[發明專利]一種基于柔性主梁的三維環形寬頻壓電振動能量采集結構

有效

• 申請號: 202011623947.X
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112769354B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 王瑩;陳名;陳力榮
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 太原申立德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14115
• 代理人: 程園園

本發明提供的一種基于柔性主梁的三維環形寬頻壓電振動能量采集結構，包括有柔性主梁、第一壓電采集棒、第二壓電采集棒、第三壓電采集棒、壓電采集片，其中的壓電采集片可采集垂直振動能量，第一和第三壓電采集棒可采集任一水平方向振動能量，第二壓電采集棒可采集任一垂直于環形徑向方向的振動能量，從而實現三維振動能量的采集；同時通過調節壓電采集片和壓電采集棒的尺寸，可實現不同壓電采集棒的振動模態分離，拓寬系統工作頻帶，能有效的對外界振動能量進行采集；另外通過調節壓電采集片的形狀和壓電采集棒的數量，可適時調節系統的有效頻帶寬度，提高能量采集器輸出的連續性和穩定性，進而增強振動能量采集器的環境適應能力。

技術領域

本發明涉及微機電裝置領域，尤其涉及一種基于柔性主梁的三維環形寬頻壓電振動能量采集結構。

背景技術

隨著無線傳感網絡在野外環境、工業監測中的廣泛布設以及可穿戴設備、隨身醫療電子系統等的迅猛發展，其中的無線傳感網絡節點及特殊領域中微小型電子器件的電能供給成為了進一步推進其應用的關鍵問題。傳統的電能供給存在一些無法克服的缺陷，如化學電池體積大、壽命短、污染環境的問題，有線電源架接困難的問題，因而采集周圍環境中的能量轉化為電能來滿足無線傳感網絡或特殊領域微小型電子器件的自供電需求已成為研究熱點。其中振動能作為環境中存在形式最多的一種能量，廣泛存在于自然環境中(如風致振動、動物運動等)和人類生活生產環境中(如人體運動、汽車火車等運輸工具、橋梁、工礦設備等)，與太陽能、風能等環境能量形式相比，振動能對無線傳感網絡和特殊領域微小型電子器件具有明顯的供電優勢，只要外界存在振動，就可以通過能量采集裝置持續收集補充能量，因此振動能的采集利用具有著極大的實用價值。目前用于采集振動能的裝置被稱為振動能量采集裝置，其普遍是在特定頻率范圍內，實現單一方向的振動能量采集，因此存在工作頻帶較窄、諧振頻率高、能量采集方向單一的問題；同時裝置在采集振動能量時面對復雜振動環境時，振動頻率隨機多變，造成能量采集效率極低且輸出的穩定性、連續性極差，對環境的適用性不足。

發明內容

為解決現有技術的缺點和不足，提供一種基于柔性主梁的三維環形寬頻壓電振動能量采集結構，從而可解決振動能量采集裝置存在工作頻帶較窄、諧振頻率高、能量采集方向單一及振動頻率隨機多變導致能量采集效率極低且輸出穩定性、連續性極差，對環境的適用性不足的問題。

為實現本發明目的而提供的一種基于柔性主梁的三維環形寬頻壓電振動能量采集結構，包括有柔性主梁、第一壓電采集棒、第二壓電采集棒、第三壓電采集棒、壓電采集片，所述柔性主梁為環形結構，中部開有圓孔；所述第一壓電采集棒垂直粘結固定于柔性主梁的環形上表面，所述第二壓電采集棒沿徑向分布，一端嵌入固定于柔性主梁的環形外側壁，另一端指向環形外側，所述壓電采集片的形狀呈放射狀，末端嵌入固定在柔性主梁的內圈，中部表面采用AB膠粘結固定在第三壓電采集棒的底部。

作為上述方案的進一步改進，所述第一壓電采集棒及第二壓電采集棒包括有主芯、柔性壓電層及柔性導電層，所述主芯為圓柱結構，所述柔性導電層包覆于主芯的側部表面，所述柔性壓電層粘貼于柔性導電層的下部外表面。

作為上述方案的進一步改進，所述第三壓電采集棒包括有主芯、柔性壓電層及柔性導電層，所述主芯為圓柱結構，所述柔性導電層包覆于主芯的側部表面，所述柔性壓電層粘貼于柔性導電層的下部外表面，所述主芯的末端長度超出柔性導電層及柔性壓電層。

作為上述方案的進一步改進，所述壓電采集片包括有基板和柔性壓電層，所述柔性壓電層使用導電銀膠粘貼在基板的末端上表面，且與第三壓電采集棒不接觸。

作為上述方案的進一步改進，所述第一壓電采集棒、第二壓電采集棒的個數均不小于1。

作為上述方案的進一步改進，所述柔性主梁選用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡膠中的一種。