專利名稱：一種雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電材料振動發(fā)電領(lǐng)域，特別提供一種面向?qū)拵У皖l振動源的雙穩(wěn)壓 電懸臂梁振子裝置。
背景技術(shù)：
近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到廣泛重視和越來越多的應(yīng)用，它在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、設(shè) 備狀態(tài)監(jiān)控以及戰(zhàn)場態(tài)勢感知等諸多領(lǐng)域具有重要的戰(zhàn)略地位。但同時，如何有效地為這 些無線傳感器節(jié)點提供長壽命穩(wěn)定電源，是面臨的首要棘手問題。將環(huán)境中的振動能量收 集起來轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點的自主供電已被公認為是最具潛力的技術(shù)途徑。 由于壓電材料具有獨特的壓電效應(yīng)特性，可以方便地實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)化，因此研究 壓電振子振動發(fā)電技術(shù)對實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期可靠工作具有重要意義。目前，國內(nèi)外壓電振動發(fā)電技術(shù)研究主要集中于壓電懸臂梁振子結(jié)構(gòu)，采用的理 論基礎(chǔ)是線性壓電方程，稱之為線性壓電振子。已有研究表明，線性壓電振子用于振動發(fā)電 只有與振動源產(chǎn)生共振，才能最大化振動能到電能的轉(zhuǎn)化效率，否則一旦偏離共振，其輸出 電能會顯著下降；同時，輸出電能大小與振動源頻率的立方及振幅成正比，頻率越低，輸出 電能越小。而對環(huán)境中的很多實際振動源來說，往往具有以下兩個特性1)振動能量不會 聚集在某個窄頻帶，而是分布在一個寬頻帶內(nèi)；幻振動能量主要集中在低頻區(qū)域，其頻率 范圍一般為幾十到幾百赫茲，甚至幾赫茲。由此可見，已有的線性壓電懸臂梁振子結(jié)構(gòu)在 用于實際振動發(fā)電時具有以下不足一是共振頻帶窄，對寬頻帶振動源的振動發(fā)電效率低； 二是在低頻、小幅振動源下，振動發(fā)電的輸出電能將受到很大限制。因此，迫切需要設(shè)計一 種適用于寬帶、低頻、小幅振動源的新型壓電振子，實現(xiàn)高效的振動發(fā)電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對寬帶低頻振動源下傳統(tǒng)線性壓電懸臂梁振子振動發(fā)電效率 低的問題，提供一種雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置，使得在寬帶、低頻、小幅振動源環(huán)境下能夠 實現(xiàn)高效的振動發(fā)電。實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置由基座、壓電陶瓷 (PZT)、彈性基體、電極、質(zhì)量塊、一對永磁體構(gòu)成，壓電陶瓷粘貼在彈性基體上，電極鍍在壓 電陶瓷上，質(zhì)量塊和其中第一永磁體固定在彈性基體的自由端，第二永磁體設(shè)在基座上與 第一永磁體相對應(yīng)的位置，第一、第二永磁體的極性同極相對設(shè)置。所述壓電陶瓷可以采用單層或雙層，壓電陶瓷采用雙層情況下采用串聯(lián)或并聯(lián)連 接。所述的彈性基體可以使用鋁或銅或鎳合金。所述的永磁體采用矩形永磁鐵。本發(fā)明裝置中彈性基體、壓電陶瓷(PZT)、電極、質(zhì)量塊和第一永磁體構(gòu)成一雙穩(wěn) 壓電懸臂梁振子，由于兩個永磁體同極相對放置，永磁體之間將產(chǎn)生排斥力，使得雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子在合適條件下會產(chǎn)生隨機共振現(xiàn)象，并通過兩個電極將振動發(fā)電的電能輸出來。本發(fā)明裝置振動發(fā)電機理如下利用一對永磁體之間的非線性排斥力，使得壓電 懸臂梁振子構(gòu)成一個非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)；通過隨機寬帶低頻振動激勵、磁力在非線性雙穩(wěn)系 統(tǒng)中的協(xié)同作用，使得振子產(chǎn)生隨機共振現(xiàn)象；通過發(fā)生隨機共振時振子在兩個穩(wěn)態(tài)之間 的自由躍遷，拓寬了壓電懸臂梁振子的共振頻帶；通過隨機共振機制增強振子的振動響應(yīng)， 大大提高低頻、小幅振動源激勵下的振動發(fā)電輸出。本發(fā)明應(yīng)用于振動發(fā)電具有如下特點一是利用振動激勵源、磁力在非線性系統(tǒng) 中的協(xié)同作用產(chǎn)生隨機共振現(xiàn)象，使得壓電振子在兩個穩(wěn)態(tài)之間進行躍遷，可以拓寬壓電 懸臂梁振子的共振頻帶；二是利用隨機共振機制，可以在低頻、小幅振動源激勵下，增大壓 電懸臂梁振子的振幅，提高轉(zhuǎn)化電荷的輸出量。本發(fā)明能夠明顯增強壓電懸臂梁振子振動 發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率，特別適合于寬帶、低頻、小幅振動能量的高效捕獲。


