[发明专利]一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器

说明书

本发明公开了一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器，包括主梁和沿所述主梁轴线分布的至少一组侧梁组；所述侧梁组包括位于所述主梁两侧且一端与所述主梁连接的侧梁；所述侧梁自由端上下表面均设有质量块；所述主梁两端的上下表面均设有压电片；所述主梁两端均具有夹持端，其中一个夹持端固支，另一个仅可沿所述主梁的轴线移动。本发明所提出的预压俘能器，具有可调频、高幅值和大带宽的优点。通过改变侧梁、主梁和质量块的结构和材料参数以及对非固支夹持端施加的轴向力，即可实现预压俘能器的谐振频率、电压幅值、位移幅值以及带宽的调节。因提出的预压俘能器具有结构简单、易于制备、成本低且操作方便等优点，故其工程实用性强。

技术领域

本发明涉及一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器，属于振动检测、压电发电与能量回收技术领域。

背景技术

随着微电子技术和无线通信技术的飞速发展，使得无线传感器、植入式设备和健康监测设备等低功耗设备在工业、交通、军事、医疗等多个领域得到广泛应用。大多数电子器件所需的能量是由传统化学电池提供的。但因传统电池具有体积大、寿命短、更换困难和污染环境等不可避免的缺点，使其难以满足微器件和低功耗设备的工业需求。目前，压电俘能器因具有结构简单、高能量密度、易小型化和集成化等优点，受到越来越多的关注。

尽管压电俘能器的类型多种多样，但当振动频率稍微远离俘能器的谐振频率时，俘能器的性能明显下降，严重影响了俘能器在不同振动环境中应用。为此，研究人员提出了具有自动调频和宽频的压电俘能器。例如：一种可调频阵列式压电俘能器，该俘能器通过改变压电堆栈的频率实现俘能器的调频。由于压电堆栈与铝合金基板粘接，使其调节过程较为复杂，调节频率范围有限。现有技术提出通过轴向力调节俘能器的谐振频率，但轴向力调节俘能器的谐振频率范围依然有限。一种压电-电磁复合式低频带宽俘能器，虽然该俘能器可以通过压电俘能和电磁俘能来增加俘能器的带宽，但无法实时调节俘能器的谐振频率；此外，混合式俘能器还存在制备过程复杂和体积较大等不足。

因此，通过上述分析可知：在可调频和宽频方面，现有压电俘能器依然存在制备过程复杂、体积大和调频范围有限等问题。为此，急需设计一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器。通过调节所述侧梁、所述主梁和所述质量块的结构和材料参数以及对非固支夹持端施加的轴向力，改变所述预压俘能器的等效刚度和等效质量，进而实现所述预压俘能器的谐振频率、电压幅值、位移幅值以及带宽的调节。

本发明采用的技术手段如下：

一种具有可调频、高幅值和大带宽的预压俘能器，包括主梁和沿所述主梁轴线分布的至少一组侧梁组；

所述侧梁组包括位于所述主梁两侧且一端与所述主梁连接的侧梁；

所述侧梁自由端上下表面均设有质量块；

所述主梁两端的上下表面均设有压电片；

所述主梁两端均具有夹持端，其中一个夹持端固支(限制其六个自由度)，另一个仅可沿所述主梁的轴线移动，其移动是依靠外力做功使所述主梁发生弹性变形实现的，当沿所述主梁的轴线对其施加压力后，其固支。

工作状态下，通过调节所述侧梁、所述主梁和所述质量块的结构和材料参数以及对非固支夹持端施加的轴向力，改变所述预压俘能器的等效刚度和等效质量，进而实现所述预压俘能器的谐振频率、电压幅值、位移幅值以及带宽的调节。

所述压电片与所述主梁粘结；

所述质量块与所述侧梁粘结。

所述主梁和所述侧梁为一体结构或之间通过胶接、铆接等方式连接。

位于同一端的所述压电片串联或并联。

所述压电片之间串联或并联。