阅读说明：本技术 一种不对称悬臂梁式压电宽频振动能量收集装置 (Asymmetric cantilever beam type piezoelectric broadband vibration energy collecting device ) 是由 邹爱成 沈星 王群英 刘忠 宋小辉 韩兴国 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种不对称悬臂梁式压电宽频振动能量收集装置,包括第一质量块,及在第一质量块上间隔设置的第一悬臂梁和第二悬臂梁,第一悬臂梁的另一端设有基座,第二悬臂梁的另一端设有第二质量块,第一悬臂梁上设有一组间隔设置的第一压电片,第二悬臂梁上设有一组间隔设置的第二压电片,第一悬臂梁的长度大于第二悬臂梁的长度。这种收集装置能有效拓宽压电结构对环境振动响应的频带,能有效提高同等可比条件下压电结构对环境振动的能量收集效率。(The invention discloses an asymmetric cantilever beam type piezoelectric broadband vibration energy collecting device which comprises a first mass block, a first cantilever beam and a second cantilever beam, wherein the first cantilever beam and the second cantilever beam are arranged on the first mass block at intervals, a base is arranged at the other end of the first cantilever beam, a second mass block is arranged at the other end of the second cantilever beam, a group of first piezoelectric patches are arranged on the first cantilever beam at intervals, a group of second piezoelectric patches are arranged on the second cantilever beam at intervals, and the length of the first cantilever beam is greater than that of the second cantilever beam. The collecting device can effectively widen the frequency band of the piezoelectric structure responding to the environmental vibration and effectively improve the energy collecting efficiency of the piezoelectric structure to the environmental vibration under the same comparable condition.)

一种不对称悬臂梁式压电宽频振动能量收集装置

技术领域

本发明涉及一种振动能量收集技术，具体是一种不对称悬臂梁式压电宽频振动能量收集装置。

背景技术

谢涛设计了一种多悬臂梁式宽频俘能结构，如图3所示，通过将多个悬臂梁压电振子组成一个多压电振子振列，从而拓宽压电振子的谐振频带，使压电振子在一段频率范围内都能产生谐振或者近似的谐振。通过合适的设计悬臂梁长度和质量块大小，它能够在多个相近频率点处实现共振，进而能在宽的频带内实现能量收集。

刘少刚设计了两自由度分段线性压电振动能量收集装置的结构，如图4所示，装置由一个两自由度主悬臂梁和一个单自由度从动悬臂梁组成。作为能量转换部件的压电片贴附于两自由度主梁的第一段梁上，位于主梁的中部与顶端的质量块将作为振动质量。质量块与从动梁之间有距离间隙，当基座处的外部激振足够大时，由于质量块在每个振动周期中的位移大于间隙距离而与从动梁发生碰撞作用。该结构能产生两个模态的响应频率，但存在结构比较复杂的问题。

上述两种结构的不足之处是结构比较复杂，且每根梁上只配置一整块压电片，能量收集效率较低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，而提供一种不对称悬臂梁式压电宽频振动能量收集装置。这种收集装置能有效拓宽压电结构对环境振动响应的频带，能有效提高同等可比条件下压电结构对环境振动的能量收集效率。

实现本发明目的的技术方案是：

一种不对称悬臂梁式压电宽频振动能量收集装置，包括第一质量块，及在第一质量块上间隔设置的第一悬臂梁和第二悬臂梁，第一悬臂梁的另一端设有基座，第二悬臂梁的另一端设有第二质量块，第一悬臂梁上设有一组间隔设置的第一压电片，第二悬臂梁上设有一组间隔设置的第二压电片，第一悬臂梁的长度大于第二悬臂梁的长度。

