技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种附带质量框的组合式压电俘能器装置，通过压电材料的形变来收集周围环境的振动机械能进行发电，属于节能技术及再生环保新
能源领域。
背景技术
[0002] 近年来，随着实际应用环境变化与发展，从环境中俘获
能量为低能耗设备供电已成为迫切需求，在实际生活中俘能器已经应用在了无线
传感器以及微型
电子元器件中，通过俘能器的应用实现自供电技术。对于传统的
电池，当电池耗尽时，无线传感器就必须更换电池。有些情况下，由于这些设备的
位置非常远或传感器本身布置在非常难以接近的位置，对传感器简单地更换电池可能成为一个非常昂贵甚至不可能的任务。基于这些原因，这种俘能器及自供电系统的研究在迅速增加。因此，利用环境振动产生能量为电子设备供电是很有必要的。
[0003] 采用悬臂板结构设计的压电俘能器改进方向一直是拥有更低的固有
频率及更宽的频宽，所以设计出更有效的结构可以提高俘能效率。然而目前多数压电俘能器依然使用最
基础的悬臂板自由端附加质量
块的结构，这种结构前三阶固有频率差距较大，在实际自然环境中通常只能使用第一阶固有频率使其共振，故工作频率带很窄。故目前研究的方向为使用更新型的结构形式使工作带宽变宽，俘获
电压更大。
发明内容
[0004] 本实用新型的目的是：提供了一种附带质量框的组合式压电俘能器，采用结构紧凑的形式，在一定的空间内，增多了悬臂板个数及压电片个数，既能降低俘能器的固有频率，又能增大该结构工作时的开路电压，且与周围环境的共振
频率范围变广，使得该俘能器更适用于微型结构中。
[0005] 1、一种附带质量框的组合式压电俘能器装置，其特征在于：该装置梯形悬臂
基板(1)采用
合金钢材料板，且下底一侧有通孔，用于与
固定板连接；两个梯形悬臂基板自由端粘接有质量框(5)，质量框为长方形框体，被粘结在结构外部，两梯形基板的上侧。压电层(2)铺设于每个梯形悬臂基板(1)上层；固定板通过两侧的通孔与梯形基板进行连接，通过中间的通孔与支座进行
螺栓连接。
[0006] 2、进一步，所述压电层(2)材料选用PVDF压电
薄膜；所述梯形基板(1)和质量框(5)的材料为钢制合金中的一种；支座为
铝制合金中的一种。
[0007] 3、进一步，所述梯形悬臂基板(1)形状为组合图形，由上底为7mm，下底为15mm，高为80mm的梯形与长为15mm，宽为10mm的长方形组合而成，总长为90mm，厚度为1mm。
[0008] 4、进一步，所述铺设在梯形悬臂基板上的由PVDF压电薄膜做成的压电层(2)为梯形形状，上底为12.2mm，下底为15mm，高为28mm，厚为 30um；粘贴在梯形悬臂基板的梯形靠近下底一端的上表面。
[0009] 5、进一步，所述铺设的质量框(5)为长方形框，长方形尺寸为长100mm，宽60mm；框宽为5mm，厚2mm。
[0010] 6、进一步，所述固定板为Z字形板，中间竖向部分长为80mm，宽为 10mm的长方形，两侧横向部分向两侧伸出，为长为25mm，宽为10mm的长方形；厚度为2mm，在竖向部分有三个对称排列并相距20mm的直径为 6mm的通孔，在横向部分分别有一个直径为6mm的通孔。
[0011] 7、进一步，所述支座为倒T字型铝制材料，竖直部分为长为80mm，宽为10mm，高为40mm的长方体；竖直部分顶面有三个对称排列并相距 20mm的M6
螺纹孔，与固定板的通孔对应；
水平部分为长为100mm，宽为80mm，高为10mm的长方体。
[0012] 实现本实用新型的技术方案是，一种附带质量框的组合式压电俘能器，包括悬臂梯形基板(1)，压电片(2)，固定板(3)，支座(4)及质量框(5)，将两个悬臂梯形基板(1)反对称排列在质量框(5)内部，并将其固定在固定板(3)与支座(4)上，通过支座接收环境的振动激励，使悬臂基板产生振动
