一种压电俘能器的制作方法

本实用新型涉及发电器械领域，特别涉及一种压电俘能器。

背景技术：

压电材料在外力的作用下表面产生电荷的现象，称为正压电效应。压电发电利用此原理将振动的机械能转变为电能。其优点主要集中在体积小，结构简单，便于实现及小型集成化以及无电磁干扰等方面，符合当前环保节能，可持续发展的要求，正越来越受到各国研究人员的关注。目前已经存在的压电俘能器虽然结构、原理、特点各不相同，但大部分都是利用俘能器双向弯曲变形发电的，工作中压电膜经常会因为承受交替的拉-压应力作用，使其因拉应力过大而损坏，耐用性不足；除此之外，现存的压电俘能器容易在超低频和大振幅环境下发生形变过大损坏，而在另外频率时发电能力差甚至不发电。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，提供一种压电俘能器。本实用新型能够充分地激发压电材料的发电效应，较高效率地将机械能转换为电能，且通过结构优化实现三道来源发电，使得发电能力和发电效率大大提高；此外还实用新型还具有耐用性强，使用寿命高的特点。

本实用新型的技术方案：一种压电俘能器，包括底座，底座上设有圆环壁，圆环壁的上端设有多根环形分布且向圆心方向延伸的悬臂梁，悬臂梁上设有支架，支架上设有圆盘压电装置；所述圆环壁的上方设有弹簧复位装置，弹簧复位装置的上方设有地板，地板的底部设有多根弧形的第一限位条，第一限位条之间相围合成与圆盘压电装置相契合的圆盘槽；所述相邻的第一限位条的空隙处设有滑块，滑块经倾斜的连杆连接有顶块；所述底座上设有多根弧形的第二限位条，第二限位条与圆环壁之间形成安放槽，安放槽内设有圆环压电装置；所述顶块设置在相邻第二限位条的空隙处，并与圆环压电装置相抵触；所述悬臂梁的下侧面设有条状压电装置。

