基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器

本发明涉及振动能量收集，尤其是涉及一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器。

背景技术：

1、随着无线通讯设备的发展，无线传感器网络已在环境监控、医疗、军事等领域有所应用，无线传感器的低占空比使得它们对功率的需求已经降低到几十到几百微瓦的范围。这种低功耗的无线传感器可以从环境中获得能量，从而消除对电池的需求。通过收集环境中的振动能量，给无限传感设备供电已成为研究热点。但传统的压电悬臂梁振动能量采集器能够收集到的工作频率范围较窄且谐振频率高

2、cn106160571b公开了多方向宽频带压电振动发电装置，包括第一悬臂梁和第二悬臂梁，所述第一悬臂梁的一端固定设置，另一端与第二悬臂梁的一端可拆卸式连接，第二悬臂梁的另一端为自由端并设置有质量块，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁之间具有夹角，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁均设置有压电片。但该多方向宽频带压电振动发电装置是通过改变第一悬臂梁和第二悬臂梁之间的夹角来实现多方向的振动能量收集，当两个悬臂梁直接的夹角过大会使得体积增大，适用的范围将会受限。

3、因此，亟需一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，以在复杂振动环境时中收集到不同工作频率范围的振动能量。

技术实现思路

1、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激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，通过设置正向矩形镂空的悬臂梁、正向梯形镂空的悬臂梁、反向矩形镂空的悬臂梁和反向梯形镂空的悬臂梁，具有结构简单、容易实施的优点，不仅可以拓宽带宽、还可以收集不同工作频带的振动能量。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的目的是提供一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，包括四个镂空的悬臂梁和铜块，镂空的悬臂梁是通过激光切割方法进行镂空的；四个镂空的悬臂梁分别粘贴固定于铜块的四个侧面；四个镂空的悬臂梁分别为正向矩形镂空的悬臂梁、正向梯形镂空的悬臂梁、反向矩形镂空的悬臂梁和反向梯形镂空的悬臂梁。

4、进一步地，所述正向矩形镂空的悬臂梁包括正向矩形镂空的弹性基底、正向矩形镂空的压电片，所述正向矩形镂空的压电片固定于正向矩形镂空的弹性基底上；所述正向梯形镂空的悬臂梁包括正向梯形镂空的弹性基底、正向梯形镂空的压电片，所述正向梯形镂空的压电片固定于正向梯形镂空的弹性基底上；所述反向矩形镂空的悬臂梁包括反向矩形镂空的弹性基底、反向矩形镂空的压电片，所述反向矩形镂空的压电片固定于反向矩形镂空的弹性基底上；所述反向梯形镂空的悬臂梁包括反向梯形镂空的弹性基底、反向梯形镂空的压电片，所述反向梯形镂空的压电片固定于反向梯形镂空的弹性基底上。

5、进一步地，所述正向矩形镂空的压电片通过导电银胶固定于正向矩形镂空的弹性基底上；所述正向梯形镂空的压电片通过导电银胶固定于正向梯形镂空的弹性基底上；所述反向矩形镂空的压电片通过导电银胶固定于反向矩形镂空的弹性基底上；所述反向梯形镂空的压电片通过导电银胶固定于反向梯形镂空的弹性基底上。

6、进一步地，所述正向矩形镂空的弹性基底、正向梯形镂空的弹性基底、反向矩形镂空的弹性基底和反向梯形镂空的弹性基底的长度相同、宽度相同、厚度相同。

7、进一步地，所述正向矩形镂空的压电片、正向梯形镂空的压电片、反向矩形镂空的压电片和反向梯形镂空的压电片的长度相同、宽度相同、厚度相同。

8、进一步地，所述正向矩形镂空的悬臂梁、反向矩形镂空的悬臂梁镂空的图形面积、大小相同；所述正向梯形镂空的悬臂梁、反向梯形镂空的悬臂梁镂空的图形面积、大小相同。

9、进一步地，所述正向矩形镂空的悬臂梁、反向矩形镂空的悬臂梁、正向梯形镂空的悬臂梁、反向梯形镂空的悬臂梁镂空的图形面积、大小相同。

10、进一步地，所述正向矩形镂空的弹性基底、正向矩形镂空的压电片同时被镂空的，镂空的形状为矩形，镂空的位置为中部。

11、进一步地，所述正向梯形镂空的弹性基底、正向梯形镂空的压电片同时被镂空的，镂空的形状为梯形，镂空的位置为中部。

12、进一步地，所述反向矩形镂空的弹性基底、反向矩形镂空的压电片同时被镂空的，镂空的形状为矩形，镂空的位置为中部。

13、进一步地，所述反向梯形镂空的弹性基底、反向梯形镂空的压电片同时被镂空的，镂空的形状为梯形，镂空的位置为中部。

14、进一步地，所述镂空指的是同时在弹性基底和压电片上利用激光切割的方法产生镂空槽孔；矩形镂空为三条依次连接的条形槽孔围合为矩形形状，一个方向开口，围合的中间部分形成镂空结构(即将原有的悬臂梁分割为外围悬臂梁和内部悬臂梁)；梯形镂空为三条依次连接的条形槽孔围合为梯形形状，梯形上底方向开口，围合的中间部分形成镂空结构(即将原有的悬臂梁分割为外围悬臂梁和内部悬臂梁)。

