申请/专利权人：南京邮电大学

申请日：2018-05-02

公开（公告）日：2024-03-29

公开（公告）号：CN108448934B

主分类号：H02N2/18

分类号：H02N2/18

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.29#授权;2018.09.18#实质审查的生效;2018.08.24#公开

摘要：本发明揭示了一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，该压电式能量收集器包括三个悬臂梁，第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁依次套设，第一悬臂梁的半径为R1，第二悬臂梁的半径为R2，第三悬臂梁的半径为R3，第一悬臂梁的半径R1小于第二悬臂梁的半径R2，第二悬臂梁的半径R2小于第三悬臂梁的半径R3；所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的左端均与固定质量块连接，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的右端均与金属固定端连接。本技术方案的三阶智能圆弧型压电能量收集器可在特定结构下可进行能量吸收的多维度调节，在实现大频率范围内振动能量吸收的同时，又可以将频率控制于一点输出高功率。

主权项：1.一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：包括三个悬臂梁，第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁依次套设，所述第一悬臂梁的半径为R1，第二悬臂梁的半径为R2，第三悬臂梁的半径为R3，第一悬臂梁的半径R1小于第二悬臂梁的半径R2，第二悬臂梁的半径R2小于第三悬臂梁的半径R3；所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的左端均与固定质量块连接，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的右端均与金属固定端连接；所述第一悬臂梁为弧度为180度的第一圆弧型薄片，所述第一圆弧型薄片上附着设置有一阶压电层，所述一阶压电层为一圆弧型材料层，所述第一圆弧型薄片的左端与第一固定质量块连接，所述第一圆弧型薄片的上方活动地设置有第一可调质量块；所述第二悬臂梁为弧度为180度的第二圆弧型薄片，所述第二圆弧型薄片上附着设置有二阶压电层，所述二阶压电层为一圆弧型材料层，所述二阶压电层的弧度为160度，所述第二圆弧型薄片的左端与第二固定质量块连接，所述第二圆弧型薄片的上方活动地设置有第二可调质量块；所述第三悬臂梁为弧度为180度的第三圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片上附着设置有三阶压电层，所述三阶压电层为一圆弧型材料层，所述第三圆弧型薄片的左端与第三固定质量块连接，所述第三圆弧型薄片的上方活动地设置有第三可调质量块。

