[发明专利]一种多方向宽频带压电能量收集器

说明书

本发明涉及一种多方向宽频带压电能量收集器，属于能量采集领域。该能量收集器包括基座、悬臂梁、压电陶瓷、质量块、第一电极和第二电极和导线；固定基座的顶面是绝缘层，侧面是可导电的长方体；悬臂梁的底端固定在基座上；压电陶瓷位于悬臂梁的内侧和外侧；质量块与压电悬臂梁一一对应，并固定于悬臂梁顶端内侧压电陶瓷上；第一电极和第二电极分别连接压电陶瓷。本发明提出的多方向宽频带压电能量收集器，能多方向收集环境中具有一定频带宽度的振动源能量，有效拓宽了工作频率宽度，同时提高了能量收集效率，而且可达到轻量化、易集成化，扩宽了能量收集的适用范围，增强了实用性。

技术领域

本发明属于能量采集技术领域，涉及一种多方向宽频带压电能量收集器。

背景技术

无线传感器网络节点的供能已经成为了制约无线传感器网络发展的重大瓶颈。由于部署在不同应用场合的传感器越来越多，如果采用传统化学电池供电，则需要越来越多的工作人员不定期的进行更换和充电，这会大大增加人力成本。同时，传统化学电池的使用还会对环境造成极大的污染。在寻找传感器供能新方式上，有许多的选择，比如太阳能电池供电、热能供电、风能供电、振动能供电等。由于振动能在环境中广泛存在，所以振动能供电相比于其他几种供电方式不太容易受到环境的影响，更适合应用于无线传感器网络。

生活中的振动能是比较丰富的，洗衣机、微波炉、冰箱等电器运行时会产生振动，人的行走会引起木板振动，车在公路上飞驰会引起路面的振动，类似的振动还有很多，总之振动是无处不在的。振动能具有普遍存在、清洁环保的特点，因此研究振动能量收集技术，设计振动能量收集器并将其应用于无线传感网络是非常有意义的。压电式振动能量收集器基于正压电效应，当压电材料受到振动源激励时，会产生相应的振动，压电材料表面因极化效应而聚集电荷，通过能量收集接口电路和电源管理电路将压电材料产生的电能转化为可以供给无线传感器使用的电能。环境中的振动能多种多样，具有宽频带和随机性的特征，而传统的压电振动能量收集器具有工作频带窄、振动方向单一的缺点，不能充分利用环境中的振动能，所以不能很好的解决无线传感器网络节点的供能问题。

因此亟需一种多方向宽频带压电能量收集器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多方向宽频带压电能量收集器，实现了对外界的振动能量通过多方向的压电悬梁臂进行能量转换输出。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多方向宽频带压电能量收集器包括固定基座、悬臂梁、压电陶瓷、质量块、第一电极和第二电极和导线；固定基座的顶面是绝缘层，侧面是可导电的长方体；悬臂梁的底端是固定在固定基座上；压电陶瓷位于悬臂梁内侧和外侧；质量块与悬臂梁匹配对应，并固定于悬臂梁顶端内侧压电陶瓷上；第一电极和第二电极分别连接在压电陶瓷上；导线分别连接对应悬臂梁的内侧压电陶瓷。

可选地，质量块的质量是根据悬臂梁的固有频率和实际环境的振动频率范围运用公式

计算得到，其中m表示单所述悬臂梁的等效质量，k表示该单所述悬臂梁的等效刚度，c表示该单所述悬臂梁的等效阻尼，E_e、E分别表示所述压电陶瓷的弹性模量、金属片的弹性模量，假设单所述悬臂梁末端质量块的质量为m_m，l_r为所述单悬臂梁的有效工作长度，金属片的密度为ρ，长度为l，宽度为w，高度为h；所述压电陶瓷的密度为ρ_e，长度为l_e，宽度为w_e，高度为h_e；所述质量块的密度为ρ_m，长度为l_m，宽度为w_m，高度为h_m。

可选地，悬臂梁是阵列式分布且有八个，形状为矩形，材料为铝合金，长度为60mm，宽度为10mm，厚度为0.2mm，对称的分布在固定基座上，且拥有不同谐振频率。