【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于振动抑制、微传感器供能及新能源能量收集领域，尤其涉及一种多维宽频压电振动俘能器。
技术介绍
1、随着无线传感器、生命健康检测、遥测、环境监测等微型器件的供能问题日益突出。这些技术的飞速发展与广泛使用，使其以往的供能方式受到了巨大的挑战；尤其是飞行器控制与遥测系统、海底监测、mems元器件、微型机器人(无人机)以及可穿戴(可植入)设备等领域。传统的化学电池存在寿命短、适应性差、质量大等缺点，且化学电池供电会存在长距离线束排布等问题。因此，从环境中的振动中获取能量成为了一种新思路，振动能具有范围广、能量大，易获取等特点。而在这其中的压电式能量收集技术则具有结构简单、不发热、无电磁干扰、清洁环保、易于集成等优点，是目前研究人员的新方向。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的现有多方向振动能收集技术的不足，以及不能收集多个频率的能量这一痛点，本专利技术提出一种可实现多方向、宽频域的振动能量收集装置，从而提高振动能量收集装置的工作效率。
2、本专利技术是这样实现的，一种多维宽频压电振动俘能器，该装置包括振动平台、压电换能模块及降谐增幅模块；
3、所述振动平台由基板(2)、振动板(6)组成，所述压电换能模块由c型梁(4)及pzt-5h压电陶瓷(7)组成，pzt-5h压电陶瓷(7)贴于c型梁(4)的表面；所述降谐增幅模块由上下弹簧、质量块(1、3、5)同轴装配组成；
4、所述基板(2)、振动板(6)、质量块(3)均为圆台设计方案，基板(2)大小圆
5、所述振动平台中振动板(6)凸台朝下，基板(2)凸台朝上，进行布局，板上各螺栓孔应同轴以保证梁的安装；
6、所述下弹簧(1)与上弹簧(5)之间布置配重质量块，质量块(3)的凸台直径与小圆直径相同，所述基板(2)、振动板(6)的凸台直径、质量块凸台直径及上下弹簧的内径相同，以应对相互之间的配合。
7、质量块(3)被固定在中间；上下弹簧(1、5)、质量块(3)与基板(2)振动板为同轴心布置；
8、所述c型梁(4)结构包括安装基板(2)振动板(6)之间的n组c型梁，其中n≥1，所有安装点均位于基板的边缘；每组c型梁(4)包括两个中心对称分布的c型梁(4)，当n≥2时则表现为c型梁(4)的圆周阵列等距排布，阵列轴线即为装置整体轴线；c型梁(4)的上端与振动板(6)接触，下端与基板(2)接触，接触位置均使用螺栓紧固件连接；每个梁(4)可根据自身轴线(即螺栓孔轴线)自旋一定角度。
9、进一步，每个所述c型梁(4)可以在自身轴线上自旋角度来调节装置大小；调节装置的空间利用率及俘能器整体谐振频率。
10、进一步，所述质量块(3)为可拆卸安装模式，其质量可根据实际应用场景进行更换。
11、进一步，所述压电陶瓷(7)选用pzt-5h型压电陶瓷晶体，晶体产生压电效应的工作方式为d31模式，上表面镀电极。
12、进一步，所述pzt-5h型压电陶瓷晶体贴于梁的表面，并沿着梁的竖直轴线进行粘贴，优选的，尽可能贴于梁的两端应力集中处，以提高俘能效率。
13、进一步，质量块位于中间，质量块上方通过上弹簧(5)连接振动板，下方通过下弹簧(3)连接基板；根据实际的应用场景可以更换不同刚度系数，尺寸的弹簧。
14、进一步，所述基板(2)、振动板(6)与梁(4)之间通过螺栓实现快速拆卸连接，可通过替换不同厚度的梁来改变装置整体的谐振频率。
15、进一步，所述c型梁(4)的表面为楔形设计，即两端处截面宽而中间处窄；可根据实际工作环境调节具体比例。
16、进一步，所述c型梁(4)的厚度为渐变设计，即两端截面厚度小而中间截面厚度高；可根据实际工作环境调节具体比例。
17、进一步，所述上下弹簧(1、5)、质量块(3)的轴线垂直于基板振动板的端面，上下弹簧内表面与基板振动板凸台的外表面进行配合；
18、所述的上下弹簧(1、5)与质量块(3)均可根据环境激励条件进行更换，通过调整装置的谐振频率从而调节俘能效率
