[发明专利]一种对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置

说明书

一种对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置，包括一个或一个以上的矩形板状的压电能量收集单元，以及夹持压电能量收集单元的边缘并向压电能量收集单元提供向心压缩力的夹具。压电能量收集单元包括一矩形板状的柔性矩形板，以及贴合在柔性矩形板表面的柔性压电元件。本发明相比与常见的采用轴向压缩的单层双稳态板式压电能量收集装置，不仅可以实现多向调节，具有更宽的频率响应范围和更高的输出功率；而且利用夹具对柔性矩形板角点处的向心压缩力调节，柔性矩形板表面贴合的柔性压电元件受力更加均匀，可充分发挥压电材料的压电特性，发电效率更高。

技术领域

本发明属于压电能量收集领域，具体涉及一种双稳态板式压电能量收集装置。

背景技术

如今传感网络的应用十分普遍，物联网技术的发展推动了传感网络的使用。随着电子技术以及其他相关领域的技术发展，制造功耗越来越低的传感器已经实现，传感网络的能量供给需求降低，一些传感网络的功率已经降低至毫瓦量级。

传感网络主要通过化学电池供能，虽然传感网络的功耗降低可以延长电池的使用时间，但是电池的更换会付出大量的成本，而且在一些特大型传感网络中更换电池几乎难以实现。为了克服电池供能带来的问题，一些研究提出能量收集技术的概念，通过收集自然环境中耗散的能量为传感网络供能。振动广泛存在于自然环境中并具有较高的能量密度，振动能量收集技术对应用环境的要求较低，可以提供较为稳定的能量。振动能量收集技术主要有电磁式能量收集技术；静电式能量收集技术和压电式能量收集技术。压电能量收集技术相比另外两种振动能量收集技术具有结构简单，输出电压和功率高等显著的优点，已成为振动能量收集技术的主要研究方向，利用压电能量收集技术设计的压电能量收集装置受到越来越多的关注。

近十年来，双稳态压电能量收集技术因为具有可收集振动能量的频带宽等重要的特性得到了特别的关注。双稳态系统具有两个稳定的势能最低点，当双稳态系统从一个稳定位置转移到另一个稳定位置会实现更大的位移幅值。正是由于双稳态系统具有的非线性特征，双稳态压电能量收集技术相比于线性能量收集技术可以有效的收集更宽频率的振动能量。

现有的双稳态压电能量收集装置需要通过永磁体引入非线性永磁力才能实现双稳态结构，永磁体在振动能量收集过程中不仅易受周围磁场的影响，同时它本身产生的磁场也会对附近的电子元器件产生影响，难以与微型电子元器件兼容。还有一类免磁铁的双稳态压电能量收集装置采用轴向压缩力实现双稳态结构，轴向压缩力只能实现单向调节，不易实现双稳态结构；此外仅利用轴向压缩力会使装置中的压电元件受力不均，难以充分发挥压电材料的压电特性，发电效率较低难以满足电子元器件的供能要求。

发明内容

本发明为了解决已有基于线性系统设计的压电能量收集装置存在工作频带较窄，能量收集效率低下的缺陷和基于非线性永磁力的双稳态压电能量收集装置引入电磁干扰，以及免磁铁双稳态压电能量收集装置只能单向调节轴向压缩力不易实现双稳态结构且难以发挥压电材料的压电特性，发电效率较低等缺陷，提供了一种免磁铁的对角压缩的双稳态板式压电能量收集装置。利用夹具对柔性矩形板角点处的向心压缩力调节，柔性矩形板表面贴合的柔性压电元件受力更加均匀，可充分发挥压电材料的压电特性，发电效率更高。本发明通过夹具从上到下夹持多层双稳态板的技术方案，提高压电能量收集装置的输出电量和功率。本发明提供的对角压缩的多层双稳态板式压电能量收集装置相比与常见的采用轴向压缩的单层双稳态板式压电能量收集装置的空间利用率较高，可以实现多向调节，具有更宽的频率响应范围和更高的输出功率。

本发明是通过以下技术方案实现的：