上述的压电俘能器，所述的弹簧复位装置包括一与圆环壁的上端相固定的第一方形框，第一方形框的四角处设有弹簧，弹簧上方连接有第二方形框，第二方形框与地板相连接。

前述的压电俘能器，所述地板的背面设有位于相邻的第一限位条之间的滑槽，滑块位于滑槽内。

前述的压电俘能器，所述底座上设有嵌设在第二限位条之间的压紧垫片，压紧垫片的边沿设有环形分布的凸起，凸起卡设在相邻第二限位条的空隙处，并对顶块形成限位作用。

前述的压电俘能器，所述的圆环壁呈镂空状，且在圆环壁上设有多根肋边，肋边的顶部与悬臂梁连接。

前述的压电俘能器，所述肋边分别将圆环压电装置和安放槽分割成均匀的四等份，每份圆环压电装置分别与对应的顶块相配合。

前述的压电俘能器，所述支架的脚部为u型结构，且卡设在悬臂梁上。

与现有技术相比，本实用新型通过人体踩踏地板上部，由于地板设置在弹簧复位装置上方，在人体重量的作用下地板下压；地板下方设有圆盘压电装置，圆盘压电装置的外侧设有滑块，滑块经倾斜的连杆连接底部的顶块，因此地板下压时在连杆的支撑下地板从上而下挤压圆盘压电装置，同时由于倾斜的连杆的设计会带动滑块向中心移动聚拢，对圆盘压电装置的四个侧面同时进行挤压，多方向、多角度地作用使其有效地发生压电效应，生成第一道发电源。当地板带动圆盘压电装置下压时，圆盘压电装置带动支架下压，支架下方的悬臂梁受力弯曲，带动悬臂梁上的条状压电装置弯曲，发生压电效应，生成第二道发电源。同时，由于顶块设置在倾斜的连杆的外侧且与连杆连接，当踩踏带动连杆下压时，倾斜的连杆会对顶块施加圆心向外的推力，进而顶块挤压外边缘的圆环压电装置，使其也发生压电效应，生成第三道发电源。踩踏之后，弹簧复位装置会复原地板，并会持续以上的运动，从而保证了收集能量的稳定性。由此可见，与现有技术相比，本实用新型不仅能够有效地、充分地激发压电材料的发电效应，将机械能转换为电能，且通过结构优化实现三道来源发电，使得发电能力大大提高。本实用新型还优化了弹簧复位装置的结构，不仅提高了压电俘能器的平稳性，而且能增加了压电材料放电的持续性，还可以帮助压电俘能器的复位工作；通过在地板上设置滑槽，让滑块可以在其中进行位移，又起到了定位的作用，提升稳定性；通过设置压紧垫片，使得顶块也受到限位作用，再次的提升稳定性；通过设置肋边与悬臂梁连接，提高压电俘能器的受力强度，增大使用寿命；通过将圆环壁镂空，能够节省材料，便于拆卸和维修的作用；通过将支架的脚部设置为u型结构，可以让其在踩踏过程中得以稳定，不容易脱落，也同时起到了定位的作用。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的爆炸结构示意图；

图3是本实用新型的地板背面的结构示意图；

图4是本实用新型的底板与滑块之间的结构示意图；

图5是本实用新型的弹簧复位装置的结构示意图；

图6是本实用新型的底座与圆盘压电装置的结构示意图；

图7是本实用新型的滑块和顶块与圆盘压电装置和圆环压电装置配合结构示意图；

图8是本实用新型的底座与圆环壁的结构示意图；

图9是本实用新型底座的俯视结构示意图；

图10是本实用新型的后接电路示意图；

图11是本实用新型圆盘压电装置、圆环压电装置和条状压电装置的电导线连接示意图。

附图标记：

1-底座，2-圆环壁，3-悬臂梁，4-支架，5-圆盘压电装置，6-弹簧复位装置，7-地板，8-第一限位条，9-圆盘槽，10-滑块，11-连杆，12-顶块，13-第二限位条，14-安放槽，15-圆环压电装置，16-条状压电装置，17-第一方形框，18-弹簧，19-第二方形框，20-滑槽，21-压紧垫片，22-凸起，23-肋边。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。

实施例：一种压电俘能器，如图1-9所示，包括底座1，底座1上设有圆环壁2，底座1和圆环壁2采用45号钢；所述圆环壁2的上端设有多根环形分布且向圆心方向延伸的悬臂梁3，所述悬臂梁3的下侧面设有条状压电装置16；所述悬臂梁3上设有支架4，支架可以采用圆桌型状，即具有一支撑面，支撑面下部设有4个支脚，支脚的脚部为u型结构，使得该脚部正好可以卡在悬臂梁3上，可以让其在踩踏过程中得以稳定，不容易脱落，也同时起到了定位的作用；所述支架4上设有圆盘压电装置5；其中支架4顶部、底座1表面和圆环壁2的侧面采用绝缘涂料涂覆，用于绝缘；所述圆环壁2的上方设有弹簧复位装置6，弹簧复位装置6的上方设有地板7，地板尺寸为300×300×10mm，地板7的材料采用的是pvc(聚氯乙烯板材)塑胶地板，其具有良好的耐久性与绝缘性；所述地板7的背面设有多根弧形的第一限位条8，第一限位条8之间相围合成与圆盘压电装置5相契合的圆盘槽9；所述相邻的第一限位条8的空隙处设有滑块10，所述地板7的背面设有位于相邻的第一限位条8之间的滑槽20，滑块10位于滑槽20内；所述滑块10经倾斜的连杆11连接有顶块12；连杆11分别与滑块10和顶块12铰接的；连杆11采用45号钢，滑块10、顶块12均采用通用工程塑料ppo(聚苯醚)，其具有良好的刚性、耐热性、耐燃性和绝缘性。除此之外，ppo还具有耐磨、无毒、耐污染等一系列优点，ppo的介电常数和介电损耗在工程塑料中是最小的品种之一，几乎不受温度、湿度的影响。所述底座1上设有多根弧形的第二限位条13，第二限位条13与圆环壁2之间形成安放槽14，安放槽14内设有圆环压电装置15；所述顶块12设置在相邻第二限位条13的空隙处，并与圆环压电装置15相抵触。本实施例中，圆盘压电装置5、条状压电装置16和圆环压电装置15均有压电材料制成，压电材料是一种能在外力的作用下表面产生电荷的材料，用于压力发电。本实施例中采用的是压电陶瓷(pzt)，其具有压电常数大、灵敏度很高、制造工艺完整、通用性强、价格低、使用范围广等优点，由于该材料为本领域常规的材料，且可以通过市售获得，因此具体成分在此不再赘述。

