[發明專利]一種體驗式教學用碰撞振動能量采集裝置

在審

• 申請號: 201911389312.5
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN110912459A
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 郝旺身;李晨陽;陳宏;梁川;楊光;杜社娟;董辛旻;李偉;劉雨曦;冀科偉;陳磊;雷文平;李凌均;王麗雅;郝偉
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 鄭州宏海知識產權代理事務所(普通合伙) 41184
• 代理人: 李曉

本發明涉及一種體驗式教學用碰撞振動能量采集裝置，包括底座、壓電懸臂梁、套筒、鋼球；壓電懸臂梁的一端通過剛性固定的方式固定在底座上，另一端自由；套筒固定在梁的自由端，鋼球可以在套筒內隨著梁的振動而上下跳動；本發明提出的教學用碰撞式能量采集裝置可以有效的提高傳統懸臂梁的輸出功率，高效的采集環境中的微小振動，為低功耗的體驗式教學設備提供低品位能量，在低功耗的體驗式教學設備領域有著廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于體驗式教學設備和可再生能源領域，特別涉及到利用鋼球碰撞現象提高壓電懸臂梁式能量采集裝置的輸出電功率和能量轉化率。

背景技術

隨著信息科技的不斷發展，先進的教育理念在科技的帶動下發展勢頭也非常迅猛。在新時代下，新的教育思想和觀念的沖擊下，傳統的教學模式、教學設備逐漸發生了新變化，新型的互動式教學模式、教學設備已開始嶄露頭角，占據了教育裝備的一席之地。現在互動式教學是學校目前較為推崇的教學方式，逐漸替代了傳統的教學模式。互動式教學更注重培養學生自主學習的能力，讓學生真正參與到課堂教學中來，從而可以提高學生在課堂上的學習效率。

教育模式的轉變也為教學設備的革新帶來了新的契機，傳統的教學設備的供電模式主要有電池供電和電源供電。對于電池供電來說，電池的容量有限，壽命短，電量耗盡的時間未知，并且對于那些長久不用的設備，里邊的電池還會腐蝕設備，對于廢棄電池的處理也很麻煩。而對于電源供電來說，常常需要在教室里通過外接插板方式對設備進行供電，這種暴露在外的線纜插座不僅有很大的安全隱患，而且影響教室的美觀。因此對于體驗式教學設備供電問題的研究有很大的價值。

振動能在環境中廣泛存在，利用壓電材料將環境中的振動能轉化為電能為微機電設備和無線傳感節點供電在國內外得到了廣泛的研究，其中，懸臂梁式結構的壓電能量采集器較為常見，但是，傳統的懸臂梁加質量塊固定結構的能量采集器輸出電功率較低，能量采集器頻響范圍小，轉化的振動能有限，為了提高壓電懸臂梁結構的能量采集器的電壓輸出，有很多專家學者提出基于碰撞振動的能量采集裝置。

發明內容

為了解決上述問題，為了更好地發揮碰撞振動的電能采集效率，本發明提出一種帶套筒的垂直碰撞振動的懸臂梁能量采集器。

為了解決上述問題，本發明提供一種體驗式教學用碰撞振動能量采集裝置主要由底座、壓電懸臂梁、套筒、鋼球組成；壓電懸臂梁一端固定在底座上，另外一端自由振動，套筒固定在自由端，鋼球可以在套筒內自由跳動；該采集裝置在使用時，會隨著使用者的運動而產生振動，壓電懸臂梁會在外界激勵下產生受迫振動，當梁末端套筒的振動加速度大于鋼球的重力加速度時，鋼球就會脫離壓電梁向上做勻減速運動，加速度大小為g，方向向下，當鋼球上升到最高位置時，速度變為0，隨即又做自由落體運動，當鋼球再次接觸到梁的末端時，鋼球把部分動能傳遞給懸臂梁，此時受到鋼球沖擊作用的懸臂梁在強迫振動的基礎上發生自激振動，壓電懸臂梁上的壓電薄膜受到的應力發生變化，在兩電極間產生電勢差，實現了振動能向電能的轉化；相比于無球懸臂梁的振動響應，增加了一個自由響應的振動，拓寬了振動響應的頻率范圍，從示波器中可以看出這兩種能量采集器所產生電壓的差異，可以進一步制作的原理樣機的實驗結果進行對比。

與傳統懸臂梁式能量采集器相比，本發明中壓電梁的振動激勵由兩部分構成，分別是環境中的振動激勵和鋼球下落時碰撞產生的激勵。

利用使用者手持振動或環境傳遞到底部支座的振動激勵和鋼球對梁碰撞產生的激勵驅動壓電梁振動，PVDF壓電薄膜將振動能轉化為電能，為教學設備供電。

引入了自由跳動的鋼球，增大了壓電懸臂梁的變形，拓寬了采集器的頻響范圍，提高了輸出電功率。

本發明的技術方案如下：一種體驗式教學用碰撞振動能量采集裝置，包括壓電懸臂梁，壓電懸臂梁的一端為固定端，壓電懸臂梁的另一端設置有被動振動激勵裝置。

本發明提供的體驗式教學用碰撞振動能量采集裝置，還具有以下技術特征：