一种固支梁-悬臂梁耦合碰撞压电能量采集装置

1.本发明涉及振动能量俘获技术领域，具体的说，涉及了一种固支梁-悬臂梁耦合碰撞压电能量采集装置。


背景技术：

2.过去几十年间，传感器系统的小型化是微机电系统(mems)的主要发展趋势之一，而微机电设备的功率消耗也被降低至毫瓦甚至微瓦级。这一方向的发展促使一个新的领域研究成为热点，即选择合适的方式替代传统电池并将能量以一种更为方便的形式存储。
3.传统电池寿命有限，需要定期更换，人工成本高，对环境也有危害。最近，由于传统化石燃料和电化学电池的广泛使用，研究人员非常关注全球气候变暖的问题，他们一直在研究各种可再生能源，如太阳能、海浪、雨水、声能、风能、热能和振动能量等。这些能源是清洁的，可再生的，并且与电池相比有相对的无限寿命。在这些能源中，太阳能、海浪、声波和风能已经被大量应用于工业、商业和住宅地区，但是这些能源的利用适合大型、集约的项目，在微型系统中应用存在障碍。因此，研究人员一直试图提出一些尚未开发的能源，如利用振动能量产生电能用于现代mems工业。
4.为微机电设备提供绿色和高效的可再生能源是一个巨大挑战，基于振动的微型能量收集器是mems器件节能微发电系统的主要研究方向之一。由于机械振动能量的无处不在，微型能量收集器可以作为自供电无线传感器网络和移动电子平台的替代能源。为了将机械振动能转化为电能，需要一个换能器。电磁式、压电式和静电式三种常用的换能器被认为是最有前途的微型能量收集器。其中，压电式换能器因结构简单、能量密度高，被广泛应用。
5.但是传统的压电式换能器多基于共振原理设计，其只能在系统的共振频率附近产生较大的功率输出。然而，环境振动频率多分布在较宽的频带范围内且具有一定的随机性，在这种条件下，压电式换能器容易失效。
6.为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种响应频带宽、能量俘获效率高的固支梁-悬臂梁耦合碰撞压电能量采集装置。
8.具体来说，在受到外部激励时，该装置可通过碰撞质量块使固支梁与悬臂梁发生碰撞，进而使两根梁发生不同形式的振动，达到拓宽频率的目的，其中，通过调整预紧机构的位置，可使固支梁实现单稳态和双稳态特征，进一步提升拓宽频带的能力，最终实现提高能量俘获效率的目的。
9.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种固支梁-悬臂梁耦合碰撞压电能量采集装置，包括基座、固支梁、悬臂梁、两组压电片组、滑块和两个碰撞质量块；所述固支梁的一端基于所述基座固定，所述固支梁固定于基座的一端两侧贴有第
一压电片组，所述第一压电片组中的压电片并联连接并外接电流引出端口，所述固支梁的另一端连接所述滑块，所述滑块安装于轨道中并相应的设置有预紧机构，通过预紧机构可调节滑块的固定位置，所述固支梁的中部安装第一碰撞质量块；所述悬臂梁的固定端基于所述基座固定，所述悬臂梁固定端的两侧贴有第二压电片组，所述第二压电片组中的压电片并联连接并外接电流引出端口，所述悬臂梁的另一端安装第二碰撞质量块；所述悬臂梁和所述固支梁平行，所述第一碰撞质量块和第二碰撞质量块的位置相对，以便悬臂梁和固支梁在振动过程中，两个碰撞质量块可发生相互碰撞。
10.基上所述，所述固支梁和悬臂梁之间的间距可调节。
11.基上所述，所述固支梁的长度和悬臂梁的长度可调节。
12.基上所述，所述质量块可拆卸的安装在所述固支梁上和所述悬臂梁上。
13.基上所述，所述质量块可自主选择大小、材料。
14.基上所述，所述固支梁和悬臂梁均为不锈钢薄板加工而成。
15.基上所述，所述两组压电片组中的压电片均为pzt压电片。
16.基上所述，所述滑块的位置可通过预紧机构调节后固定。
17.基上所述，所述滑块的不同固定位置可使固支梁表现出单稳态和双稳态特性。
