本实用新型专利技术公开了一种压电能量收集装置、系统及使用该装置的发电鞋，所述装置包括固定座；固设于固定座上的导杆和压电悬臂梁；滑动地安装于导杆上的碰撞体；固设于压电悬臂梁的自由端的、用于与滑动的碰撞体发生碰撞以使压电悬臂梁振动并发电的碰撞块。一种压电能量收集系统，所述系统包括如上所述的压电能量收集装置及电连接于所述压电悬臂梁的储电装置。一种发电鞋，由鞋底和鞋帮组成，鞋帮内嵌设有如上所述的压电能量收集装置。本实用新型专利技术的压电能量收集装置通过采用滑动设置的碰撞体与设于压电悬臂梁的悬空自由端的碰撞块产生碰撞的技术手段，实现了收集低频振动能量并转换为高频振动能量的技术效果，在低频振动环境下获得较大的输出功率，结构简单，体积小巧，可在较宽的环境振动频率范围内输出稳定的功率。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及压电材料能量转化与收集
，尤其涉及一种压电能量收集装置、系统及使用该装置的发电鞋。
技术介绍
采用能量收集装置从周围获取能量，并将其转换为有用的电能从而取代电池作为一种新的供电方式越来越引起人们的重视，这些能量包括太阳能、热能、电磁能以及机械能等，其中，机械能中的机械振动能来源广泛，如风力、旋转机械、液体流动及人的运动等。与电池供电相比，这种自供电方式可以减少污染和降低因更换电池导致的维护成本以及因耗尽电能带来的工作故障。尤其是，将人体运动产生的动能转换为电能并对嵌入式的微电子设备或人体健康监测传感器供电也引起很多研究者的兴趣。将机械振动能转换为电能所采用的方法一般有三种压电式、静电式和电磁式，其中，基于压电振动的微能量收集方式由 于结构简单、体积小而得到广泛地应用。压电材料之所以能将机械振动转换为电能，是因为在外力的作用下压电材料产生变形，它的表面会出现异号极化电荷从而产生电场，它具有较高的能量密度，无需单独的电源，将这种利用压电效应而产生能量的装置称为压电微能量收集器(piezoelectric micro power generator, PMPG)。典型压电能量收集装置一般都采用三层机构的矩形悬臂梁，上下两层为压电材料，中间的金属层用于提高结构刚性。但是，由于工作环境中的振动形式通常具有频率偏低、频率成分多的特点，振动结构所需要的高频频率(IOOHf300Hz )难以与外部环境所存在的低频频率(低于IOHz)匹配，使得振动结构工作在非谐振状态而能量收集效果急剧下降。
技术实现思路
本技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种碰撞式压电能量收集装置、系统及发电鞋，从实际工作环境中收集低频振动能量并转换为高频振动能量。为了解决上述技术问题，本技术实施例提出了一种压电能量收集装置，包括固定座；固设于固定座上的导杆和压电悬臂梁；滑动地安装于导杆上的碰撞体；固设于压电悬臂梁的自由端的、用于与滑动的碰撞体发生碰撞以使压电悬臂梁振动并发电的碰撞块。进一步地，所述碰撞块的碰撞端与碰撞体的接触面为外凸式的圆滑曲面。进一步地，所述圆滑曲面为两个邻接的弧形曲面，靠近压电悬臂梁的固定端的弧形曲面所对应的圆弧的半径小于远离所述固定端的弧形曲面所对应的圆弧的半径。进一步地，所述碰撞体为圆球体或椭球体。进一步地，所述压电悬臂梁与所述导杆平行设置。进一步地，所述碰撞块对应于导杆的中间位置。进一步地，所述固定座包括方管；设于方管的两端、由导杆依次穿过并通过在导杆的设螺纹的一端安装螺母以进行紧固的端盖；及固定于方管的外表面的垫片，压电悬臂梁的固定端固设于垫片上。进一步地，固定座还包括固设于方管的对应于压电悬臂梁一侧的、用于保护压电悬臂梁的防护罩。相应地，本技术实施例还提供了一种压电能量收集系统，所述系统包括如上所述的压电能量收集装置及电连接于所述压电悬臂梁的储电装置。同时，本技术实施例还提供了一种发电鞋，由鞋底和鞋帮组成，鞋帮内嵌设有如上所述的压电能量收集装置。本技术实施例的压电能量收集装置、系统及发电鞋的有益效果是通过采用滑动设置的碰撞体与设于压电悬臂梁的自由端的碰撞块产生碰撞的技术手段，从而将碰撞体的低频振动转换为高频的压电悬臂梁的振动，实现了收集低频振动能量并转换为高频振动能量的技术效果，在低频振动环境下获得较大的输出功率，结构简单，体积小巧，可在较宽的环境振动频率范围内输出稳定的功率。