全文数据：一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器技术领域[0001]本发明涉及一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，属于能量收集技术领域。背景技术[0002]压电能量收集器利用压电效应方式将周围环境中无法直接利用的机械能转换为可以直接利用的电能。目前常用的压电式能量收集器通常为直型结构，在该结构下虽然可以起到能量收集的作用，但是实验表明可收集的能量频率范围较小，输出电势较低。除此之夕卜，直型结构的压电能量收集器还有稳定性低、空间利用率少等一系列缺陷。双自由度圆弧压电式能量收集器通过外界振动施加于质量块顶面或侧面，悬梁振动形变，压电层产生电势。[0003]高性能圆弧型压电能量收集器在一定的弧度下输出高电势，一阶频率大，多阶带宽长。双自由度圆弧型压电式能量收集器在一定的弧度下产生高电势一阶频率小，多阶带宽短，但两者均解决了能量吸收方向的单一性，可以吸收质量块顶面和侧面方向的振动能量，但上述两者结构结构复杂、加工困难，不易于MEMS集成、不能同时兼备高性能与双自由度技术的优势。发明内容[0004]本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器。[0005]本发明的目的将通过以下技术方案得以实现:一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，包括三个悬臂梁，第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁依次套设，所述第一悬臂梁的半径为Rl，第二悬臂梁的半径为R2,第三悬臂梁的半径为R3,第一悬臂梁的半径Rl小于第二悬臂梁的半径R2,第二悬臂梁的半径R2小于第三悬臂梁的半径R3。[0006]优选地，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的左端均与固定质量块连接，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的右端均与金属固定端连接。[0007]优选地，所述第一悬臂梁为弧度为180度的第一圆弧型薄片，所述第一圆弧型薄片上附着设置有一阶压电层，所述一阶压电层为一圆弧型材料层，所述第一圆弧型薄片的左端与第一固定质量块连接，所述第一圆弧型薄片的上方活动地设置有第一可调质量块。[0008]优选地，所述第二悬臂梁为弧度为180度的第二圆弧型薄片，所述第二圆弧型薄片上附着设置有二阶压电层，所述二阶压电层为一圆弧型材料层，所述二阶压电层的弧度为160度，所述第二圆弧型薄片的左端与第二固定质量块连接，所述第二圆弧型薄片的上方活动地设置有第二可调质量块。[0009]优选地，所述第三悬臂梁为弧度为180度的第三圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片上附着设置有三阶压电层，所述三阶压电层为一圆弧型材料层，所述第三圆弧型薄片的左端与第三固定质量块连接，所述第三圆弧型薄片的上方活动地设置有第三可调质量块。[00Ί0]优选地，所述第一圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度;所述第二圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度;所述第三圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度，所述第一圆弧型薄片与第二圆弧型薄片之间的间隔为1mm，所述第二圆弧型薄片与第三圆弧型薄片之间的间隔为1mm。[0011]优选地，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。[0012]优选地，所述第一固定质量块、第二固定质量块和第三质量块均采用镍材料制成，所述第一可调质量块、第二可调质量块和第三可调质量块均采用镍材料制成，所述第一固定质量块和第一可调质量块的长、宽、高均为IOmm;所述第二固定质量块和第二可调质量块的长、宽、高均为IOmm;所述第三固定质量块和第三可调质量块的长、宽、高均为l〇mm。[0013]优选地，所述一阶压电层、二阶压电层和三阶压电层均为PZT-5H。[0014]优选地，所述一阶压电层的弧度为160度，所述一阶压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm;所述二阶压电层的弧度为160度，所述二阶压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm;所述三阶压电层的弧度为160度，所述三阶压电层的内径为20mm，夕卜径为30mm，厚度为0.3mm。[0015]本发明技术方案的优点主要体现在：本技术方案的三阶智能圆弧型压电能量收集器可在特定结构下可进行能量吸收的多维度调节，在实现大频率范围内振动能量吸收的同时，又可以将频率控制于一点输出高功率。[0016]本技术方案的三阶智能圆弧型压电能量收集器将三阶压电层级联，能够实现频率在34Hz到90Hz之间的振动能量的吸收，与传统的压电式能量收集装置相比可收集的能量频率范围明显增加。[0017]本技术方案的三阶智能圆弧型压电能量收集器可以分别设计可调质量块的在压电层的位置，将压电层可收集的能量频率控制于一点，实现高功率的能量传输。[0018]由于MEMS是以光刻与溅射工艺为主，所以相比于较传统的双自由度圆弧形压电式能量收集器结构，本技术方案的三阶智能圆弧型压电能量收集器由原先的6层搭建简化为2层，并将质量块与连接片统一简化为圆弧形，这也极大简化了工艺制作过程。[0019]相较于高性能圆弧型压电能量收集器，本技术方案提供的三阶智能圆弧型压电能量收集器，在特定结构下可进行能量吸收的多维度调节。在实现大频率范围内振动能量吸收的同时，又可以将频率控制于一点输出高功率。除此之外，本技术方案还具有易于集成化、微型化等优点。附图说明[0020]图1为本发明的一种三阶智能圆弧型压电能量收集器的结构示意图。[0021]图2为本发明的三阶智能圆弧型压电能量收集器的可调质量块角度的移动示意图。[0022]图3为本发明的三阶智能圆弧型压电能量收集器的能量输出功率与质量块角度的图像。