安装时，将整个压电俘能器安装至地面下发，底座1上通过四个螺纹孔进行固定；通过人体踩踏地板7上部，由于地板7设置在弹簧复位装置6上方，在人体重量的作用下地板7下压；地板7下压时在连杆11的支撑下，地板7从上而下挤压圆盘压电装置5，同时由于倾斜的连杆11的设计会带动滑块10向中心移动聚拢，对圆盘压电装置5的四个侧面同时进行挤压，多方向、多角度地作用使其有效地发生压电效应，生成第一道发电源。当地板7带动圆盘压电装置5下压时，圆盘压电装置5带动支架4下压，支架4下方的悬臂梁3受力弯曲，带动悬臂梁3上的条状压电装置16弯曲，发生压电效应，生成第二道发电源。同时，由于顶块12设置在倾斜的连杆11的外侧且与连杆11连接，当踩踏带动连杆11下压时，倾斜的连杆11会对顶块12施加圆心向外的推力，进而顶块12挤压外边缘的圆环压电装置15，使其也发生压电效应，生成第三道发电源。踩踏之后，弹簧复位装置6会复原地板，并会持续以上的运动，从而保证了收集能量的稳定性。由此可见，本实用新型不仅能够有效地、充分地激发压电材料的发电效应，将机械能转换为电能，且通过结构优化实现三道来源发电，使得发电能力大大提高。

所述的弹簧复位装置6包括一与圆环壁2的上端相固定的第一方形框17，第一方形框17的四角处设有弹簧18，弹簧18上方连接有第二方形框19，第二方形框19与地板7相连接。弹簧复位装置6的第一方形框17和第二方形框19采用木材，相对于其他材料来说，偏软，能承受冲击，相对价格便宜，能接受经常更换，弹簧18的材料为65mn，热处理及冷拔硬化后，强度比较高，具有一定的柔韧性和可塑性，相同表面状态和完全淬透情况下，疲劳极限高。通过弹簧复位装置6不仅提高了压电俘能器的平稳性，而且能增加了压电材料放电的持续性，还可以帮助压电俘能器的复位工作。

所述底座1上设有嵌设在第二限位条13之间的压紧垫片21，压紧垫片21的材质定为橡皮片，有良好的耐磨，耐电性。压紧垫片21的边沿设有环形分布的凸起22，凸起22卡设在相邻第二限位条13的空隙处，并对顶块12形成限位作用，通过压紧垫片21使得顶块12也受到限位作用，提升稳定性。

所述的圆环壁2呈镂空状，且在圆环壁2上设有多根肋边23，肋边23的顶部与悬臂梁3连接，通过将圆环壁2镂空，能够节省材料，便于拆卸和维修的作用，并设置肋边23与悬臂梁3连接，提高压电俘能器的受力强度，增大使用寿命。