18.基上所述，所述悬臂梁的固定端和固支梁的固定端均为可拆卸连接结构。
19.基上所述，激励沿垂直于所述固支梁与所述悬臂梁的方向施加，激励方式可为基础激励、所述固支梁或所述悬臂梁上的点激励。
20.本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明的固支梁中，可通过预紧机构调节滑块的位置，使固支梁呈现单稳态或双稳态特征，能够在较宽的频带内俘获振动能量；与此同时，悬臂梁和固支梁的相互碰撞设计可在一个梁发生大幅振动的情况下通过碰撞质量块的传导带动另一个梁振动，进而适应更宽的振动频带，最终实现提升能量俘获效率的目的，且结构设计简单。
21.进一步的，通过拆卸、更换、升级的方式，可以简单的将各个零部件进行尺寸、重量、材质等调整，适应不同环境下的振动需求，进而提高该装置的环境适应性。
附图说明
22.图1是本发明中固支梁-悬臂梁耦合碰撞压电能量采集装置的结构示意图。
23.图中：1-1.第一基座；1-2.第二基座；1-3.轨道；2.固支梁；3.悬臂梁；4-1.第一压电片组；4-2.第二压电片组；5.滑块；6-1.第一碰撞质量块；6-2.第二碰撞质量块。
具体实施方式
24.下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
25.如图1所示，一种固支梁-悬臂梁耦合碰撞压电能量采集装置，包括基座1、固支梁2、悬臂梁3、两组压电片组4、滑块5和两个碰撞质量块6；所述固支梁2材质为不锈钢薄板，其一端基于第一基座1-1固定，所述固支梁2固定与基座1-1的一端两侧贴有第一压电片组4-1，所述第一压电片组4-1中的压电片为pzt压电片，并联连接在一起后外接电流引出端口，所述固支梁2的另一端连接所述滑块5，所述滑块
5安装于轨道1-3中并相应的设置有预紧机构（图中未示出），通过预紧机构可调节滑块5的固定位置，使固支梁2呈现单稳态和双稳态特征，预紧机构的结构形式可以是预紧螺栓，从侧部顶紧固支梁使其固定，所述固支梁的中部安装第一碰撞质量块6-1。
26.所述悬臂梁3的材质为不锈钢薄板，其固定端基于第二基座1-2固定，所述悬臂梁3固定端的两侧贴有第二压电片组4-2，所述第二压电片组4-2中的压电片为pzt压电片，并联连接在一起后外接电流引出端口，所述悬臂梁3的另一端安装第二碰撞质量块6-2。
27.所述悬臂梁3和所述固支梁2平行，所述第一碰撞质量块6-1和第二碰撞质量块6-2的位置相对，以便悬臂梁3和固支梁2在振动时，两个碰撞质量块可发生相互碰撞。
28.本实施例中，为了优化效果，适应外界振动特性，在优选的方案中，所述固支梁2和悬臂梁3之间的间距可调节，调节方式可以是所述悬臂梁的固定端和固支梁的固定端均为可拆卸连接结构，进而通过与基座的固定位置来调整。
29.本实施例中，所述固支梁的长度、厚度和悬臂梁的长度、厚度可调节，调节方式是更换不同长度和厚度的材料来实现。
30.本实施例中，所述碰撞质量块可拆卸的安装在所述固支梁上和所述悬臂梁上，通过更换碰撞质量块的材质或大小，改变碰撞质量块的重量，进而改变响应频率的宽度。
31.本实施例中，激励沿垂直于所述固支梁与悬臂梁的方向施加，激励方式可为基础激励、固支梁与悬臂梁上的点激励。
32.工作原理：在进行振动能量俘获时，沿垂直于固支梁2与悬臂梁3的方向施加激励，固支梁2和悬臂梁3会由于激励而产生振动；通过滑块5调节预紧力的大小，所述固支梁2可表现出单稳态和双稳态特性，具有不同的响应频带；在振动过程中，固支梁2与悬臂梁3其中的任一单元发生大幅度振动，都会由于碰撞作用的存在而使另一单元也产生的较大的振动，进而使根部压电片产生较大的电能输出。
33.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。