圖1是本發(fā)明的雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置示意圖。圖2是本發(fā)明壓電懸臂梁振子振動時受力示意圖。圖3是本發(fā)明壓電懸臂梁振子等效模型圖。圖4是兩永磁鐵之間排斥力計算示意圖。圖5是本發(fā)明壓電懸臂梁振子的非線性勢能函數(shù)圖。圖6至圖8是雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子振動發(fā)電的隨機共振行為仿真結(jié)果圖。
具體實施例方式本發(fā)明的雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括基座1、彈性基體鋁片2、 壓電陶瓷PZT-5H片3、電極4、矩形永磁鐵6和7 (型號為N3Q、質(zhì)量塊5 ；其中鋁片2 —端 夾持在基座1上構(gòu)成懸臂梁；PZT-5H片3串聯(lián)粘貼在鋁片2的上下表面；電極4分別鍍在 PZT-5H片3的上下兩個外表面上；永磁鐵6和質(zhì)量塊5粘貼在鋁片2的自由端；永磁體7 固定于基座1上，且永磁體6和7極性相同端相對放置；外界隨機振動源作用在基座1上。彈性基體也可采用銅或鎳合金。本發(fā)明的雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置可按以下方法進行設(shè)計1)建立壓電懸臂梁振子的振動發(fā)電模型。本發(fā)明的壓電懸臂梁振子在振動時的受力如圖2所示，其中F是永磁鐵之間的排 斥力，&是？的垂直分量，α是F與水平方向的夾角，ζ (t)是自由端的垂直位移，d是永磁 鐵之間的水平間距，P(t)是外部隨機振動源。圖2所示的壓電懸臂梁振子可以等效為圖3所示的集中參數(shù)機電模型，其中M^1為 整個振子的等效質(zhì)量，Hrai為振子的等效阻尼，Krai為振子的等效剛度，θ為PZT的機電耦 合系數(shù)，Cp為PZT的等效電容，νρ為振動發(fā)電的輸出電壓，Rl為外接的純電阻負載。則壓電 懸臂梁振子的振動發(fā)電模型可以表示為P{t) - θνρ +Fv= Meqz{t) + neqz{t) + Kcqz{t)( 1 )
權(quán)利要求
1.一種雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置，其特征在于由基座、壓電陶瓷、彈性基體、電極、質(zhì)量 塊、一對永磁體構(gòu)成，所述壓電陶瓷粘貼在彈性基體上，電極鍍在壓電陶瓷上，質(zhì)量塊和其 中第一永磁體固定在彈性基體的自由端，第二永磁體設(shè)在基座上與第一永磁體相對應(yīng)的位 置，第一、第二永磁體的極性同極相對設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置，其特征在于所述壓電陶瓷采用單 層或雙層，壓電陶瓷采用雙層情況下采用串聯(lián)或并聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置，其特征在于所述的彈性基體采用 鋁或銅或鎳合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置，其特征在于所述的永磁體采用矩 形永磁鐵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子裝置，由基座、壓電陶瓷、彈性基體、電極、質(zhì)量塊、一對永磁體構(gòu)成，所述壓電陶瓷粘貼在彈性基體上，電極鍍在壓電陶瓷上，質(zhì)量塊和其中第一永磁體固定在彈性基體的自由端，第二永磁體設(shè)在基座上與第一永磁體相對應(yīng)的位置，第一、第二永磁體的極性同極相對設(shè)置。本發(fā)明裝置利用永磁鐵之間的非線性排斥力，可以使壓電懸臂梁振子構(gòu)成一個非線性雙穩(wěn)系統(tǒng)，在一定條件下雙穩(wěn)壓電懸臂梁振子會產(chǎn)生隨機共振現(xiàn)象，能夠明顯提高寬帶低頻振動環(huán)境下的壓電振動發(fā)電效率，特別適合于寬帶、低頻、小幅振動能量的高效捕獲。
文檔編號H02N11/00GK102064745SQ20101054373
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月15日
發(fā)明者楊定新, 楊擁民, 胡政, 葛哲學(xué), 陸智淼, 陳仲生, 駱彥廷 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)