本發(fā)明涉及能量回收領(lǐng)域，屬于振動壓電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，主要涉及一種空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置。

背景技術(shù)：
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無線系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)深入世界每一個角落，例如基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)和基于藍牙標(biāo)準(zhǔn)的便攜式電子設(shè)備，這些已經(jīng)在日常生活中得到了普遍的應(yīng)用。無線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)相比，具有很多優(yōu)勢，例如使用方便、操作靈活、并且可以隨意配置。作為無線系統(tǒng)的一個重要應(yīng)用，一種被稱為無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)的技術(shù)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展。這項技術(shù)是在機器或者建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中安放微型的無線傳感器節(jié)點，實時監(jiān)測它們的運行狀態(tài)。這樣對便攜式電子設(shè)備和無線傳感器的供電設(shè)備的需求也與日俱增。

目前，大部分便攜式電子設(shè)備和無線傳感器都是采用電池供電的。盡管隨著電池技術(shù)的發(fā)展，人們可以通過增大電池的容量來延長其服務(wù)年限，但是當(dāng)前電池增容技術(shù)的發(fā)展遠遠落后于無線電子器件的發(fā)展, 在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)化學(xué)電池的更換幾乎無法實現(xiàn)。例如，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中大量的傳感的節(jié)點被置于橋梁上，用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器，還有追蹤野生動物的定位節(jié)點，即全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）。當(dāng)電池的能量耗盡時，就需要定期更換傳感器上的電池。為了保證一個由上千個節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行就需要定期更換大量的電池，一方面必然增高了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的使用成本，對狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展帶來不利影響，另一方面大量的使用電池也會造成一定的環(huán)境污染和資源浪費。

在能源短缺日趨嚴(yán)重的今天，人們越來越希望能見日常生活中被浪費和忽視的能量加以采集回收和利用。于是，微型能量采集裝置應(yīng)運而生。微型能量采集裝置可以將環(huán)境中的能量，比如振動能、風(fēng)能、太陽能等，轉(zhuǎn)換為電能。振動作為自然界常見的現(xiàn)象，它幾乎無處不在并且具有較高的能量密度，振動式微型能量采集裝置可通過機電轉(zhuǎn)換材料將外部的振動能轉(zhuǎn)換成電能，具有很好的應(yīng)用前景。

收集振動能的主要方法是利用靜電、電磁、壓電等效應(yīng)，通過能量采集裝置將外部的振動能轉(zhuǎn)換成電能。壓電式振動能量收集技術(shù)相比于另外兩種振動能量收集技術(shù)具有較高的功率密度和更加簡單的結(jié)構(gòu)，易于集成與微型化，符合電子元器件的發(fā)展趨勢。目前，懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電能量收集裝置較為常見，有單穩(wěn)態(tài)懸臂梁、雙穩(wěn)態(tài)懸臂梁等。單穩(wěn)態(tài)壓電能量收集裝置的通頻帶極窄，諧振頻率高，能量采集效率低。雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)增加了帶寬，降低了諧振頻率，增大了振子的振動幅度，能量轉(zhuǎn)換效率有一定的提高。如中國專利（公開號CNCN105305879A公開了一種直角型壓電懸臂梁振動能量采集器，該裝置中只有一個直角懸臂梁單獨工作，采集的能量密度較低；如中國專利（公開號CN102790548A）公開了一種雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合懸臂梁壓電發(fā)電裝置，該裝置采用八個雙穩(wěn)態(tài)懸臂梁組成了環(huán)形陣列，發(fā)電效率相比單一壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)有所提升，但是由于八個懸臂梁均在同一平面內(nèi)，因此仍然只能采集單一方向的振動，無法采集各個方向的振動，發(fā)電效率仍然有限。因此設(shè)計一種寬頻帶多模態(tài)且能夠采集多方向振動的壓電能量收集裝置具有較大的意義和價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明目的是改善普通懸臂梁壓電能量收集裝置工作頻帶窄、只能采集單一方向振動的缺陷，提供一種空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置，該空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置具有空間利用率高，結(jié)構(gòu)緊湊，采集能量密度大，能采集多方向振動、工作頻帶寬等優(yōu)點。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置，其特征在于：包括基礎(chǔ)骨架、懸臂梁陣列、磁鐵塊、壓電發(fā)電片，所述基礎(chǔ)骨架由呈空間坐標(biāo)式分布的金屬管組成，所述懸臂梁陣列由多根懸臂梁組成且由短到長依次排列，所述基礎(chǔ)骨架的每根金屬管上均排列著一組所述懸臂梁陣列，且懸臂梁陣列垂直于其所在的金屬管，所述懸臂梁陣列的安裝方向要保證其振動方向與所在金屬管的長度方向平行，所述懸臂梁陣列中的每根懸臂梁末端都安裝有磁鐵塊，且相鄰懸臂梁之間的磁鐵塊相同磁極相對，每根所述懸臂梁的根部均粘貼著壓電發(fā)電片。

所述的基礎(chǔ)骨架由三根兩兩相互垂直的金屬管組成，其金屬管的材料為銅或鋁。

所述三根金屬管的一端端部相交固定。

所述的懸臂梁采用彈簧鋼等彈性金屬材料制造而成。

所述的金屬管上的懸臂梁陣列從外到里均是由短到長的等間距分布。

所述的磁鐵塊采用釹鐵硼永磁鐵。

所述的壓電發(fā)電片采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷或聚偏氟乙烯。

其原理是通過懸臂梁振動使所述壓電發(fā)電片產(chǎn)生電能，所述壓電發(fā)電片通過引線將電能輸出。在工作過程中利用懸臂梁陣列在空間中延上下、前后、左右三個維度上分布排列，可以采集到各個方向的振動能量。同一方向上的懸臂梁由短到長，固有頻率由大到小，可以采集到較寬頻帶的激勵作用，產(chǎn)生多模態(tài)的振動。相鄰懸臂梁末端磁鐵相互排斥，致使同一方向上的懸臂梁在振動過程中可以相互帶動，可進一步加大振動幅度，提高能量收集效率。

