[发明专利]收集人体动能的开槽式压电能量收集器

说明书

本发明涉及一种收集人体动能的开槽式压电能量收集器，它包括压电陶瓷悬臂梁、上夹持块、下夹持块、压电陶瓷和质量块；压电陶瓷悬臂梁左端由上夹持块和下夹持块夹紧固定；质量块放置在压电陶瓷悬臂梁的最右端，且处于宽度方向的中间位置；压电陶瓷悬臂梁上开有六个大小一致的平行四边形槽；压电陶瓷片沿着长度方向均匀地分布在压电陶瓷悬臂梁上；开槽式压电能量收集器有三种工作模式，包括利用单个振动模态工作和同时利用二个振动模态工作的模式。通过对开槽的角度、槽的宽度和深度、压电陶瓷的长度、宽度、质量块的质量以及悬臂梁的长、宽、厚等变量进行优化，以提高运动能的转换效率和增加电能的输出。

技术领域

本发明属于压电能量收集领域，具体涉及一种收集人体动能的开槽式压电能量收集器。

背景技术

伴随着微机电系统、无线传感网络技术及低功耗传感器的不断发展，基于无线传感网络的可穿戴式电子设备在日常生活中已经得到了广泛的应用。目前，这些微机电系统的供电方式大多是利用化学电池进行供能，但化学电池存在体积大、使用寿命有限、特殊场合不易更换等缺点，此外废弃的电池还会造成资源浪费和环境污染，这使得化学电池的应用受到了制约。为了使无线传感网络能够长期稳定地工作，因此需开发出能长期稳定地提供电源的技术。收集人体运动时产生的动能为微机电系统供电，是一种替代传统电池供电的有效方法。该研究领域得到了越来越多人的关注，而且已取得了快速的发展。

人体动能收集不会受到地域、时间等一些因素的影响，只要人体在运动就会有能量产生。压电式人体动能收集器通过人体运动产生的振动能致使压电材料产生变形，进而通过正压电效应，产生电势差并为负载提供电能。压电式人体动能收集器具有结构简单、寿命长、能量密度高、易于加工和结构易微型化等特点，受到了研究者的广泛关注。这些小型的能量收集技术的收集能量一般可以达到μW或者mW级别，可以满足低功耗无线传感网络节点的能量需求。因此将人体动能转化为电能的技术具有广泛的应用前景，并具有较好的经济价值，是目前微电源技术的研究热点之一。

收集人体动能的压电能量收集器有广阔的发展前景，但人体运动时的振动频率比较低，频率范围一般为1-5Hz，而压电能量收集器刚度大、固有频率高，因此提高人体动能的收集效率是迫切需要解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种收集人体动能的开槽式压电能量收集器，以解决目前的人体动能收集器固有频率较高、人体动能转换为电能的转换效率低等问题，并通过优化收集器的结构参数提高输出功率。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种收集人体动能的开槽式压电能量收集器，包括压电陶瓷悬臂梁、上下夹持块、压电陶瓷片、质量块，压电陶瓷悬臂梁长矩形薄板条，其一端由上下夹持块夹持固定，另一端安装质量块，而中间均布黏贴着压电陶瓷片，两边分别开有若干类平行四边形的细缝形槽；当外界激励作用在上夹持块或下夹持块时，压电陶瓷悬臂梁产生振动，致使压电陶瓷片产生变形而产生压电效应。

优选地，压电陶瓷悬臂梁的工作振动模态有三个：一阶弯曲振动模态、二阶弯曲振动模态和一阶扭转振动模态；有三种工作模式：第一种工作模式是外界激励力只激励出一阶弯曲振动模态或二阶弯曲振动模态，此时压电陶瓷悬臂梁产生一阶或二阶弯曲振动；第二种工作模式是外界激励力只激励出一阶扭转振动模态，此时压电陶瓷悬臂梁产生一阶扭转振动；第三种工作模式是外界激励力同时激励出二阶或一阶弯曲振动模态和一阶扭转振动模态，此时压电陶瓷悬臂梁产生的振动是二阶或一阶弯曲振动和一阶扭转振动的混合振动。

优选地，当外界激励力的频率和大小不同时，激励出收集器不同的工作模式；通过对压电陶瓷悬臂梁的长、宽、厚、压电陶瓷片的长度、宽度、质量块的质量以及槽的角度、宽度等变量进行优化，可调整该能量收集器的固有频率，使其适应人体运动能的采集，从而提高人体运动能转化为电能的有效性。

本发明的原理如下：