[0023]图4为本发明的三阶智能圆弧型压电能量收集器的能量吸收频率与质量块角度的图像。[0024]图5为本发明的三阶智能圆弧型压电能量收集器的一阶能量输出功率与频率的图像。[0025]图6为本发明的三阶智能圆弧型压电能量收集器的二阶能量输出功率与频率的图像。[0026]图7为本发明的三阶智能圆弧型压电能量收集器的三阶能量输出功率与频率的图像。[0027]图8为本发明的三阶智能圆弧型压电能量收集器的能量输出功率与频率的图像。具体实施方式[0028]本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。[0029]本发明揭示了一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，如图1和图2所示，包括三个悬臂梁，第一悬臂梁1、第二悬臂梁2和第三悬臂梁3依次套设，所述第一悬臂梁的半径为Rl，第二悬臂梁的半径为R2，第三悬臂梁的半径为R3，第三悬臂梁3、第二悬臂梁2和第一悬臂梁1的半径依次递减，具体地，第一悬臂梁的半径Rl小于第二悬臂梁的半径R2,第二悬臂梁的半径R2小于第三悬臂梁的半径R3。[0030]所述第一悬臂梁1、第二悬臂梁2和第三悬臂梁3的左端均与固定质量块4固定连接，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的右端均与金属固定端5连接，所述固定质量块4的弧长L=IOracU高HM=10mm。[0031]具体地，所述第一悬臂梁1为弧度为180度的第一圆弧型薄片，所述第一圆弧型薄片上附着设置有一阶压电层10,所述一阶压电层为一圆弧型材料层，所述第一圆弧型薄片的左端与第一固定质量块连接，所述第一圆弧型薄片的上方活动地设置有第一可调质量块Ilo[0032]所述第二悬臂梁2为弧度为180度的第二圆弧型薄片，所述第二圆弧型薄片上附着设置有二阶压电层20,所述二阶压电层为一圆弧型材料层，所述二阶压电层的弧度为160度，所述第二圆弧型薄片的左端与第二固定质量块连接，所述第二圆弧型薄片的上方活动地设置有第二可调质量块21。[0033]所述第三悬臂梁3为弧度为180度的第三圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片上附着设置有三阶压电层30,所述三阶压电层为一圆弧型材料层，所述第三圆弧型薄片的左端与第三固定质量块连接，所述第三圆弧型薄片的上方活动地设置有第三可调质量块31。所述第一可调质量块与第二可调质量块和第三可调质量块的大小不一样，第三质量块的宽度和长度大于第一可调质量块与第二可调质量块的宽度和长度。[0034]所述悬臂梁采用磷青铜材料制成，具体地，本结构的悬臂梁构型为采用磷青铜材料构成的弧度为180度的圆弧形薄片。所述第一圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度;所述第二圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度;所述第三圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度，基层的厚度HS=O.5mm，所述第一圆弧型薄片与第二圆弧型薄片之间的间隔为1mm，所述第二圆弧型薄片与第三圆弧型薄片之间的间隔为1mm。[0035]所述第一固定质量块、第二固定质量块和第三质量块均采用镍材料制成，所述第一可调质量块、第二可调质量块和第三可调质量块均采用镍材料制成，如图2为可调质量块的角度移动示意图，每个可调质量块的移动角度为〇〜160度。[0036]所述第一固定质量块和第一可调质量块的长、宽、高均为IOmm;所述第二固定质量块和第二可调质量块的长、宽、高均为IOmm;所述第三固定质量块和第三可调质量块的长、宽、高均为10mm。第一可调质量块、第二可调质量块，第三可调质量块的弧长均为L=IOracU高HM=IOmm〇[0037]所述一阶压电层10、二阶压电层20和三阶压电层30均为PZT-5H，具体地，所述一阶压电层、二阶压电层和三阶压电层均为采用PZT-5H为材料构成的弧度为160度的圆弧形薄片。所述一阶压电层的弧度为160度，所述一阶压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm;所述二阶压电层的弧度为160度，所述二阶压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm;所述三阶压电层的弧度为160度，所述三阶压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm。[0038]本技术方案的三阶智能圆弧型压电能量收集器将三阶压电层级联在一起，有效地扩大了收集能量的频率范围。为了突出本发明可收集能量频率范围大这一优势，在质量块顶部施加边界载荷为IOpa的压力作为电压激励，汇总一、2、3号压电层可覆盖的能量吸收频率如下表1所示。[0039]表1压电层可覆盖的能量吸收频率单位:Hz依据上表1可知，最后一个将三阶压电层级联对应本发明的能量吸收频率，本技术方案的三阶智能圆弧型压电能量收集器将三片压电层级联起来，很大程度地扩展了能量收集器可收集能量的频率范围内，与传统的一阶、二阶压电能量收集装置相比较，能够更加广泛的吸收、转化、传输能量。[0040]如图3和图4所示，图3的横坐标为角度，纵坐标为输出功率，图4的横坐标为角度，纵坐标为频率。虽然三片附着在悬臂梁上的压电层均可起到能量收集的作用，但是对于同样的角度而言，压电层可收集的能量频率、传输的能量功率并不相同。[0041]对质量块顶部施加边界载荷为IOpa的压力作为电压激励，变化可调质量块的移动角度，得到一阶、二阶、三阶的输出能量功率与频率的关系曲线分别如图5和图6和图7所示。图5横坐标表示频率，纵坐标表示输出功率，图6横坐标表示频率，纵坐标表示输出功率，图7横坐标表示频率，纵坐标表示输出功率，图8横坐标表示频率，纵坐标表示输出功率，分析图5和图6和图7可知，对于一阶压电层，在频率为50Hz时，有最大功率0.829W;对于二阶压电层，在频率为44Hz时，有最大功率0.454Hz;对于三阶压电层，在频率为37Hz时，有最大功率0.371W。[0042]随着阶数的增加，各阶压电层单独可输出的能量功率不断下降。