一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构制造技术

本发明专利技术涉及一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构，包括两个相互平行的固定支座，两个所述固定支座之间设置有多个单体悬臂梁压电取能装置，任意相邻的两组单体悬臂梁压电取能装置紧密拼合形成锯齿状结构。其一方面通过三角形压电悬臂梁结构牺牲部分功率输出提高带宽，另一方面通过添加介电材料的阵列结构使得装置整体带宽提升。整个过程通过压电取能的方式完成了对振动能量的获取，实现了振动环境中机

【技术实现步骤摘要】
一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构


[0001]本专利技术涉及振动取能
，尤其是涉及一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构。

技术介绍

[0002]振动能量作为一种绿色可再生能源，如何将其转换利用已经成为了国内外许多学者的研究重点。根据振动能量转换为电能的不同原理，振动取能装置主要分为电磁式、静电式和压电式三种。电磁式是根据电磁转换原理设计的振动能量收集装置，基于法拉第电磁感应定律将振动能量换为电能，其主要结构为永磁体和闭合线圈。其工作原理为振动引起闭合线圈回路与永磁体形成相对运动，穿过闭合线圈回路的磁通量发生变化会产生感应电动势，从而产生感应电流。
[0003]但基于电磁转换的振动能量收集技术输出电压低，装置体积较大，存在明显的电磁干扰等缺点。静电式是根据静电转换原理设计的振动能量收集装置，基于静电效应将振动能量转换为电能，其主要结构为平行板电容器。此类装置在进行能量采集之前需要提供外部电源，以在可变电容之间产生电压差，进而感知振动激励引起极板间距或相对位置的变化，使电容值发生相对改变。但是该方式明显的缺陷是需要外部电源作为初始电压，不能完全实现自供能，此外其输出为高电压、低电流和高输出阻抗，能量收集装置的加工工艺比较复杂，效率较低。
[0004]目前，采用压电式振动取能技术是研究的热点，其根据压电转换原理利用压电材料在某一特定方向受到力时，材料会发生形变导致其内部产生极化现象，并在其表面产生等量异号的极化电荷，因而将振动能量转换为电能。压电式相比较于电磁式与静电式，其结构简单，具有容易实现装置小型化、机电转换性能好和能量密度高等优点。当压电材料受到机械应变时，它会产生电荷值与施加的应力成正比，压电能量收集器必须在其谐振频率下被激发。在共振时，可达到最大功率。
[0005]目前已经研究了许多技术来调整能量收集器的共振频率，但共振条件的偏差会导致突然产生的功率下降。因此，实现频率调谐对压电能量收集器的输出至关重要。另一方面，压电能量收集器的主要缺点是它们窄带宽，尽管需要窄带宽才能提供高输出功率，但是这种有限的带宽使得能量收集的实施设备很难使其适用于现实生活中的应用。
[0006]最近的研究集中在解决压电能量收集器窄带宽的问题上，主要使用三种技术来实现压电能量收集器的带宽展宽。第一种技术是谐振频率调谐，它是基于调节刚度或预紧力来达到所需频率。第二种技术是多模态能量收集，它使用多自由度。这种技术针对不同时间的多个振动频率。第三种技术是利用不同谐振频率的压电悬臂梁构造阵列。它用于同时从不同的频率采集电能。该方法具有增加或消除单个压电悬臂梁的灵活性，是目前应用最广泛的一种方法。
[0007]阵列中的每一个压电悬臂梁都有不同的共振频率，并且每一个悬臂梁都可通过改变使用的质量块或改变悬臂梁几何尺寸来调整。但是在许多情况下，阵列带宽不能通过增
加悬臂梁的数量来增加。原因是当阵列数量增加时，产生的输出功率小于整个系统最大功率的一半。由于输出功率是频率的函数和结构的技术参数，如长度或厚度的任何微小变化都会引起其共振频率的显著位移。因而寻求一种可靠的带宽扩展压电取能方式对于压电取能的实际运用至关重要。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构，通过三角形压电悬臂梁结构牺牲部分功率输出提高带宽，并利用介电材料改变谐振频率位置，使得阵列式结构扩展装置整体带宽。该取能结构具有成本低、稳定性高、带宽扩展明显等优点，弥补了以往取能装置复杂、取能效率低等问题。
[0009]本专利技术的上述专利技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0010]一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构，包括两个相互平行的固定支座，两个所述固定支座之间设置有多个单体悬臂梁压电取能装置，任意相邻的两组单体悬臂梁压电取能装置紧密拼合形成锯齿状结构。
[0011]本专利技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述单体悬臂梁压电取能装置的数量配置为五组，五组单体悬臂梁压电取能装置在两个所述固定支座之间依次紧密拼合形成锯齿状结构。
[0012]本专利技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述单体悬臂梁压电取能装置呈三角形状。
[0013]本专利技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述单体悬臂梁压电取能装置包括基板以及分别固定在所述基板两侧的压电材料层，其中一侧的所述压电材料层上开设有缺口，所述缺口用于添加介电材料。
[0014]本专利技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述压电材料层上固定有质量块，所述质量块用于降低装置的固有频率。
[0015]本专利技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述压电材料层采用溶胶凝胶法制备的锆钛酸铅系列材料，所述基板为钢材料。
[0016]本专利技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述介电材料为二氧化硅材料。
[0017]本专利技术在一较佳示例中可以进一步配置为：所述质量块为金属材料。
[0018]本专利技术在一较佳示例中可以进一步配置为：在此阵列结构中，每个单体悬臂梁压电取能装置不同点在于所述介电材料部分会发生位移，每段位移相差一个介电材料身位，从而达到固有频率的相对移动。
[0019]综上所述，本专利技术包括以下至少一种有益技术效果：
[0020]本专利技术公开了一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构，其一方面通过三角形压电悬臂梁结构牺牲部分功率输出提高带宽，另一方面通过添加介电材料的阵列结构使得装置整体带宽提升。整个过程通过压电取能的方式完成了对振动能量的获取，实现了振动环境中机
‑
电的转换，同时装置具备宽带宽适应更复杂的实际环境。其设计简单、易于制作、取能效果好、稳定性高、带宽扩展明显。通过提出的三角形阵列式带宽扩展结构，提高了装置稳定性的同时也使得带宽扩展能力大大提升。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的整体结构示意图。
[0022]图2为本专利技术的俯视图。
[0023]图3为本专利技术的主视图。
[0024]附图标记：1、固定支座；2
‑
1、压电材料层；2
‑
2、压电材料层；3、介电材料；4、基板；5、质量块。
具体实施方式
[0025]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0026]在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”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申请和简化描述，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，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0027]在本申请的描述中，需本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构，包括两个相互平行的固定支座(1)，其特征在于，两个所述固定支座(1)之间设置有多个单体悬臂梁压电取能装置，任意相邻的两组单体悬臂梁压电取能装置紧密拼合形成锯齿状结构。2.根据权利要求1所述的一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构，其特征在于，所述单体悬臂梁压电取能装置的数量配置为五组，五组单体悬臂梁压电取能装置在两个所述固定支座(1)之间依次紧密拼合形成锯齿状结构。3.根据权利要求1
‑
2任一项所述的一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构，其特征在于，所述单体悬臂梁压电取能装置呈三角形状。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的一种基于压电取能的阵列式带宽扩展结构，其特征在于，所述单体悬臂梁压电取能装置包括基板(4)以及分别固定在所述基板(4)两侧的压电材料层，其中一侧的所述压电材料层上开设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，赖明聪，刘鹏，俞杰，裴蕴智，
申请(专利权)人：中光华研电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：