一种基于T形梁的超材料压电振动能量采集装置

技术领域

本发明涉及振动能量采集技术领域，尤其是涉及一种基于T形梁的超材料压电振动能量采集装置。

背景技术

随着无线传感网络的发展，传感器节点已被应用于环境监测、农业应用、生命健康以及交通管控等领域，而节点供能是目前亟待解决的关键问题。传统的节点供能方式存在容量小、难更换等不足，采用环境能量获取的方式是一种有效解决途径。

振动能量采集器是一种将振动产生的机械能转化为电能的器件，其中基于压电效应的振动环境能量采集方式因具有结构紧凑、无电磁干扰、能量密度较高等优点而成为国内外研究的重点。压电式振动能量采集装置常采用的振动结构有悬臂梁结构、圆形结构、钹形结构等形式，其中传统的悬臂梁结构是能量采集器中最常见的形式，其结构简单，较容易实现。

然而，传统线性振动能量采集方法虽然取得一些进展，但是尚不能满足无线传感节点的用电需求。其主要的问题是线性系统响应频带过窄，在随机振动或低频振动激励下，发电功率过小。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于T形梁的超材料压电振动能量采集装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于T形梁的超材料压电振动能量采集装置，包括金属基底，设于金属基底顶部且与金属基底呈垂直设置的金属长梁，以及多个对称且等间隔分布于所述金属长梁两侧的压电能量采集器，所述金属长梁与所述金属基底构成T形梁结构。

进一步地，所述金属长梁为水平结构板，所述金属基底为竖直结构板，所述金属长梁的中心处固定于所述金属基底的上表面。

所述压电能量采集器包括金属短梁、压电陶瓷和金属质量块，所述金属短梁的固定端固定于所述金属长梁的左、右两侧面，所述压电陶瓷设于所述金属短梁的固定端的上表面和下表面，所述金属质量块设于所述金属短梁的自由端。

所述压电陶瓷包括尺寸相同、极化方向相反的第一压电陶瓷和第二压电陶瓷，第一压电陶瓷和第二压电陶瓷分别设于所述金属短梁的上表面和下表面。

进一步地，各所述压电能量采集器位于同一水平面上。

进一步地，压电能量采集器的个数为八个，且各压电能量采集器等间距对称设于所述金属长梁的两侧。

进一步地，所述金属基底为铝制基座，所述金属基底的尺寸为100×40×10mm

进一步地，所述金属长梁为铝制梁，所述金属长梁的尺寸为170×40×6mm

进一步地，所述金属短梁为铝制梁，所述金属短梁的尺寸为40×10×2mm

进一步地，所述金属质量块为铝块，所述金属质量块的尺寸为12×8×6mm

相较于现有技术，本发明提供的基于T形梁的超材料压电振动能量采集装置具有以下有益效果：

一、通过多个线性结构的压电振动能量采集器水平对称并列固定在金属长梁上，形成一个超材料压电振动能量采集装置，多个双悬臂梁压电能量采集器的工作频带串联起来形成一个宽频窗口，可以克服单个线性压电振动能量采集器工作频带窄的问题，以此来提高振动能量采集的能量采集密度和效率。

二、本发明结构简单，材料方便获取，且安装方便，能够满足提高振动能量采集的能量采集密度和效率的同时，可大幅度降低使用成本。

附图说明

图1为实施例中基于T形梁的超材料压电振动能量采集装置的立体结构示意图；

图2为实施例中基于T形梁的超材料压电振动能量采集装置的俯视结构示意图；

图中标号所示：

1、金属基底，2、金属长梁，3、压电能量采集器，301、金属短梁，302、压电陶瓷，303、金属质量块，3021、第一压电陶瓷，3022、第二压电陶瓷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

以人工周期结构为基础构成的超材料，可以对结构中弹性波的传播进行调控，是实现环境振动能量采集的一个可行方法。基于此，本发明涉及一种基于T形梁的超材料压电振动能量采集装置，如图1、图2所示，该装置包括金属基底1、金属长梁2和多个压电能量采集器3。

金属长梁2位于金属基底1的上表面，金属长梁2为水平结构板，金属基底1为竖直结构板，且金属长梁2与金属基底1垂直设置，二者构成T形梁结构。进一步地，金属长梁2的中心处固定于金属基底1的上表面，二者构成规范的T形梁结构。

金属长梁2的左、右两侧对称设有多排压电能量采集器3。本发明所有压电能量采集器3位于同一水平面上。各压电能量采集器3分别包括金属短梁301、压电陶瓷302和金属质量块303。金属短梁301的一端(固定端)固定在金属长梁2的侧面；另一端(自由端)连接金属质量块303。压电陶瓷302位于金属短梁301与金属长梁2的固定端的上表面和下表面。

压电陶瓷302包括第一压电陶瓷3021和第二压电陶瓷3022；其中，第一压电陶瓷3021与第二压电陶瓷3022的尺寸相同、极化方向相反，且二者分别通过胶粘接在金属短梁301的上表面和下表面。

具体地，金属基底1为铝制，尺寸可优先选取100×40×10mm

具体地，金属长梁2为铝制，尺寸可优先选取170×40×6mm

具体地，金属短梁301为铝制，尺寸可优先选取40×10×2mm

具体地，金属质量块303为铝制，尺寸可优先选取12×8×6mm

本发明中的压电能量采集器3的材质(如密度、弹性模量)、长度和宽度完全相同，厚度可以不完全相同，由于厚度可以不完全相同，因此可以保证采集器的谐振频率不完全相同。

在本实施例中，作为优选方案，压电能量采集器3具体包括8个，且各压电能量采集器3等间距对称设置，因此可以构成一个较宽的窗口。进一步地，本实施例中的压电能量采集器3包括8个，分别为第一压电能量采集器、第二压电能量采集器、第三压电能量采集器、第四压电能量采集器、第五压电能量采集器、第六压电能量采集器、第七压电能量采集器、第八压电能量采集器。其中，第一压电能量采集器中的金属短梁的尺寸为40×10×2mm

图2为本实施例中基于T形梁的超材料压电振动能量采集装置的俯视图，相邻两压电能量采集器3之间的距离为50mm。

金属长梁2固定于金属基底1上表面，且金属长梁2的两侧面附着有8个金属短梁301，金属短梁301的自由端附着有金属质量块303；工作时，金属长梁2中心处固定，金属长梁2受外界振源激励上下振动带动金属短梁301上下振动，并通过第一压电陶瓷3021和第二压电陶瓷3022产生压电效应，在振动时上下表面产生电势差，实现将机械能转化为电能；通过在金属短梁上下表面连接导线，实现电压的输出；另外，通过改变8个压电能量采集器3的尺寸(如长度、宽度和厚度)，进而改变每个压电能量采集器3的谐振工作频带；通过将八个压电能量采集器3的谐振工作频带串联起来可以形成一个较宽的工作窗口，达到提高能量采集装置的能量密度，拓宽能量采集器工作频带的目的，整个装置对环境中的微弱振动更加敏感，为无线传感节点的供电提供了一种有效途径。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。