[发明专利]多臂耦合型碰撞式压电能量收集装置

说明书

技术领域

本发明属于能量收集领域，涉及一种能量收集装置，具体涉及一种多臂耦合型碰撞式压电能量收集装置，可用于将环境中的机械能转化为电能。

背景技术

能量收集装置能够从周围环境中获取能量，并将其转化为电能。利用能量收集装置对设备或电路进行供电，与传统的电池供电方式相比，可以降低因更换电池产生的维护成本以及因电池电能耗尽带来的工作故障。

目前，能量收集装置根据收集和转化的对象和原理的不同，可以分为光伏能量收集装置、热电能量收集装置和压电能量收集装置三类。其中，压电能量收集装置，利用压电材料所具有的压电效应将周围环境中的振动能量收集并转化为电能。压电效应，分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指当压电材料产生机械变形时，在压电材料表面出现电荷的现象。逆压电效应是指对压电材料施加交变电场引起材料机械变形的现象。

传统的压电能量收集装置，包括基座，弹性基板，压电片，质量块和两个电极。弹性基板的一端由基座固定；压电片粘贴在弹性基板上表面，用于感知周围环境中的振动；质量块固定在弹性基板的自由端，用于调整压电能量收集装置自身的谐振频率；两个电极分别焊接在压电片的上表面和弹性基板的下表面，作为电荷的输出接口。传统的压电能量收集装置能够感知环境中的振动并将其转化为电能，结构简单，易于实现，但其采用单压电悬臂梁结构，因此只具有单一的谐振频率，而且，其谐振频率过高，无法与环境中的低频振动的频率相匹配，实现高效地能量转化。

为了提高压电能量收集装置的转换效率，科研人员提出了多种改善能量收集装置性能的方法。这些方法可以分为如下三类：自适应谐振、多模态和频率变换。其中，自适应谐振，是指压电能量收集装置通过自动地调整自身的谐振频率，与环境中的振动频率相匹配达到谐振的效果，从而拓宽能量收集装置的频带宽度，但是在调节过程中，需要不断地检测压电悬臂梁的振动幅度，同时调节压电悬臂梁的谐振频率，这在实际中是难以实现的；多模态，是指压电能量收集装置具有多个不同谐振频率，且在不同的谐振频率附近具有不同的振动传输参数，即通过增加谐振点数目实现能量收集装置频带宽度的拓宽，但是，并不是所有模态都能够有效地传输低频振动，大部分模态由于谐振频率过高，无法与环境中的低频振动频率相匹配，成为无用模态；频率变换，是指将环境中频率较低的振动转化为频率较高的压电悬臂梁的振动。目前，常见的频率变换方式有：磁耦合和碰撞。其中碰撞是指将环境中的低频振动能量以碰撞的形式传递给压电悬臂梁，使压电悬臂梁以自然频率振动，从而达到使压电材料发生形变，产生电荷的目的。例如：授权公告号为CN101714834B，名称为“碰撞式压电振动能量收集装置”的发明专利，公开了一种碰撞式压电振动能量收集装置，该装置包括支撑基片、垫片、振动块、固定块等；支撑基片固定在垫片上，垫片固定在振动块上，振动块在环境振动或冲击的作用下与固定块之间产生相对运动，与固定块发生碰撞，碰撞后支撑基片带动压电层以其自振频率振动。所述支撑基片为压电材料或固定有压电层。所述支撑基片上有质量块。本发明可以有效地收集低频、高强度冲击的振动能量，缓解了因低频振动与收集装置的谐振频率不易匹配、频带宽度太窄造成的能量收集效率低的问题。但是，由于该能量收集装置采用单压电悬臂梁结构，因此其仍然具有谐振频率单一，频带宽度较窄的问题，并且由于该结构中产生电荷的支撑基板与振动块连接不够紧密，致使振动块碰撞后得到的能量只有一部分传递到支撑基板上，从而降低了能量收集的效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种多臂耦合型碰撞式压电能量收集装置，用于解决现有压电能量收集装置中存在的因谐振频率单一和频带宽度较窄导致的能量收集效率低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：