一种多模态碰撞低频压电俘能器

技术领域

本发明涉及俘能技术领域，利用悬臂梁自由端附加分支结构及分支与主梁之间的碰撞，增加系统在低频范围内固有频率阶数，从而在低频范围内产生更多和更宽的共振频带，达到最优的俘能效果，具体涉及一种多模态碰撞低频压电俘能器及其俘能方法。

背景技术

近年来，微电子设备能源问题是许多科研人员的研究焦点，电池是这些设备的主要电源。但是，电池的使用寿命较短，且处理电池的方式是填埋，严重污染了土壤环境，成本较高，极不便利。因此，从周围环境中收集能量并为其供电成为当前研究的热点。

振动广泛存在于环境中，是一种源源不断的能源，所以，利用这些能量可以节省不少资源。而俘能器就是把环境中的振动能通过压电片的应变转变为电能，为微电子设备提供电源。俘能器的俘能方式可以分为三种：压电式、电磁式和静电式。电磁式俘能器涉及到电磁感应，穿过闭合导线的磁通量发生变化时，在导线中产生感应电流，从而输出电能，其结构简单，但输出电压较低；静电式俘能器工作原理是当电容受到振动时，两极板会发生相对运动，改变了电容值，电容两端电压保持不变，从而使得电容两极板上电荷发生变化，实现电能的输出，但其结构设计复杂、需要外部电源。而压电式俘能器是利用压电效应，将振动能转换成电能，具有结构简单、抗干扰能力强、无污染、易加工、可实现便携化等突出特点。

中国专利申请(公开号CN110912455A)公开了一种宽频带振动俘能器，包括低频振动结构、高频压电复合梁、第一动磁体、第二动磁体和线圈，根据第一动磁体和线圈之间的电磁感应，以及第二动磁体触碰高频压电复合梁的压电效应分别输出电能。但是该结构比较复杂，低频范围内的工作频带较窄，且涉及电磁感应和压电效应，成本较高，而本发明仅用压电效应就能拓宽频带，让结构内部产生碰撞，使得在低频范围内形成较宽的振动频带，可以产生较大电能，结构简单，成本较低。

发明内容

本发明的目的是针对压电俘能器的俘能效果差的问题，提供一种利用分支结构来增多低频范围内的固有频率，从而产生更多的共振频带，输出高电压；提供一种利用分支与主梁之间的碰撞使每个共振频带更宽的压电俘能器及其俘能方法。

本发明所采取的技术方案是：一种多模态碰撞低频的压电俘能器，包括基板1、压电片2、分支梁3和质量块4；基板1的横截面为矩形，一端与外界固定即为固定端，另外一端则为自由端。基板1的上表面铺设压电片2，压电片2的宽度与基板的宽度相同，长度约为基板的二分之一，压电片左端面与基板左端面齐平。基板1的自由端放置一大质量块，大质量块的宽度与基板的宽度相同，长度是基板的二十分之一，右端面与基板右端面齐平，此大质量块的上表面均匀分布三个分支梁3，每个分支梁构的尺寸与分布情况相同，分支梁3的长度为基板1的三分之一，宽度是基板1宽度的五分之一，右端面与基板1的右端面齐平。分支梁3的上表面有压电片2，压电片2的长度是分支梁3的二分之一，宽度与分支梁相同，压电片2右端面与分支梁3右端面齐平。分支梁3的左端有小质量块，降低分支梁的固有频率，质量块4长度约为分支梁长度的四分之一，宽度与分支梁等宽，此质量块左端面与分支梁左端面平齐。

基板1和质量块4采用的都是结构钢，压电片2采用的是常见的PVDF，分支,3均采用的是铝材料。

该多模态碰撞的压电俘能器的俘能方法，具体如下：

把该俘能器放在振动的环境中，并且将结构的左侧固定，当外界环境与结构的振动频率一致时，二者发生共振，基板振动会产生大变形，粘附在基板上的压电片也产生变形俘出电能。而固定在基板上的分支梁振动不仅让分支梁上表面的压电片发生形变俘出能量，而且使得分支梁与基板发生碰撞，结构的工作频宽大大增加，俘能效率得以提高。再将压电片产生的电能与外电路连接就可以输出能源，为电子设备等提供了源源不断的能量。由于结构有三个分支梁，低频范围的固有频率增多，所以俘获的能量很高。固定端具有较大的应变，因此，将压电片粘贴在固定端能够产生高电能。由于分支梁与基板的距离近，所以共振时分支与主梁之间发生碰撞，使得在更宽的频带范围内可以持续提供高输出电压，增加了俘能的效率。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果：1、结构的三个分支梁增加了低频范围内的固有频率，产生更多的共振频带，与环境的适配性高，俘能效率高；2、分支梁与基板的距离近，结构内部发生碰撞，使得俘能器有更宽的工作频带；3、结构多次采用质量块，降低结构的固有频率，容易与外界环境的振动频率发生共振；4、压电片根据力学原理采用的是半铺式，固定端处变形最大，既能够俘出高电压，也节约了成本。

附图说明

图1是本发明多模态碰撞低频的压电俘能器的立体图；

图2是本发明多模态碰撞低频的压电俘能器局域梁的立体图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

参照附图1，一种多模态碰撞低频的压电俘能器，包括基板、压电片、分支梁和质量块，基板的横截面为矩形，一端与外界固定即为固定端，另外一端则为自由端。基板的上表面铺设压电片，压电片的宽度与基板的宽度相同，长度约为基板的二分之一，压电片左端面与基板左端面齐平。基板的自由端放置一大质量块，大质量块的宽度与基板的宽度相同，长度是基板的约二十分之一，右端面与基板右端面齐平，此质量块的上表面均匀分布三个分支结构，每个分支结构的尺寸与分布情况相同，分支梁的长度约为基板的三分之一，宽度是基板宽度的五分之一，右端面与基板右端面齐平。分支梁上表面有压电片，压电片长度约是分支梁的二分之一，宽度与分支梁相同，压电片右端面与分支梁右端面齐平。分支梁的左端有小质量块，降低分支梁的固有频率，质量块长度约为分支梁长度的四分之一，宽度与分支梁等宽，此质量块左端面与分支梁左端面平齐。

基板和质量块采用的都是结构钢，压电片采用的是常见的PVDF,分支梁均采用的是铝材料。

该多模态碰撞的压电俘能器的俘能方法，具体如下：

把该俘能器放在振动的环境中，并且将结构的左侧固定，当外界环境与结构的振动频率一致时，二者发生共振，基板振动会产生大变形，粘附在基板上的压电片也产生变形俘出电能。而固定在基板上的分支梁振动不仅让分支梁上表面的压电片发生形变俘出能量，而且使得分支梁与基板发生碰撞，结构的工作频宽大大增加，俘能效率得以提高。再将压电片产生的电能与外电路连接就可以输出能源，为电子设备等提供了源源不断的能量。由于结构有三个分支梁，低频范围的固有频率增多，所以俘获的能量很高。固定端具有较大的应变，因此，将压电片粘贴在固定端能够产生高电能。由于分支梁与基板的距离近，所以共振时分支与主梁之间发生碰撞，使得在更宽的频带范围内可以持续提供高输出电压，增加了俘能的效率。