变形，从而使粘贴在其上的压电片产生变形获取能量，在结构的外部为质量框，质量框与两个悬臂梯形板的自由端粘接在一起，起到降低结构整体的固有频率的作用。通过中间两个梯形悬臂版的反对称排列使结构在振动时发生更大的扭转，使铺设在其上的压电片形变增大，俘获更大的电压。对于进一步降低组合式结构压电俘能器的固有频率问题上，本实用新型采用了梯形基板，根据有限元法模拟结果频率明显低于普通的矩形基板。在实验中，实验方案是在两个悬臂基板自由端粘贴上质量框，且悬臂基板和质量框所选材料一致，实验阶段我们采用的是普通铝制板，两个悬臂基板上铺设的压电层材料使用的是PVDF压电薄膜。本实用新型从可优化的三个方面考察系统发电量大小及系统固有频率与梯形板上下底的比值、压电层铺设面积及两梯形悬臂板的间距的关系。第一方面我们选取了五组压电片铺设面积，与悬臂板编辑的比值分别为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5，其余条件均相同，在同一
载荷的情况下，测试了压电片的开路电压，第二方面我们选取了六组悬臂基板长下底组合，其中悬臂基板固定端为下底始终为 15mm，上底分别为3mm，5mm，7mm，9mm，11mm，13mm，通过对比六种模式的固有频率及压电片开路电压选取最优长度组合，在此基础上我们在两梯形基板间距方面选取了3种不同距离，考察了间距对结构固有频率及压电片开路电压的影响。
附图1为该发明整体结构的立体图，图2是该发明整体结构的三视图及部分尺寸，图3是该发明装置中固定板的俯视图。实验中将装置安装在激振器上，给予激励，通过万用变便可测得压电片开路电压，以及通过扫频可以测得整体结构的固有频率；通过收集实验数据，图4是本实用新型装置中使用矩形基板与梯形基板前三阶固有频率对比图，图5是本实用新型装置中两基板使用对称排列与反对称排列的压电片开路电压对比图，图6绘制了本实用新型装置中压电层铺设面积比例不同时的结构
输出电压对比图，图7绘制了本实用新型装置中梯形基板使用六种上下底组合对压电片输出电压的影响图，图8绘制了本实用新型装置中两梯形基板间距对结构固有频率的影响。
[0013] 由图4、图5、图6、图7及图8可以得到以下结论：
[0014] 1，使用梯形基板时可以降低整体结构的固有频率，在该尺寸下第一阶下降13％，第二阶下降14.7％，第三阶下降17.7％，下降效果明显，可以说明使用梯形基板可以有效降低结构固有频率。
[0015] 2，使用两基板反对称排列后，压电片开路电压得到提高，因为使用反对称排列后结构扭转增大，促使压电片形变增大，故开路电压增大，在改尺寸下增幅为13％。
[0016] 3，随着压电层铺设面积增大，系统的输出电压没有呈现线性变化，压电层铺设面积比例为0.3～0.4时系统输出电压最大，故本实用新型中压电层铺设面积选择比例为0.35。
[0017] 4，随着结构中两基板间距的增大，结构前两阶固有频率无明显变化，而第三阶固有频率有增大的趋势，但影响效果不大。
[0018] 通过实验结论可以选择出一种最佳结构方案：即两悬臂板使用梯形结构，并且使用反对称排列，压电片铺设面积为基板的35％，两基板的间距由于对结构整体性能影响不大，可根据实际工作环境灵活改变，本实用新型装置间距为10mm。
[0019] 本实用新型装置结构紧凑在一定的空间中放置了两部分压电片与基板，并且使用质量框的形式附加质量块来降低固有频率，可以在占用较少空间的情况下附加更大的质量块。
[0020] 与
