT-5H，厚度为0.2mm，均匀的粘在压电悬臂梁的内外侧。可选地，第一电极和第二电极分为正负电极，且对应连接在悬臂梁上，第二电极在外侧压电陶瓷上，第一电极在内侧压电陶瓷上。可选地，导线为普通导线，将八个阵列式分布的悬臂梁内侧的压电陶瓷连接在一起，使之串联输出能量。可选地，第二电极与固定基座侧边的导电面连接。可选地，固定基座材料为铜和铝，顶面为绝缘层，侧面是导电面。相对于现有技术，本专利技术提供的一种宽频压电振动能量收集装置具有以下优点和有益效果：1、通过固定基座获取振动能量，由于悬臂梁连接固定基座，获得传递的机械能产生形变，利用悬臂梁上的压电陶瓷进行能量收集，避免了摩擦，减少了能量转换的浪费，提高了器件的耐久性。2、采用了一个固定基座和八个压电悬臂梁一起组成了一个阵列，通过改变压电悬梁臂顶端的质量块可以改变压电悬梁臂的固有频率，从而让整个振动能量收集装置达到拓宽频带的目的。3、通过在固定基座的侧面四个方向都设置压电悬梁臂，可以接收到多个方向的振动源激励，以实现多方向的振动能量收集。4、采用不同谐振频率的压电悬臂梁，当振动源频率在悬臂梁谐振频率范围内变化时，总有一个或多个悬臂梁产生不同的形变，避免了因调节谐振频率导致电压间断性输出的问题，可以得到连续输出的有效电压，更能适应频率变化快的振动环境。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为本专利技术优选实施例的三维结构示意图；图2为基于多方向宽频带压电能量收集器的压电悬臂梁的截面图；图3为基于多方向宽频带压电能量收集器的工作示意图；附图标记：1为固定基座、2为悬臂梁、3为压电陶瓷、4为质量块、5为第一电极、6为第二电极、7为导线。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。请参阅图1～图3，图1为本专利技术基于多方向宽频带压电能量收集器的立体结构，包括：固定基座1、八个阵列式分布的悬臂梁2、压电陶瓷3、质量块4、电极5、6和导线7。八个阵列式分布的悬臂梁2的底端是固定在的固定基座上；压电陶瓷3位于八个阵列式分布的悬臂梁2内侧和外侧；质量块4与所述八个阵列式分布的压电悬臂梁2一一对应，并固定于悬臂梁2顶端内侧压电陶瓷3上；电极5、6分别连接在压电陶瓷3上；导线7连接八个阵列式分布的悬臂梁2的内侧压电本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多方向宽频带压电能量收集器，其特征在于，包括固定基座(1)、悬臂梁(2)、压电陶瓷(3)、质量块(4)、第一电极(5)、第二电极(6)和导线(7)；所述固定基座(1)的顶面是绝缘层，侧面是可导电的长方体；所述悬臂梁(2)的底端是固定在所述固定基座(1)上；所述压电陶瓷(3)位于所述悬臂梁(2)内侧和外侧；所述质量块(4)与所述悬臂梁(2)匹配对应，并固定于所述悬臂梁(2)顶端内侧所述压电陶瓷(3)上；所述第一电极(5)和所述第二电极(6)分别连接在所述压电陶瓷上；所述导线(7)分别连接对应所述悬臂梁(2)的内侧所述压电陶瓷(3)。/n
【技术特征摘要】
1.一种多方向宽频带压电能量收集器，其特征在于，包括固定基座(1)、悬臂梁(2)、压电陶瓷(3)、质量块(4)、第一电极(5)、第二电极(6)和导线(7)；所述固定基座(1)的顶面是绝缘层，侧面是可导电的长方体；所述悬臂梁(2)的底端是固定在所述固定基座(1)上；所述压电陶瓷(3)位于所述悬臂梁(2)内侧和外侧；所述质量块(4)与所述悬臂梁(2)匹配对应，并固定于所述悬臂梁(2)顶端内侧所述压电陶瓷(3)上；所述第一电极(5)和所述第二电极(6)分别连接在所述压电陶瓷上；所述导线(7)分别连接对应所述悬臂梁(2)的内侧所述压电陶瓷(3)。
2.根据权利要求书1所述的一种多方向宽频带压电能量收集器，其特征在于，所述能量收集器是通过固定基座(1)获取振动能量，且所述固定基座(1)材料为铜和铝，顶面为绝缘层，侧面是导电面。
3.根据权利要求书1所述的一种多方向宽频带压电能量收集器，其特征在于，所述质量块(4)的质量是根据所述悬臂梁(2)的固有频率和实际环境的振动频率范围运用两个公式
计算得到，其中m表示单所述悬臂梁的等效质量，k表示该单所述悬臂梁的等效刚度，c表示该单所述悬臂梁的等效阻尼，Ee、E分别表示所述压电陶瓷的弹性模量、金属片的弹性模量，假设单所述悬臂梁末端质量块的质量为mm，lr为所述单悬臂梁的有效工作长度，金属片的密...
【专利技术属性】
技术研发人员：严冬，李雪锋，贺开俊，张佳佳，黄守乾，古静，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50
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