专利名称：可调频微型压电发电机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微型电源技术、节能技术领域，特别设计微型压电发电机电源技术领域。
背景技术：
近年来，随着物联网技术的普及和发展，无线传感器网络也得到了广泛的应用。无线传感器网络节点具有小尺寸和高密度特点，对其供电电源的能量密度、寿命和体积等的要求也越来越高，越来越苛刻，传统的化学电池供电方式难以满足其能源供给需求，因而也成为无线传感器技术发展和应用的一个瓶颈问题。通过采集环境中的各种振动能量，将机械能转换为电能的压电发电机，可以持续不断地为各种低功耗电子设备提供能量，可以有效地解决无线传感器网络能源供给难题。但是，当压电发电机的工作频率(固有频率)与环境振动的频率不匹配时，其能量收集效率急剧下降，难以满足电子设备供电要求。因此，为了适应不同环境的振动频率，要求压电发电机的工作频率必须能够随环境振动的频率变化而变化。到目前为止，人们提出的各种压电振动发电机，要么是工作频率固定的，要么是通过手动调节末端质量块的质心位置来改变其工作频率，还没有能够实现连续、精密自动调节的压电振动发动机。经检索，在国内外公开的文献中，没有关于通过并联电容来对压电发电机进行调频的方法及结构。
发明内容本实用新型克服了现有技术的缺陷，提出了一种通过连接并联电容(或旁路电容)来连续自动调节压电振动发电机工作频率的微型压电发电机。本实用新型发提出的微型压电发电机含有固定在支座上的两个压电电极板，以及所述于两个压电电极板之间·的支撑基板，在所述两个压电电极板之间串接输出负载；其特征在于，在所述的其中任意一个压电电极板上并联一组并联电容，使该压电电极成为压电调节层，所述另一个压电电极成为压电收集层；所述并联电容含有至少两个电容，所有电容之间是并联关系，所述每一个电容串接一个用于控制电容所在电路的断开和接通的开关；所述并联电容是通过连续的断开或接通不同的电容所在电路时，改变并联电容的电容值，使得微型压电发电机的固有频率在开路频率和闭路频率之间任意调节的并联电容。其特征在于，当所述压电收集层厚度/压电调节层厚度小于等于2，且支撑基板厚度/压电调节层厚度小于等于2时，微型压电发电机的固有频率调节范围更大。有益效果:本实用新型可应用于不同频率的振动环境，扩大了压电发电机的工作频率范围，提高压电发电机对环境的适应能力，实现了压电发电机固有频率的连续、精密调节。
[0008]图1是微型压电发电机并联电容调频原理图；其中，I为固定支座；2_1为压电收集层'2-2为支撑基板，2-3为压电调节层；2-4、2-5和2_6为导线；3为电阻；4-1、4-2、4_3和4-1为电容；5-1、5-2、5-3和5-1为开关；i表示电容的个数和开关的个数。图2是并联电容频率调节方式原理图；图3是并联电容对固有频率影响规律图；图4是压电层厚度与调节层厚度比、基板厚度与调节层厚度比压电发电机的固有频率比关系图；图5是并联电容频率调节范围与基板/压电层长度的关系图；图6是并联电容频率调节范围与基板/压电层宽度的关系图；图7是并联电容频率调节范围与基板弹性模量的关系图；图8是并联电容频率调节范围与压电常数的关系图；图9是并联电容频率调节范围与调节层弹性模量的关系图；图10是并联电容频率调节范围与相对介电常数的关系图；图11是具有不同压电材料压电梁的固有频率调节范围；图12是输出功率随并联电容值的变化规律图；图13是并联电容固有频率调节方式与压电发电机阵列融合示意图。
具体实施方式
固有频率的连续和精密调节:压电电极的弹性模量为K⑴..' hrC-式中，4为柔度系数，d31为压电常数，b、1、hp分别为压电电极的宽度、长度和厚度。Cz为压电电容Cp与并联电容Cs之和，如图2 (a)所示。当并联电容为短路状态时，如图2 (b)所示，并联电容Cs= c ，因此Cz= c ，压电电极的弹性模量与柔度系数成反比fi； ⑵当并联电容为开路状态时，如图2 (C)所示，并联电容Cs值为0，压电电极的弹性模量为“-楚)！⑶由于压电电容Ct = ^iL⑷
K式中为应变介电常数。因此，式⑶可写为% =(^ -#)'"'(5)由式⑵和(5)可知，并联电容开路时压电电极的弹性模量要大于并联电容短路时的弹性模量。悬臂梁压电发电机的固有频率为
权利要求1.一种可调频微型压电发电机，所述微型压电发电机含有固定在支座上的两个压电电极板，以及所述位于两个压电电极板之间的支撑基板，在所述两个压电电极板之间串接输出负载；其特征在于，在所述的其中任意一个压电电极板上并联一组并联电容，使该压电电极成为压电调节层，所述另一个压电电极成为压电收集层；所述并联电容含有至少两个电容，所有电容之间是并联关系，所述每一个电容串接一个用于控制电容所在电路的断开和接通的开关；所述并联电容是通过连续的断开或接通不同的电容所在电路时，改变并联电容的电容值，使得微型压电发电机的固有频率在开路频率和闭路频率之间任意调节的并联电容。
2.如权利要求1所述的可调频微型压电发电机，其特征在于，当所述压电收集层厚度/压电调节层厚度小于等于2，且支撑基板厚度/压电调节层厚度小于等于2时，微型压电发电机 的固有频率调节范围更大。
专利摘要可调频微型压电发电机属于微型电源技术、节能技术领域。其特征在于，在可调频微型压电发电机的其中任意一个压电电极板上并联一组并联电容，使该压电电极成为压电调节层，所述另一个压电电极成为压电收集层；所述并联电容含有至少两个电容，所有电容之间是并联关系，所述每一个电容串接一个用于控制电容所在电路的断开和接通的开关；所述并联电容是通过连续的断开或接通不同的电容所在电路时，改变并联电容的电容值，使得微型压电发电机的固有频率在开路频率和闭路频率之间任意调节的并联电容。本实用新型可应用于不同频率的振动环境，扩大了压电发电机的工作频率范围，提高其对环境的适应能力，实现了固有频率的连续、精密调节。
文档编号H02N2/18GK203151372SQ20122074721
公开日2013年8月21日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者何青, 闫震, 杜冬梅 申请人:华北电力大学