现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1、本实用新型装置中的附加质量框环绕在结构周围，有别于普通俘能器的在自由端一侧增加质量块，本实用新型可以在占用空间较小的情况下赋予质量块更大的质量(相当于将质量块的质量由集中转化为分散)，因此可以进一步降低结构的固有频率，有利于收集振
动能量。2、本实用新型发电装置中的两个压电
悬臂梁设计为梯形形式，根据实验可以看出在固有频率方面明显低于矩形结构，而使用独特的反对称排列又使压电片开路电压增大，提高了俘能器的俘能效果。3、现有的发明
专利中，以悬臂梁为振子的压电发电装置有很多，悬臂梁具有频率低的特点，但以悬臂板为压电发电装置还比较少，但悬臂板压电发电装置相比悬臂梁为振子的压电发电装置，由于其压电层铺设面积大的优点，且结构中的两个悬臂板
串联连接，发电效率会大大提高。4、本实用新型采用反对称阵列附加质量框的方式，相较于对称排列及一端排列的结构方式，在压电面积相同的情况下，本实用新型的结构更加紧凑，更加适用于空间较小的微
机电系统中。
附图说明
[0021] 图1是本实用新型一种附带质量框的组合式压电俘能器的立体图；
[0022] 图2是本实用新型一种附带质量框的组合式压电俘能器的三视图及部分尺寸；
[0023] 图3是本实用新型中固定板的俯视图及尺寸；
[0024] 图4是本实用新型装置中使用矩形基板与梯形基板前三阶固有频率对比图；
[0025] 图5是本实用新型装置中基板使用对称排列与反对称排列的压电片开路电压对比图；
[0026] 图6是本实用新型装置中压电层铺设面积比例不同时的结构输出电压对比图；
[0027] 图7是本实用新型装置中梯形基板使用六种上下底组合对压电片输出电压的影响图；
[0028] 图8是本实用新型装置中两梯形基板间距对结构固有频率的影响；
具体实施方式
[0029] 下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。
[0030] 如图1所示，一种附带质量框的组合式压电俘能器，该装置主要包括两个梯形悬臂基板(1)，两个压电层(2)，质量框(5)，固定板(3)以及支座(4)；梯形悬臂基板(1)采用铝制材料板，所述梯形悬臂基板(1) 为组合图形板，厚度为1mm，由上底为7mm，下底为15mm，高为80mm 的梯形与长为15mm，宽为10mm的长方形组合而成，总长为90mm，在长方形端有直径6mm的通孔，通过通孔与固定板(3)两侧的通孔进行螺栓连接；每个悬臂基板的自由端都与质量框(5)粘接在一起；固定板为之字型钢板，厚度为2mm，在中段有三个对称排列并相距20mm的直径为6mm 的通孔，在两侧有直径为6mm的通孔，支座为倒T字型铝材料，竖直部分顶面有三个对称排列并相距20mm的
螺纹孔，与固定板的通孔对应，使用螺栓连接使固定板固定在支座上。两个压电层(2)是由压电材料PVDF做成的梯形形薄膜，铺设于悬臂基板靠近固定端的梯形部分的上层。
[0031] 该压电发电装置采集外界振动能源的能量，使结构与环境发生共振，首先外界的振动引起支座(4)及两个梯形悬臂基板(1)的振动，梯形悬臂基板 (1)产生形变会引起两个压电篇(2)的变形，压电层(2)发生形变时会因
压电效应产生
电能；通过的
电极及此后应用中设计的
电路将产生的电能供应给其他零件，实现应用。
[0032] 综上所述：本实用新型一种附带质量框的组合式压电俘能器，通过合理设计基板形状以及附加质量框的形式明显的降低了结构固有频率，使俘能器更容易俘获环境中的振动能量，通过梯形基板的排列方式及压电片铺设的合理面积提高了在该尺寸条件下压电片开路电压，提高了俘能器的俘能效率。
[0033] 本实用新型的一种附带质量框的组合式压电俘能器可用于各种微机电产品，如无线传感器内部自供电、
飞行器及卫星元器件等，可以是这些元器件达到自供电的效果，极大地降低维护成本。
