[发明专利]一种基于三维柔性主梁的多方向振动能量采集结构

说明书

本发明提供的一种基于三维柔性主梁的多方向振动能量采集结构，包括有柔性主梁、第一压电采集棒、第二压电采集棒、第三压电采集棒及压电悬臂梁，其中的压电悬臂梁可采集水平及竖直方向振动能量，第一压电采集棒可采集任一垂直于水平环及竖直环径向的振动能量，第二压电采集棒可采集任一平行于水平环及竖直环环面的振动能量，从而实现多方向振动能量的采集；另外通过调节压电悬臂梁和压电采集棒的尺寸、数量及位置，可以实现不同压电悬臂梁和压电采集棒的振动模态分离，拓宽系统工作频带，能更加有效的对外界振动能量进行采集；同时可适时调节系统的有效频带宽度，提高能量采集器输出的连续性和稳定性，进而增强振动能量采集器的环境适应能力。

技术领域

本发明涉及微机电装置领域，尤其涉及一种基于三维柔性主梁的多方向振动能量采集结构。

背景技术

随着无线传感网络在野外环境、工业监测中的广泛布设以及可穿戴设备、随身医疗电子系统等的迅猛发展，其中的无线传感网络节点及特殊领域中微小型电子器件的电能供给成为了进一步推进其应用的关键问题。传统的电能供给存在一些无法克服的缺陷，如化学电池体积大、寿命短、污染环境的问题，有线电源架接困难的问题，因而采集周围环境中的能量转化为电能来满足无线传感网络或特殊领域微小型电子器件的自供电需求已成为研究热点。其中振动能作为环境中存在形式最多的一种能量，广泛存在于自然环境中(如风致振动、动物运动等)和人类生活生产环境中(如人体运动、汽车火车等运输工具、桥梁、工矿设备等)，与太阳能、风能等环境能量形式相比，振动能对无线传感网络和特殊领域微小型电子器件具有明显的供电优势，只要外界存在振动，就可以通过能量采集装置持续收集补充能量，因此振动能的采集利用具有着极大的实用价值。目前用于采集振动能的装置被称为振动能量采集装置，其普遍是在特定频率范围内，实现单一方向的振动能量采集，因此存在工作频带较窄、谐振频率高、能量采集方向单一的问题；同时装置在采集振动能量时面对复杂振动环境时，振动频率随机多变，造成能量采集效率极低且输出的稳定性、连续性极差，对环境的适用性不足。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，提供一种基于三维柔性主梁的多方向振动能量采集结构，从而可解决振动能量采集装置存在工作频带较窄、谐振频率高、能量采集方向单一及振动频率随机多变导致能量采集效率极低且输出稳定性、连续性极差，对环境的适用性不足的问题。

为实现本发明目的而提供的一种基于三维柔性主梁的多方向振动能量采集结构，包括有柔性主梁、第一压电采集棒、第二压电采集棒、第三压电采集棒及压电悬臂梁，所述柔性主梁包括有水平环及竖直环，所述水平环与竖直环垂直交叉为一体，所述第一压电采集棒的末端垂直粘结固定于水平环与竖直环外圆柱侧表面，所述第二压电采集棒沿水平环或竖直环的轴线方向布置，所述第二压电采集棒的末端垂直粘结固定于水平环的上下表面，所述第二压电采集棒的末端垂直粘结固定于竖直环的左右表面，所述压电悬臂梁沿水平环、竖直环的径向分布，固定端嵌入固定在水平环及竖直环的内圆柱侧表面，悬浮端指向水平环及竖直环的内环中心，所述第三压电采集棒的底部采用AB胶粘结固定于压电悬臂梁的悬浮端，所述第一压电采集棒及第二压电采集棒包括有主芯、柔性导电层及柔性压电层，所述主芯为圆柱结构，所述柔性导电层包覆于主芯的侧部表面，所述柔性压电层粘贴于柔性导电层的下部外表面。

作为上述方案的进一步改进，所述第三压电采集棒包括有主芯、柔性压电层及柔性导电层，所述主芯为圆柱结构，所述柔性导电层包覆于主芯的侧部表面，所述柔性压电层粘贴于柔性导电层的下部外表面，所述主芯的末端长度超出柔性导电层及柔性压电层。

作为上述方案的进一步改进，所述压电悬臂梁包括有基板和柔性压电层，所述柔性压电层使用导电银胶粘贴在基板的后端上表面，所述柔性压电层不与第三压电采集棒接触。

作为上述方案的进一步改进，所述第一压电采集棒、第二压电采集棒、第三压电采集棒及压电悬臂梁的个数均不小于1。

作为上述方案的进一步改进，所述柔性主梁选用PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯和天然橡胶中的一种。