19、进一步，所述的压电换能模块通过螺栓可与基板(2)、振动板(6)连接，可实现快速的装配与拆卸。
20、进一步，所述的c型梁(4)的截面厚度与楔形角度可以根据实际情况进行相应调整，使得装置谐振频率发生变化；
21、进一步的，可在同一个梁，上下两端粘贴两个压电片，在有需求时，梁的两个表面均可粘贴压电片，即一个梁上粘贴四个压电片，从而实现高效俘能。
22、进一步的，基板、振动板、质量块可选择强度高、无电磁干扰、经济实惠的结构钢，梁可选择弹性较高的铍青铜材料。
23、所述c型梁(4)的角度为105°，梁(4)的自旋角度为75°。
24、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
25、第一、本专利技术采用的弹簧质量块耦合基板振动板的独特结构设计可以有效降低装置整体的各阶谐振频率，拓宽工作频带，使装置工作在更加适用于自然的低频环境。
26、本专利技术俘能装置在受到外界激励时，基板最先受到激励，基板将振动同时传给弹簧质量块与c型梁，进而再共同传递到振动板上。因此梁的振动与弹簧质量块的振动具有一定的耦合关系，由于弹簧质量块的加入使得俘能器整体增加至少了一组模态谐振峰值；
27、本专利技术具有结构紧凑、空间利用效率高、成本低、不受外界干扰、环保无污染及持续稳定等优点，可在一定程度上满足集成化、微型化的需求。
28、第二，本专利技术针对现有多方向振动能收集技术的不足，以及不能收集多个频率的能量这一痛点，提出一种可实现多方向、宽频域的振动能量收集装置，充分利用在自然界振动能量丰富的中低频率段(10hz-100hz)，从而提高振动能量收集装置的工作效率。
29、第三，本专利技术的技术方案填补了国内外业内技术空白：国内外在宽频俘能、多稳态俘能、动态自适应俘能等相关方向虽然可以实现一定带宽的俘能要求，但受限于其自身结构复杂及对环境要求苛刻等原因，始终无法实现多方向俘能的问题；因此一直以来压电振动俘能器很难在多方向、宽频域、结构简单适应性高这三个方面都兼顾到。本专利技术的多维度宽频带压电振动俘能器填补了这一空白。
30、本专利技术的技术方案克服了技术偏见：常规压电振动俘能器由于其刚性的结构，只能在特定某一频率段进行俘能，即使某些多稳态俘能器也会受限于振动方向与摆放角度不能实现多方向的俘能；本专利技术的技术方案解决了以往多方向与宽频带不能兼顾的问题。并且高效利用了空间，不受使用场景的限制。
31、第四，本专利技术实施例提供的多维宽频压电振动俘能器在技术上取得了显著的进步，主要体现在以下几个方面：
32、1)结构设计与优化：
33、通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多维宽频压电振动俘能器，其特征在于，包括振动平台、压电换能模块及降谐增幅模块；其中，振动平台由基板(2)和振动板(6)组成，压电换能模块包含C型梁(4)和贴于C型梁(4)表面的PZT-5H压电陶瓷(7)；降谐增幅模块由上下弹簧以及质量块(1、3、5)同轴装配而成；基板(2)、振动板(6)和质量块(3)均采用圆台设计，以实现同轴心布置，并通过螺栓紧固件连接C型梁(4)的上端与振动板(6)、下端与基板(2)。
2.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，其中，C型梁(4)结构设定为在基板(2)与振动板(6)之间安装n组C型梁，n≥1，所有安装点均位于基板的边缘，每组C型梁(4)包含两个中心对称分布的C型梁，当n≥2时，C型梁以圆周阵列等距排布，其阵列轴线即为装置整体轴线，允许每个C型梁(4)根据自身轴线(即螺栓孔轴线)自旋一定角度。
3.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，特征在于其降谐增幅模块通过质量块(1、3、5)和上下弹簧的同轴装配设计，实现对装置共振频率的降低和振动能量的增幅，同时，该模块的设计使得基板(2)、振动板(6)和质量块(