所述肋边23分别将圆环压电装置15和安放槽14分割成均匀的四等份，每份圆环压电装置15分别与对应的顶块12相配合。

本实用新型实施例中，选定的地板尺寸为300×300×10mm，当踏下底板7时，弹簧18处于压缩状态，滑块10位于接触圆盘压电装置5的位置，即滑槽20的一端，当人体足部离开地板时，弹簧18复位，滑块10会移动到滑槽20的另一端，在本实施中，滑块在滑槽中的的最大位移量为20mm，即其在运行过程中的水平位移量为20mm，由于连杆11连接滑块10，所以连杆11上端的水平位移为20mm，连杆11的有效长度为120mm，由勾股定理可估算出连杆上端的竖直位移约为1.68mm，即弹簧的压缩量为1.68mm。同时可计算出连杆11转动角度9.59°。由此可以看出，本实用新型的踩踏下压的运动是微小的，不会影响行人的正常行走。但对于压电材料的形变量来说，足够可以正常进行压电效应的发电。由于市面上的普遍压电材料可能会太薄，所以在进行本实用新型可以将几片压电材料重叠在一起，形成多层结构，满足结构要求，同时可以增加发电量，增加实用性。

由于压电效应产生的电压较小，并且因为会有不同的人行走踩踏压电俘能器，就意味着不同体重的人给俘能器的力都是不同的，再考虑到会有人同时踩踏的情况，所以俘能器产生的电压的大小是不规律的，是不规则的，不可预测的，所以俘能器所产生的电能是不能够直接被用电器使用的，必须经由后续电路进行整流、滤波处理后才能储存于电池或者输送到电子设备等负载中。

本实用新型中由于压电陶瓷材料的介电常数算是相对较高的，大约在70～590pc/n左右，其输出的电压峰值也相对高,但是本实用新型工作时产生的电压是不稳定、无规律的，因此整流全桥的作用就是使电压的方向相同，让电流变为直流电。然后将压电俘能装置所产生的电压经整流后调整。选用全波整流电路的目的是由于它比半波电路的能利用的范围广，增加了电压的平稳度，极大地提升了整个电路的整流效果。此外由于电容c的特性是在电路电压发生变化时，两端的电压不会变化，因此电容c也起到了滤波的作用，能增加电路的平稳性，滤掉杂波，以达到减小脉动，适合负载需要的效果。

电容虽然也能起到储存电能的作用，但是对于本实用新型来说是远远不够的，所以后续还要加上储能元件电池。电池的储存能力比电容强许多，是常用的储能元件，所以本实用新型采用了电池，把压电俘能装置产生的电能经过整个电路全部储存到电池中，可为外界的用电器进行供电。压电俘能器后接电路示意图如图10所示。

压电陶瓷材料受力变形时，端面上会出现电荷，即压电效应，正负电荷分别出现在材料的正反面，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，所以在整个线路连接下必须将正负极两端连接线路将电能导出。这就需要我们选择合适的耦合操作模式。本实用新型共涉及两种操作模式。第一种模式称为31模式，力作用在与极化方向垂直的方向上。另一种称为33模式，力作用在与极化方向相同的方向上。如下图11所示，圆盘压电装置5、条状压电装置16采用33模式，而四分之一的和圆环压电装置15采用了31模式。由此，通过上述电路的连接方式将压电俘能器产生得到电能进行输出存储。

工作原理

通过人体踩踏地板7上部，由于地板7设置在弹簧复位装置6上方，在人体重量的作用下地板7下压；地板7下压时在连杆11的支撑下，地板7从上而下挤压圆盘压电装置5，同时由于倾斜的连杆11的设计会带动滑块10向中心移动聚拢，对圆盘压电装置5的四个侧面同时进行挤压，多方向、多角度地作用使其有效地发生压电效应，生成第一道发电源。当地板7带动圆盘压电装置5下压时，圆盘压电装置5带动支架4下压，支架4下方的悬臂梁3受力弯曲，带动悬臂梁3上的条状压电装置16弯曲，发生压电效应，生成第二道发电源。同时，由于顶块12设置在倾斜的连杆11的外侧且与连杆11连接，当踩踏带动连杆11下压时，倾斜的连杆11会对顶块12施加圆心向外的推力，进而顶块12挤压外边缘的圆环压电装置15，使其也发生压电效应，生成第三道发电源。踩踏之后，弹簧复位装置6会复原地板，并会持续以上的运动，从而保证了收集能量的稳定性。