本發(fā)明涉及能量采集器，具體涉及一種基于壓電效應的全向能量采集器及其調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有的能量采集器大部分只能進行單向能量采集，不能在多場景下使用，使用場景受到限制。有的能量采集器可以實現(xiàn)多方向能量采集(闞君武,吳亞奇,張忠華,等.扭擺式多方向壓電振動俘能器的研究[j].中國機械工程,2023,34(4):440-445.doi:10.3969/j.issn.1004-132x.2023.04.008.)，但部分方向為薄板的扭曲變形，采集效率較低。為了提高低頻振動能量采集效率，有專家學者將單向的能量采集進行陣列布置，進而實現(xiàn)多方向能量采集。但這種形式結(jié)構(gòu)比較復雜，限制了能量采集器在自供電傳感器領(lǐng)域的應用。

2、如何在降低結(jié)構(gòu)復雜度的條件下，實現(xiàn)全向能量采集，是一個亟待解決的問題。為此，提出一種基于壓電效應的全向能量采集器及其調(diào)節(jié)方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于：如何在降低結(jié)構(gòu)復雜度的條件下，實現(xiàn)全向的能量采集，提供一種基于壓電效應的全向能量采集器。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的，本發(fā)明包括擺動機構(gòu)、基板、支撐橫梁與四個側(cè)板，所述擺動機構(gòu)的下端設(shè)置在所述基板的上表面中間位置，當基板被振動時，通過所述擺動機構(gòu)將振動位移信號放大，所述支撐橫梁的下端與所述基板固定連接，四個側(cè)板包括兩個上側(cè)板與兩個下側(cè)板，其中兩個上側(cè)板的上端均與所述支撐橫梁固定連接，兩個下側(cè)板的下端均與所述基板固定連接，兩個上側(cè)板的下部與兩個下側(cè)板的上部圍設(shè)在擺動機構(gòu)的外側(cè)，且與擺動機構(gòu)的外側(cè)四周接觸，兩個上側(cè)板的外表面上部均設(shè)置有一個壓電片，兩個下側(cè)板的外表面下部均設(shè)置有一個壓電片。

3、更進一步地，所述擺動機構(gòu)包括支撐細桿與質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊設(shè)置在所述支撐細桿的上端并與其可拆卸連接，所述支撐細桿垂直于所述基板設(shè)置，且其下端與所述基板固定連接。

4、更進一步地，所述質(zhì)量塊與支撐細桿之間采用螺紋連接。

5、更進一步地，兩個上側(cè)板的下部與兩個下側(cè)板的上部圍設(shè)在質(zhì)量塊的外側(cè)，且與質(zhì)量塊的外側(cè)四周接觸，兩個上側(cè)板的下端面與兩個下側(cè)板的上端面平齊。

6、更進一步地，四個側(cè)板規(guī)格一致，均與所述基板垂直設(shè)置。

7、更進一步地，兩個上側(cè)板相互平行，兩個下側(cè)板相互平行。

8、更進一步地，所述基板的四角處均設(shè)置有用于安裝能量采集器的安裝孔。

9、本發(fā)明還提供了上述基于壓電效應的全向能量采集器的調(diào)節(jié)方法，用于對擺動機構(gòu)的諧振頻率進行調(diào)節(jié)，使其諧振頻率與振動頻率一致，包括以下步驟：

10、s1：通過傳感器測得振動源的頻率，即振動頻率；

11、s2：根據(jù)計算公式選擇質(zhì)量塊的重量以及高度；

12、s3：根據(jù)選擇的質(zhì)量塊的重量以及高度，對能量采集器中質(zhì)量塊的重量以及高度進行調(diào)整，然后將調(diào)整后的能量采集器放置于振動源處，進行能量采集。

13、更進一步地，在所述步驟s2中，計算公式如下：

14、

15、其中，f為擺動機構(gòu)的諧振頻率，y為支撐細桿的彈性模量，i為擺動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量，lb為支撐細桿的長度，lm為質(zhì)量塊的高度，m為質(zhì)量塊的重量，f、y、i、lb為已知量。

16、本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：

17、1、可以實現(xiàn)全向的能量采集，避免了將單向采集器沿不同方向陣列而導致的結(jié)構(gòu)復雜和信號處理帶來的困難；

18、2、通過質(zhì)量塊、支撐細桿的作用，使得壓電片發(fā)生彎曲變形比單純只放置側(cè)板產(chǎn)生的變形大，同時避免了扭轉(zhuǎn)變形電壓信號低的弊端；