附图说明图I是本技术实施例的压电能量收集装置的整体结构示意图。图2是本技术实施例的压电能量收集装置的分解示意图。图3是本技术实施例的压电能量收集装置的原理示意图。图4是本技术实施例的碰撞体的去程碰撞时的力学分析示意图。图5是本技术实施例的碰撞体的回程碰撞时的力学分析示意图。具体实施方式请参考图f图3，本技术实施例提供了一种压电能量收集装置，包括固定座10、固设于固定座10上的导杆20、滑动地安装于导杆20上的碰撞体30、呈悬臂梁式设置于固定座10上的压电悬臂梁40及固设于压电悬臂梁40上的碰撞块50。所述固定座10包括方管11、固设于方管11两端的端盖13、固定于方管11的外表面的垫片15及防护罩17。方管11为横截面为四方形的长管。端盖13与方管11相互匹配地设于方管11的两端，端盖13的中间设有通孔，两通孔由导杆20依次穿过并通过在导杆20的设螺纹的一端安装螺母21以进行紧固。垫片15固定于方管11的外表面，压电悬臂梁40固设于垫片15上。垫片15的高度可根据需要调整更换，以调整碰撞块50与碰撞体30的高度差至预定值。防护罩17固设于方管11的对应于压电悬臂梁40 —侧，用于保护压电悬臂梁40，防止外力破坏，还可以防止压电悬臂梁40振动时变形过大而破裂。导杆20的一端为阻止端，用于防止端盖13脱落，另一端设有螺纹，用于安装螺母21。组装时，导杆20的设螺纹的一端依次穿过一端盖13的通孔、碰撞体30及另一端盖13的通孔后在设螺纹的一端安装螺母21，从而将端盖13、导杆20及方管11紧固为一体。其中，由于整个压电能量收集装置是便携式的，为减轻重量，方管11、端盖13、导杆20及碰撞块50均采用铝材料。碰撞体30为圆球体或椭球体，本实施方式中，采用圆球体。碰撞体30中设有供导杆20穿过的穿孔，且采用金属材料制成，作为一种优选的实施方式，采用钢材料制成，以增加质量进而增大动量，从而增大冲量使得压电悬臂梁40易发生弯曲变形。压电悬臂梁40呈悬臂梁式设置于固定座10上，包括固定端41和自由端43，固定端41固设于垫片15上。压电悬臂梁40与所述导杆20平行设置，包括一金属层和固设于金属层上的至少一个压电层，压电层上设有用于电连接的电极(图中未不)。本实施方式中，压电悬臂梁40包括设于中间的金属层和两个分别固设于金属层上、下表面的压电层。碰撞块50固设于压电悬臂梁40的自由端43,对应于导杆20的中间位置,也即在静止状态下，碰撞块50悬置于导杆20的中间位 置的上方。碰撞块50用于与碰撞体30发生碰撞以使压电悬臂梁40振动并发电。在第一实施方式中，所述碰撞块50的碰撞端与碰撞体30的接触面为外凸式的圆滑曲面，此种设计可以保证碰撞体30在顶起压电悬臂梁40后很轻易地向前继续移动，此时压电悬臂梁40在自身的谐振频率下做衰减振动。当碰撞体30在外力作用下连续地往复运动时，压电悬臂梁40便会持续地发生弯曲变形，不断地做衰减振动。在第二实施方式中，与第一实施方式更进一步的是，所述圆滑曲面为两个邻接的弧形曲面，靠近压电悬臂梁40的固定端41的弧形曲面所对应的圆弧的半径小于远离所述固定端41的弧形曲面所对应的圆弧的半径。请一并参考图4和图5，碰撞体30的半径为Rb，靠近固定端41的圆弧对应的半径为Rs,远离固定端41的圆弧对应的半径为Rl,碰撞时作用力沿相接触的两圆弧切点处的法线方向，该作用力可以分解为水平方向(X方向)和竖直方向(y方向)的两个分力，主要是利用竖直方向的分力向上顶起压电悬臂梁40，使得压电悬臂梁40发生弯曲变形，从而在碰撞体30滑过后也即作用力消除后产生振动而发电。而Rs小于Rb,即碰撞块50的碰撞端与碰撞体30的接触面对应的纵向截面为非对称形状,在碰撞体30往复运动本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种压电能量收集装置，其特征在于，所述装置包括：固定座；固设于固定座上的导杆和压电悬臂梁；滑动地安装于导杆上的碰撞体；固设于压电悬臂梁的自由端的、用于与滑动的碰撞体发生碰撞以使压电悬臂梁振动并发电的碰撞块。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：魏胜，胡泓，
申请(专利权)人：深圳职业技术学院，
类型：实用新型
国别省市：
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