與普通懸臂梁壓電能量收集裝置相比不存在空間利用率低，工作頻帶窄以及只能采集單方向振動等諸多缺點。對于變化的外界環(huán)境中的各種頻率的隨機激勵，本發(fā)明可在結(jié)構(gòu)參數(shù)固定不變情況下高效地采集多方向、多頻率的振動，從而更有效地收集環(huán)境中振動能。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1.本發(fā)明實用性強，通過對環(huán)境中的振動能量進行收集可不消耗任何化石能源為低功耗的微電子元器件供能，是一種環(huán)境友好型能量收集裝置。

2.本發(fā)明是一種陣列式懸臂梁結(jié)構(gòu)，與普通的懸臂梁式壓電能量收集裝置相比，空間利用率更高，結(jié)構(gòu)緊湊，采集能量密度大。

3.本發(fā)明是一種多模態(tài)懸臂梁結(jié)構(gòu)，裝置中的各組懸臂梁都由短到長排列，固有頻率由大到小，可采集較寬頻帶的振動。

4.本發(fā)明裝置中的各組懸臂梁在空間中延上下、前后、左右三個維度上分布排列，其安裝方向保證了其振動方向與所在金屬管的方向平行，因此能夠采集多方向振動，能量采集效率高。

5.本發(fā)明中相鄰懸臂梁末端磁鐵相互排斥，致使同一方向上的不同固有頻率的懸臂梁在振動過程中可以相互帶動，可進一步加大振動幅度，增加帶寬，提高能量收集效率。

附圖說明：

圖 1 為本發(fā)明空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置中豎直方向的基礎(chǔ)骨架金屬管及其表面分布的懸臂梁的平面示意圖。

圖 2為本發(fā)明空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置的整體結(jié)構(gòu)空間示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1為基礎(chǔ)骨架；2為懸臂梁；3為磁鐵塊；4為壓電發(fā)電片；

具體實施方式：

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施方式僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

具體實施方式：

一種空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置，包括有基礎(chǔ)骨架、懸臂梁陣列、磁鐵塊、壓電發(fā)電片，基礎(chǔ)骨架1由三根兩兩相互垂直的金屬管組成，懸臂梁陣列由多根懸臂梁2組成且由短到長依次排列，基礎(chǔ)骨架1的每根金屬管上均排列著一組懸臂梁陣列，且懸臂梁陣列垂直于其所在的金屬管，懸臂梁陣列的安裝方向要保證其振動方向與所在金屬管的長度方向平行，懸臂梁陣列中的每根懸臂梁2末端都安裝有磁鐵塊3，且相鄰懸臂梁2之間的磁鐵塊3相同磁極相對，每根懸臂梁2的根部均粘貼著壓電發(fā)電片4。

圖 1 是按照本發(fā)明空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置中豎直方向（Z方向）的基礎(chǔ)骨架及其表面分布的懸臂梁的平面示意圖。如圖 1 中所示，Z方向的基礎(chǔ)骨架1上排列著一組與它垂直的懸臂梁2，懸臂梁2長度自上而下由短到長。懸臂梁2末端固接著磁鐵塊3，相鄰懸臂梁2末端的磁鐵塊3同名磁極相對，可相互排斥。懸臂梁2的根部粘貼著壓電發(fā)電片4?；A(chǔ)骨架1的制造材料可采用銅或鋁，懸臂梁2可采用彈簧鋼等彈性金屬材料制造，磁鐵塊3可采用釹鐵硼永磁鐵，壓電發(fā)電片4可采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）或聚偏氟乙烯（PVDF）。當(dāng)Z方向基礎(chǔ)骨架1上的懸臂梁結(jié)構(gòu)2感受到外界的振動激勵時，懸臂梁2會在Z方向上下振動，同組懸臂梁2由短到長排列，固有頻率由大到小，可采集到較寬頻帶的外部激勵，產(chǎn)生多模態(tài)的振動。同時由于相鄰懸臂梁2末端的磁鐵塊3相互排斥，懸臂梁2的振動可以相互帶動，在懸臂梁2振動過程中，梁的內(nèi)部產(chǎn)生剪力和彎矩，尤其根部彎矩最大，應(yīng)力最集中，這時壓電發(fā)電片4會感受到應(yīng)力和應(yīng)變的作用并產(chǎn)生電荷，電能通過導(dǎo)線引出并被收集。X方向和Y方向的結(jié)構(gòu)與之類似，工作原理也相同。圖 2為本發(fā)明空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置的整體空間結(jié)構(gòu)示意圖。X、Y、Z方向的三根基礎(chǔ)骨架金屬管上的懸臂梁可分別采集X、Y、Z三個方向的振動，在很大程度上提高了能量收集效率。

本發(fā)明空間多模態(tài)陣列式懸臂梁壓電能量收集裝置可用于機械結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)等的振動能量收集，可不消耗任何化石能源為低功耗的微電子元器件采能和供能，是一種環(huán)境友好型能量收集裝置。

本發(fā)明是一種多模態(tài)陣列式的懸臂梁結(jié)構(gòu)，與普通的懸臂梁壓電能量收集裝置相比，空間利用率更高，結(jié)構(gòu)緊湊，采集能量密度大，可采集多方向?qū)掝l帶的振動，從而更有效地收集環(huán)境中的振動能。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。