所述第一悬臂梁和第二悬臂梁的材料为导电金属材料。

所述第一悬臂梁与第二悬臂梁之间的间隙为5mm。

所述第一悬臂梁和第二悬臂梁的密度为2.7x10³ kg/m³，杨氏模量为60 Gpa。

所述第一质量块的重量为5.06g，第二质量块的重量为2.89g。

所述第一压电片和第二压电片的密度为7.5x10³ kg/m³，杨氏模量为66 Gpa。

所述第一压电片为2块，2块第一压电片之间的间隙为1mm。

所述第二压电片为2块，2块第二压电片之间的间隙为1mm。

这种收集装置有效拓宽压电结构对环境振动响应的频带，有效提高同等可比条件下压电结构对环境振动的能量收集效率。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例的侧视图；

图3为现有技术中谢涛设计的压电俘能结构示意图；

图4为现有技术中刘少刚设计的收集装置结构示意图；

图5为实施例的频率响应图；

图6为实施例的输出电功率随激振频率的变化示意图。

图1中，1.第一悬臂梁 2.第二悬臂梁 3.第一质量块 4.基座 5.第二质量块 6.第一压电片 7.第二压电片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1、图2，一种不对称悬臂梁式压电宽频振动能量收集装置，包括第一质量块3，及在第一质量块3上间隔设置的第一悬臂梁1和第二悬臂梁2，第一悬臂梁2的另一端设有基座4，第二悬臂梁2的另一端设有第二质量块5，第一悬臂梁1上设有一组间隔设置的第一压电片6，第二悬臂梁2上设有一组间隔设置的第二压电片7，第一悬臂梁1的长度大于第二悬臂梁2的长度。

所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2的材料为导电金属材料，本例为铝。

所述第一悬臂梁1与第二悬臂梁2之间的间隙为5mm。

所述第一悬臂梁1和第二悬臂梁2的密度为2.7x10³ kg/m³，杨氏模量为60 Gpa。

所述第一质量块3的重量为5.06g，第二质量块5的重量为2.89g。

所述第一压电片6和第二压电片7的密度为7.5x10³ kg/m³，杨氏模量为66 Gpa。

所述第一压电片6为2块，2块第一压电片6之间的间隙为1mm。

所述第二压电片7为2块，2块第二压电片7之间的间隙为1mm。

本例第一悬臂梁1的尺寸为长70mm、宽11mm、高0.6mm，第二悬臂梁2的尺寸为长60mm、宽11mm、高0.6mm。

本例第一质量块3和第二质量块5的材料均为铸铁，第一质量块3的尺寸为长5mm、宽26mm、高5mm，第二质量块5的尺寸为长5mm、宽11mm、高7mm。

本例第一压电片6和第二压电片7的材料均为压电瓷陶PZT-5H，其中每块第一压电片6的尺寸为长60mm、宽5mm、高0.2mm，每块第二压电片7的尺寸为长45mm、宽5mm、高0.2mm。

测试：

将第一悬臂梁1的基座端固定在激振台上，给激振台施加幅值为5mm，扫描频率为0~100Hz的振动。

频响测试：激振台振动情况下，第一悬臂梁1在第一质量块3的端部的位移和第二悬臂梁2在第二质量块5的端部的位移反映了本例装置对激振频率的响应情况，由图5可知：在激振频率为28.01Hz时，第一悬臂梁1有最大振幅，故本例装置的一阶响应频率为28.01Hz；在激振频率为34.02Hz时，第二悬臂梁2有最大振幅，故本例装置的二阶响应频率为34.02Hz。

输出功率测试：测得本例装置的输出电功率随激振频率的变化如图6所示，当激振频率为29.01Hz时，PZT1、PZT2的输出功率最大，结构总的输出功率最大，达20.05mW; 当激振频率为29.01Hz时，2块第一压电片6的输出功率最大，本例装置总的输出功率达第一个峰值，达20.05mW; 当激振频率为35.40Hz时，2块第二压电片7的输出功率最大，本例装置总的输出功率达第二个峰值，达12.95mW;当激振频率处于为28.12Hz和36.58Hz之间时，本例装置总输出功率均超过5mW，也就是说，本例装置对环境振动频率为28.12Hz和36.58Hz之间的振动有较好的响应，实现了宽频高效能量采集。