为了弥补这一缺陷，本技术方案的三阶智能圆弧型压电能量收集器通过移动可调质量块在压电层上的位置，即可调质量块的角度，如图2所示，使得三片压电层所传输的能量频率相等。此时三片压电层上的能量出现共振，总的输出能量功率为三片压电层所传输的能量功率之和，进而实现了将频率控制于特定一点输出高功率的能量传输特性，同时对该频率的能量起到了智能筛选作用，较传统的压电式能量收集装置具有明显的优越性。[0043]为了更好地体现本发明的三阶智能圆弧型压电能量收集器对于特定频率能量的高功率传输优势，不断调节可调质量块的角度，如图2所示，使得各压电层处于同一能量吸收频率，并绘制传输能量传输功率与频率的关系图线如图8所示。由图8可知，在频率为44Hz和50Hz处，有着0.69W和0.96W的高功率输出。该功率值明显高于一、二、三阶电压层单独输出的能量功率，因此本发明的三阶智能圆弧型压电能量收集器高功率传输优势明显。[0044]综上所述，本发明的三阶智能圆弧型能量收集器采用一定弧度的圆弧形结构设计，将三片圆弧形压电层级联。本发明在特定结构下可进行能量吸收的多维度调节，在实现大频率范围内振动能量吸收的同时，又可以将频率控制于一点输出高功率，同时具有输出功率高，可控频率，可控带宽等一系列优点，具有较高的研究价值。[0045]该三阶智能圆弧型压电能量收集器，保留了高性能圆弧形压电能量收集器和双自由度圆弧形压电能量收集器能够吸收顶面和侧面方向的振动能量的优点，此外，该三阶智能圆弧型能量收集器还提供了一种容易加工，简化结构复杂度，易于MEMS集成，也同时具备高性能与双自由度技术优势的结构，作为压电集成芯片的集成单元小模块。[0046]本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：包括三个悬臂梁，第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁依次套设，所述第一悬臂梁的半径为Rl，第二悬臂梁的半径为R2,第三悬臂梁的半径为R3,第一悬臂梁的半径Rl小于第二悬臂梁的半径R2,第二悬臂梁的半径R2小于第三悬臂梁的半径R3。2.根据权利要求1所述的一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于:所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的左端均与固定质量块连接，所述第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁的右端均与金属固定端连接。3.根据权利要求1所述的一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于:所述第一悬臂梁为弧度为180度的第一圆弧型薄片，所述第一圆弧型薄片上附着设置有一阶压电层，所述一阶压电层为一圆弧型材料层，所述第一圆弧型薄片的左端与第一固定质量块连接，所述第一圆弧型薄片的上方活动地设置有第一可调质量块。4.根据权利要求1所述的一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于:所述第二悬臂梁为弧度为180度的第二圆弧型薄片，所述第二圆弧型薄片上附着设置有二阶压电层，所述二阶压电层为一圆弧型材料层，所述二阶压电层的弧度为160度，所述第二圆弧型薄片的左端与第二固定质量块连接，所述第二圆弧型薄片的上方活动地设置有第二可调质量块。5.根据权利要求1所述的一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于:所述第三悬臂梁为弧度为180度的第三圆弧型薄片，所述第三圆弧型薄片上附着设置有三阶压电层，所述三阶压电层为一圆弧型材料层，所述第三圆弧型薄片的左端与第三固定质量块连接，所述第三圆弧型薄片的上方活动地设置有第三可调质量块。6.根据权利要求3或4或5所述的一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述第一圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度;所述第二圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度;所述第三圆弧型薄片的内径为20mm，外径为30mm，宽度为10mm，圆弧度为180度，所述第一圆弧型薄片与第二圆弧型薄片之间的间隔为1mm，所述第二圆弧型薄片与第三圆弧型薄片之间的间隔为1mm。7.根据权利要求1所述的一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于:所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。8.根据权利要求3或4或5所述的一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述第一固定质量块、第二固定质量块和第三质量块均采用镍材料制成，所述第一可调质量块、第二可调质量块和第三可调质量块均采用镍材料制成，所述第一固定质量块和第一可调质量块的长、宽、高均为IOmm;所述第二固定质量块和第二可调质量块的长、宽、高均为IOmm;所述第三固定质量块和第三可调质量块的长、宽、高均为10mm。9.根据权利要求3或4或5所述的一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于：所述一阶压电层、二阶压电层和三阶压电层均为PZT-5H。10.根据权利要求9所述的一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器，其特征在于:所述一阶压电层的弧度为160度，所述一阶压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm;所述二阶压电层的弧度为160度，所述二阶压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm;所述三阶压电层的弧度为160度，所述三阶压电层的内径为20mm，外径为30mm，厚度为0.3mm〇

百度查询： 南京邮电大学 一种三阶智能圆弧型压电式能量收集器

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