15、进一步地，所述正向矩形镂空的悬臂梁和正向梯形镂空的悬臂梁互相垂直；所述反向矩形镂空的悬臂梁和反向梯形镂空的悬臂梁互相垂直；所述正向矩形镂空的悬臂梁和反向矩形镂空的悬臂梁互相平行；所述正向梯形镂空的悬臂梁和反向梯形镂空的悬臂梁互相平行。

16、进一步地，所述正向矩形镂空的悬臂梁、正向梯形镂空的悬臂梁、反向矩形镂空的悬臂梁和反向梯形镂空的悬臂梁分别粘贴固定于铜块的四个侧面的正中央，通过不同的放置位置收集复杂振动环境时中不同工作频率范围的振动能量。

17、进一步地，所述正向矩形镂空的悬臂梁和反向矩形镂空的悬臂梁的不同在于镂空的图形朝向的方向相反；所述正向梯形镂空的悬臂梁和反向梯形镂空的悬臂梁的不同在于镂空的图形朝向的方向相反。

18、上述基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器的工作原理如下：根据使用场景的不同，可以将一个或多个压电片串联接入电路，给外界供电。当悬臂梁受到外界激励产生振动时，弹性基底带动压电片发生形变，利用压电材料的正压电效应，将振动能转换为电能。由于设置了多个悬臂梁，每个悬臂梁的谐振频率均不相同，这样就可以在复杂振动环境中收集到不同频率范围的振动能量。又因为每个悬臂梁都进行了镂空，由原本只能收集一阶固有频率范围内的电能，变成了可以收集一阶和二阶固有频率范围内的电能。

19、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

20、1)本技术方案所提供的基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，设置正向矩形镂空的悬臂梁、正向梯形镂空的悬臂梁、反向矩形镂空的悬臂梁和反向梯形镂空的悬臂梁结构，能够实现拓宽带宽、提高能量的利用率，具有结构简单、容易实施等特点。

21、2)本技术方案所提供的基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，由于设置了多个悬臂梁，每个悬臂梁的谐振频率均不相同，这样就可以在复杂振动环境中收集到不同频率范围的振动能量，又因为每个悬臂梁都进行了镂空，由原本只能收集一阶固有频率范围内的电能，变成了可以收集一阶和二阶固有频率范围内的电能。

技术特征：

1.一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，包括四个镂空的悬臂梁和铜块(11)；

2.根据权利要求1所述一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，所述正向矩形镂空的悬臂梁(3)包括正向矩形镂空的弹性基底(1)、正向矩形镂空的压电片(2)，所述正向矩形镂空的压电片(2)固定于正向矩形镂空的弹性基底(1)上；

3.根据权利要求2所述一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，所述正向矩形镂空的压电片(2)通过导电银胶固定于正向矩形镂空的弹性基底(1)上；

4.根据权利要求2所述一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，所述正向矩形镂空的弹性基底(1)、正向梯形镂空的弹性基底(14)、反向矩形镂空的弹性基底(9)和反向梯形镂空的弹性基底(6)的长度相同、宽度相同、厚度相同。

5.根据权利要求2所述一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，所述正向矩形镂空的压电片(2)、正向梯形镂空的压电片(12)、反向矩形镂空的压电片(17)和反向梯形镂空的压电片(16)的长度相同、宽度相同、厚度相同。

6.根据权利要求1所述一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，所述正向矩形镂空的悬臂梁(3)、反向矩形镂空的悬臂梁(8)镂空的图形面积、大小相同；

7.根据权利要求6所述一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，所述正向矩形镂空的悬臂梁(3)、反向矩形镂空的悬臂梁(8)、正向梯形镂空的悬臂梁(13)、反向梯形镂空的悬臂梁(5)镂空的图形面积、大小相同。

8.根据权利要求1所述一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，所述正向矩形镂空的悬臂梁(3)和正向梯形镂空的悬臂梁(13)互相垂直；

9.根据权利要求1所述一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，所述正向矩形镂空的悬臂梁(3)、正向梯形镂空的悬臂梁(13)、反向矩形镂空的悬臂梁(8)和反向梯形镂空的悬臂梁(5)分别粘贴固定于铜块(11)的四个侧面的正中央。

10.根据权利要求1所述一种基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，其特征在于，所述正向矩形镂空的悬臂梁(3)和反向矩形镂空的悬臂梁(8)的不同在于镂空的图形朝向的方向相反；

技术总结
本发明涉及基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器，包括四个镂空的悬臂梁和铜块，镂空的悬臂梁是通过激光切割方法进行镂空的；四个镂空的悬臂梁分别粘贴固定于铜块的四个侧面；四个镂空的悬臂梁分别为正向矩形镂空的悬臂梁、正向梯形镂空的悬臂梁、反向矩形镂空的悬臂梁和反向梯形镂空的悬臂梁。与现有技术相比，本发明的基于激光切割方法的多悬臂梁宽频压电振动能量采集器结构简单、容易实施、不仅可以拓宽带宽、还可以收集不同工作频带的振动能量。

技术研发人员：金妍,吕旖雯,郭弈巡,居家奇
受保护的技术使用者：上海应用技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13