19、3、可以通過質(zhì)量塊的質(zhì)量和高度進而改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，實現(xiàn)與激勵頻率的共振，增大壓電片的彎曲變形，從而提高壓電電壓輸出；

20、4、由于側(cè)板具有一定的彈性，在質(zhì)量塊回擺的時，側(cè)板也將往回擺動，采用上下布置側(cè)板的結(jié)構(gòu)，可有效避免側(cè)板回擺時產(chǎn)生運動干涉。

技術(shù)特征：

1.一種基于壓電效應的全向能量采集器，其特征在于，包括擺動機構(gòu)、基板、支撐橫梁與四個側(cè)板，所述擺動機構(gòu)的下端設(shè)置在所述基板的上表面中間位置。當基板振動時，通過所述擺動機構(gòu)將振動位移信號放大，所述支撐橫梁的下端與所述基板固定連接，四個側(cè)板包括兩個上側(cè)板與兩個下側(cè)板，其中兩個上側(cè)板的上端均與所述支撐橫梁固定連接，兩個下側(cè)板的下端均與所述基板固定連接，兩個上側(cè)板的下部與兩個下側(cè)板的上部圍設(shè)在擺動機構(gòu)的外側(cè)，且與擺動機構(gòu)的外側(cè)四周接觸，兩個上側(cè)板的外表面上部均設(shè)置有一個壓電片，兩個下側(cè)板的外表面下部均設(shè)置有一個壓電片。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓電效應的全向能量采集器，其特征在于，所述擺動機構(gòu)包括支撐細桿與質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊設(shè)置在所述支撐細桿的上端并與其形成可拆卸連接，所述支撐細桿垂直于所述基板設(shè)置，且其下端與所述基板固定連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于壓電效應的全向能量采集器，其特征在于，所述質(zhì)量塊與支撐細桿之間采用螺紋連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于壓電效應的全向能量采集器，其特征在于，兩個上側(cè)板的下部與兩個下側(cè)板的上部圍設(shè)在質(zhì)量塊的外側(cè)，且與質(zhì)量塊的外側(cè)四周接觸，兩個上側(cè)板的下端面與兩個下側(cè)板的上端面平齊。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于壓電效應的全向能量采集器，其特征在于，四個側(cè)板規(guī)格一致，均與所述基板垂直設(shè)置。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于壓電效應的全向能量采集器，其特征在于，兩個上側(cè)板相互平行，兩個下側(cè)板相互平行。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于壓電效應的全向能量采集器，其特征在于，所述基板的四角處均設(shè)置有用于安裝能量采集器的安裝孔。

8.一種基于壓電效應的全向能量采集器的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，用于對權(quán)利要求2～7任一項所述的能量采集器中擺動機構(gòu)的諧振頻率進行調(diào)節(jié)，使其諧振頻率與振動頻率一致，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于壓電效應的全向能量采集器的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，在所述步驟s2中，計算公式如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于壓電效應的全向能量采集器及其調(diào)節(jié)方法，屬于能量采集器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明可以實現(xiàn)全向的能量采集，避免了將單向采集器沿不同方向陣列而導致的結(jié)構(gòu)復雜和信號處理帶來的困難；通過質(zhì)量塊、支撐細桿的作用，使得壓電片發(fā)生彎曲變形比單純只放置側(cè)板產(chǎn)生的變形大，同時避免了扭轉(zhuǎn)變形電壓信號低的弊端；可以通過質(zhì)量塊的質(zhì)量以及高度進而改變結(jié)構(gòu)的固有頻率，實現(xiàn)與激勵頻率的共振，增大壓電片的彎曲變形，從而提高壓電電壓輸出；由于側(cè)板具有一定的彈性，在質(zhì)量塊回擺時，側(cè)板也將往回擺動，采用上下布置側(cè)板的結(jié)構(gòu)，可有效避免側(cè)板回擺時產(chǎn)生運動干涉。

技術(shù)研發(fā)人員：琚斌,闞歡迎,任帥帥,鄭瀟,劉永斌,任藝軍
受保護的技術(shù)使用者：安徽大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9