高性能圆弧型压电式能量收集器

本实用新型公开了一种高性能圆弧型压电式能量收集器，该结构中梁基板采用延展性较好的磷青铜材料；压电层选用PZT5H；质量块采用镍材料。传统能量收集器均为直型结构，该能量收集器采用了一定弧度的圆弧型结构设计。当激励作用于质量块时，特定弧度的圆弧型压电能量收集器产生更高的电荷。该圆弧型能量收集器不仅可以吸附顶面的振动能量外，还可以吸附侧面的振动能量，提高了能量吸收强度，研究价值较高。

技术领域

本实用新型涉及一种高性能圆弧型压电式能量收集器，属于能量收集科技领域，以及微电子机械系统的科技领域。

背景技术

压电能量收集科技是将周边环境中能够直接运用的机械波，通过压电效应的方法转化为可以被运用的能量。在传统的直型压电悬臂梁结构中，外界震动施加于质量块顶部，悬梁振动形变，压电层形成压电效应。相比于其它方式的能量收集机制，这种构架简单的能量收集器更容易微型化、集成化，因而具备较大的研究价值。

从单一的直型压电悬臂梁振动能量采集器(中国专利公开号：CN105305879A)，到双稳态复合悬臂梁压电发电装置(中国专利公开号：CN102790549A)，均是以传统直型压电式能量收集器为基础设计各种压电式振动能量采集器，通过改进扩充该传统构架来提升振动能量转化效益。

实用新型内容

本实用新型所要解决的科技难题是提供一种高性能圆弧型压电式能量收集器，，在一些特定弧度下带有电势高，其特殊的弧形结构无法吸收顶面与侧面方向的振动能量。

本实用新型为缓解上述技术难题采用下面技术方案：

本实用新型提供一种高性能圆弧型压电式能量收集器，包括悬臂梁，所述悬臂梁有一个圆弧形薄片和一个正方形薄片连接而成，所述圆弧形薄片上粘附有压电层，所述正方形薄片上附着有质量块。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述圆弧形薄片的右端连接正方形薄片，左端为固定端。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述悬臂梁采用磷青铜材料制成。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述圆弧形薄片的内直径分别为20mm、30mm，圆弧度为90度。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述压电层的内直径分别为20mm、30mm，厚度为0.3mm，圆弧度为90度。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述压电层为PZT-5H。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述质量块运用镍材料制成。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述质量块的长、宽、高分别为10mm、10mm、10mm。

本实用新型与特色的直型压电能量收集器相比，具有以上明显的特点：

1、与传统直型能量收集器相比，圆弧型压电能量收集器在不同弧度下带有优势电势，在特定弧度下带有超高电势；弧度为210度的圆弧型压电能量收集器的电势最高；弧度为50度、80度、90度、110度、120度、190度、200度、210度的特定弧度具有超高电势；

2、与传统直型能量收集器相比，该能量收集器的一阶频率偏大；弧度为30度的圆弧型压电式能量结构的一阶谐振频率最大；

3、与传统直型能量收集器相比，该能量收集器并不受激励方向的阻碍，能够接受顶面与侧面的激励。其中弧度为90度的圆弧型压电能量器的鼓励方向为顶面时，一阶频率的电势高；激励方向为侧面时，二、三阶频率的电势高。

附图说明

图1是90度弧度的圆弧型压电能量收集器的几何结构。

图2是90度弧度的圆弧型压电能量收集器的电荷与速率关系图。

图3是直型压电能量收集器的几何结构。

图4是20度到320度弧度的圆弧型压电机的电势与速率关系图。

图5是不同弧度的弧形压电器相对的直型压电机的电势与速率关系图。

图6是不同弧度的弧形压电器与其相对直型压电机的一阶谐振频率对比图。

图7是不同弧度的圆弧形压电器与其相对直型压电机的电势对比图。

图8是单右侧面激励下90度弧度的圆弧型压电机的电势与速率关系图。

图中，1-圆弧型薄片，2-正方形薄片，3-压电层，4-质量块，5-固定端。

具体实施方法

下面结合附图对本实用新型的科技方案做进一步的详细说明：

相比较于传统直型压电式悬臂梁结构，本实用新型提供的圆弧型压电能量收集器能量收集器，在特定的弧度下可以输出超高电势，且消除了传统结构对于能量吸收方向的单一性，不仅可以吸附顶面的振动能量，而且还可以吸收侧面方向的振动能量，且具备容易集成化、微型化等特点。

本实用新型圆弧型压电能量收集器由以上几个部分构成：悬臂梁，它由一个一定弧度的圆弧型薄片与正方形薄片连接而成；压电层，附着在圆弧型薄片上；质量块能量收集器，附着在正方形薄片上。该结构的梁基板采用延展性较好的磷青铜材料；压电层选用PZT-5H；质量块采用镍材料。

如图1所示，是一个弧度为90度的圆弧型压电式能量收集器的几何构型。该结构的悬臂梁采用延展性较好的磷青铜材料，几何构型由一个内(Ra＝20mm)外(Rb＝30mm)半径的90度圆弧型薄片和长宽分别为LM＝10mm、WM＝10mm的正方形薄片连接而成、宽度W＝10mm、基层的宽度HS＝0.5mm；本结构压电层选择PZT-5H，压电层选取内(Ra＝20mm)外(Rb＝30mm)半径的90度圆弧、厚度hp＝0.3mm，90度弧度的圆弧型压电层附着于90度弧度的圆弧型薄片上；本结构质量块采用镍材料，质量块长宽高分别为LM＝10mm、WM＝10mm、HM＝10mm，附着于正方形薄片上；固定端为悬臂梁的上端。不同弧度的圆弧型压电能量收集器，所对应的悬臂梁圆弧型薄片与其附着的压电层弧度不同。

激励在顶面与侧面两种状况下，压电片均可产生高电压。在顶面鼓励的状况下，弧度为90度的圆弧型压电能量收集器的电荷与速率关系图，如图2所示。在单一侧面激励的状况下，弧度为90度的圆弧型压电能量收集器的电荷与速率关系图，如图8所示。

对质量块顶部施加边界载荷为10pa的压力作为激励，得出弧度为90度的弧形压电层各点耦合的平均电动势与多阶谐振频率关系图，如图2所示。为了突显该圆弧型收集器具有电势优势，通过弧度为90度的圆弧形压电能量收集器与传统直型压电能量收集器对比，只以两种不同形状的构架作为唯一对比参量，压电层的俯视投影面积等参量均维持一致。构建传统直型压电能量收集器，如图3所示。其中特色结构的梁臂宽度为10mm、压电层俯视投影面积为392.5mm2、激励的边界载荷为10pa、材料及其固定端均与该圆弧型压电能量收集器同样，对比两种结构的差别，如表1所示。

表1 直型与90度圆弧型压电式变量参数对比

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