[发明专利]一种宽频压电振动能量收集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能量收集装置，特别涉及一种压电振动能量收集装置。

背景技术

近年来，随着微电子技术和无线技术的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。无线传感器网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术，不仅在战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等军事领域具有重要应用和军事价值，而且在社会建设的各个层面和人们的日常生活当中也有重要应用，比如生活中桥梁、建筑物安全性实时监测等。通常情况下，这些无线传感网络节点设备都是依靠传统的电池来提供能量，如镍氢电池、锂聚合物电池等。传统电池存在一些缺点，一是供能寿命有限，不可循环利用，使用一段时间后需要更换或者充电，对于分布在气候恶劣或者遥远地区的无线传感器网络而言，这是个很严重的制约条件；二是相对于微型传感器其体积仍然较大，限制了微传感器的进一步小型化。为了解决这些问题，研究人员提出了可以实现从周围环境吸收能量的能量收集器，有效解决了电池寿命有限、更换不便的困难。

目前，能量收集器的类型主要有压电式、静电式以及电磁式，三者之中，压电式能量收集器通过吸收环境中普遍存在的振动能量输出电能，具有可实现循环利用，能与MEMS技术很好地集成、能量输出密度大、无需启动电源以及结构简单等优点，其结构类型有悬臂梁式、Cymbal式、堆叠式等，其中悬臂梁结构是压电能量收集器的主流结构。

当周围环境振动源的频率与能量收集器谐振频率一致时，压电振动能量收集器收集效率高；然而当周围环境振动源的频率偏离悬臂梁谐振频率时，输出能量会急剧减少，收集效率低。周围环境中的振动源都具有一定频带宽度，能量收集器也具有一定的频带宽度，但是能量收集器存在频带窄，不能完全覆盖环境中振动源频带宽度的问题，导致能量收集效率低，限制了收集器在宽频振动环境中的应用。因此如何拓宽能量收集器的频带宽度是发展能量收集器面临的主要技术挑战之一。

目前，为解决压电振动能量收集器能在宽频振动环境中工作的问题，国内外提出了各种各样的解决方案。比如2008年Challa等人提出的磁式悬臂梁能量收集器，在单臂梁的基础上分别在装置的顶端、底端和梁的自由端沿垂直方向固定磁铁，通过调节磁铁间的距离改变梁的固有频率来实现宽频的能量收集，但是每次改变磁铁间的距离需要花费一定的时间，不能适应频率变化快的环境，而且不易实现集成化、微型化。Shahruz在2006年设计的阵列式压电悬臂梁能量收集器，利用多个贴有压电片的悬臂梁采用阵列方式分布，每个悬臂梁具有不同的几何尺寸而具有不同的谐振频率，每个梁相当于一个电源，通过串联的连接方式输出能量来达到拓频的效果，其缺点是梁与梁之间串联或并联存在相位差而产生耦合干扰，能量收集效率低。2010年南京航空航天大学申请了一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置的专利（CN201010601354.3），其中装置结构包括多个具有不同谐振频率的悬臂梁，每个悬臂梁上贴有压电片，悬臂梁之间通过串联或并联连接方式输出能量，达到拓宽频带宽度的效果，但是也存在因串联或并联方式产生耦合干扰导致能量收集效率低的问题。2012年重庆大学申请的关于宽频带微型压电振动能量收集器专利（CN201210459561.9）同样存在因串联或并联方式产生耦合干扰导致能量收集效率低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种宽频压电振动能量收集装置，能够应用在一定频带宽度振动源的环境中，同时避免了多个悬臂梁因串联或并联方式存在相位差而产生耦合干扰和内阻增加等问题，高效率的将环境中的振动能量转换为电能，而且可以连续输出电能。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种宽频压电振动能量收集装置，包括悬臂梁、质量块、碰撞尖端、固定支架、压电片和基底。

所述悬臂梁至少为两个，呈阵列分布；所述悬臂梁的一端与所述固定支架连接，所述悬臂梁的自由端下表面固定有所述碰撞尖端；所述质量块与所述悬臂梁一一对应，并固定于所述悬臂梁的自由端；所述压电片位于所述基底表面；所述压电片设置有上电极和下电极；所述基底位于所述阵列分布的悬臂梁的正下方，且固定于所述固定支架上。

作为优选，所述质量块的质量不相同，具体质量根据实际环境中的振动源频率范围设置。

作为优选，所述悬臂梁的形状可以为矩形或梯形或曲线形。

作为优选，所述悬臂梁阵列分布的形状可以为矩形或方形或圆形或椭圆形。

作为优选，所述碰撞尖端距基底的距离可以根据实际环境中的振动源频率范围及振动强度进行设置。