4.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，其特征在于，所述质量块(3)为可拆卸安装模式，其质量可根据实际应用场景进行更换；所述压电陶瓷(7)选用PZT-5H型压电陶瓷晶体，晶体产生压电效应的工作方式为d31模式，上表面镀电极。
5.根据权利要求4所述的多维宽频压电振动俘能器，其特征在于，所述PZT-5H型压电陶瓷晶体贴于梁的表面，并沿着梁的竖直轴线进行粘贴，优选的，尽可能贴于梁的两端应力集中处，以提高俘能效率。
6.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，其特征在于：质量块位于中间，质量块上方通过上弹簧(5)连接振动板，下方通过下弹簧(3)连接基板；根据实际的应用场景可以更换不同刚度系数，尺寸的弹簧。
7.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，其特征在于：所述基板(2)、振动板(6)与梁(4)之间通过螺栓实现快速拆卸连接，可通过替换不同厚度的梁来改变装置整体的谐振频率。
8.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，其特征在于，所述C型梁(4)的表面为楔形设计，即两端处截面宽而中间处窄；同时中间处梁的厚度高于两端处，可根据实际工作环境调节具体比例；所述上下弹簧(1、5)、质量块(3)的轴线垂直于基板振动板的端面，上下弹簧内表面与基板振动板凸台的外表面进行配合；
9.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，其特征在于，所述的压电换能模块通过螺栓可与基板(2)、振动板(6)连接，可实现快速的装配与拆卸。
10.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，其特征在于，所述的C型梁(4)的截面厚度与楔形角度可以根据实际情况进行相应调整，使得装置谐振频率发生变化；
...【技术特征摘要】
1.一种多维宽频压电振动俘能器，其特征在于，包括振动平台、压电换能模块及降谐增幅模块；其中，振动平台由基板(2)和振动板(6)组成，压电换能模块包含c型梁(4)和贴于c型梁(4)表面的pzt-5h压电陶瓷(7)；降谐增幅模块由上下弹簧以及质量块(1、3、5)同轴装配而成；基板(2)、振动板(6)和质量块(3)均采用圆台设计，以实现同轴心布置，并通过螺栓紧固件连接c型梁(4)的上端与振动板(6)、下端与基板(2)。
2.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，其中，c型梁(4)结构设定为在基板(2)与振动板(6)之间安装n组c型梁，n≥1，所有安装点均位于基板的边缘，每组c型梁(4)包含两个中心对称分布的c型梁，当n≥2时，c型梁以圆周阵列等距排布，其阵列轴线即为装置整体轴线，允许每个c型梁(4)根据自身轴线(即螺栓孔轴线)自旋一定角度。
3.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，特征在于其降谐增幅模块通过质量块(1、3、5)和上下弹簧的同轴装配设计，实现对装置共振频率的降低和振动能量的增幅，同时，该模块的设计使得基板(2)、振动板(6)和质量块(3)的圆台凸台直径及上下弹簧的内径匹配。
4.根据权利要求1所述的多维宽频压电振动俘能器，其特征在于，所述质量块(3)为可拆卸安装模式，其质量可根据实际应用场景进行更换；所述压电陶瓷(7)选用pzt-5h型压电陶瓷晶体，晶体产生压电效应的工作方式为d31...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢坤，王子嘉，董万静，李曾，李诚皓，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：
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