一種剪切型壓電俘能器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及俘能器領(lǐng)域，尤其涉及一種剪切型壓電俘能器。
【背景技術(shù)】
[0002]將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化成電能主要有三種以下方式:電磁轉(zhuǎn)換、靜電轉(zhuǎn)換和壓電轉(zhuǎn)換。
[0003]電磁轉(zhuǎn)換是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，這種俘能方式的缺點(diǎn)在于所用線圈的體積大，輸出電壓低，俘能效果不佳。
[0004]靜電轉(zhuǎn)換是通過外力激勵(lì)改變電容器極板間距離或者極板間的相對(duì)面積而改變電容的方法來達(dá)到轉(zhuǎn)換能量的目的，這種俘能方式的缺點(diǎn)在于需要一個(gè)獨(dú)立的電源為其提供穩(wěn)衡電壓，因此在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大限制。
[0005]壓電轉(zhuǎn)換是利用壓電材料的機(jī)電耦合效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。
[0006]Roundy> Mateu> Sodano在對(duì)比分析了上述俘能轉(zhuǎn)換方式后指出:壓電轉(zhuǎn)換方式的力電轉(zhuǎn)換性能好，無需額外電源，易微型化，非常適用于俘獲環(huán)境中的機(jī)械能，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前，工程技術(shù)領(lǐng)域甚至人們的日常生活中，壓電俘能器具有廣泛應(yīng)用，是一種將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，其利用的就是壓電材料變形產(chǎn)生電能的原理，比如壓電道路標(biāo)識(shí)、壓電袖珍風(fēng)車、壓電發(fā)電鞋、壓電背包以及人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷碾娮哟蚧饳C(jī)。壓電俘能器不僅能將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，也能將人和動(dòng)物在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)中，一種d31型的鈸式俘能器如圖1所示，當(dāng)外力作用在鈸式俘能器上時(shí)，通過將金屬平頂錐殼與壓電陶瓷界面間的耦合作用轉(zhuǎn)變?yōu)閺较驍U(kuò)張振動(dòng)模態(tài)并與壓電陶瓷的徑向擴(kuò)張振動(dòng)模態(tài)疊加產(chǎn)生較大的徑向張力，最終，通過讓壓電陶瓷拉伸變形產(chǎn)生電能。然而，現(xiàn)有技術(shù)中大多是d31或d33型壓電俘能器，這兩種俘能器壓電系數(shù)比較小，能量轉(zhuǎn)換效率較低，此外，由于路面交通受到的荷載都是豎向荷載，現(xiàn)有的俘能器都不適用于路面俘能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提出一種剪切型俘能器，該剪切型俘能器通過類似拱形的結(jié)構(gòu)將豎向荷載轉(zhuǎn)化為水平推力，并且通過交錯(cuò)型的結(jié)構(gòu)，可以將路面的豎向荷載通過機(jī)械裝置轉(zhuǎn)化為對(duì)壓電材料的剪切力，再將水平推力轉(zhuǎn)化為對(duì)壓電材料的剪切力，使壓電材料產(chǎn)生剪切變形，產(chǎn)生電能，從而可以適用于路面俘能。
[0009]本發(fā)明的剪切型俘能器，包括:外殼，左側(cè)傳力構(gòu)件，右側(cè)傳力構(gòu)件，支撐件，壓電陶瓷塊及銅電極。
[0010]優(yōu)選地，外殼由兩個(gè)完全相同的呈拱形的上殼體和下殼體組成，上殼體和下殼體相向扣起來，在兩殼體中部形成中空的區(qū)域，兩殼體的左右兩側(cè)邊緣部各設(shè)有兩個(gè)貫穿孔，用于螺栓固定。該上、下殼體可以由鋼材制成。
[0011]優(yōu)選地，左側(cè)傳力構(gòu)件呈左側(cè)窄右側(cè)寬的梯形結(jié)構(gòu)，其左側(cè)端部焊接有三個(gè)螺栓，其左側(cè)邊緣部設(shè)有兩個(gè)貫穿孔，其右側(cè)端部設(shè)置有滑軌，可以與支撐件采用滑軌形式緊密連接。
[0012]優(yōu)選地，右側(cè)傳力構(gòu)件呈右側(cè)窄左側(cè)寬的梯形結(jié)構(gòu)，其右側(cè)邊緣部設(shè)有兩個(gè)貫穿孔，其左側(cè)端部設(shè)置有滑軌，同樣的，可以與支撐件采用滑軌形式緊密連接。左側(cè)傳力構(gòu)件和右側(cè)傳力構(gòu)件的貫穿孔與外殼上的貫穿孔位置對(duì)應(yīng)。上述左側(cè)、右側(cè)傳力構(gòu)件可以由鋼材制成。
[0013]優(yōu)選地，支撐件的一側(cè)設(shè)置有滑塊，可以與左側(cè)傳力構(gòu)件或右側(cè)傳力構(gòu)件的滑軌緊密連接，支撐件上均勻設(shè)置有多個(gè)小孔，其中位于中間位置的支撐件在其兩側(cè)有相互錯(cuò)開的凹槽，位于兩側(cè)邊緣位置的支撐件僅在其內(nèi)側(cè)有凹槽，支撐件同樣可以由鋼材制成。
[0014]優(yōu)選地，銅電極還有一個(gè)伸出壓電陶瓷塊部分的用于連接導(dǎo)線的連接部，用于將壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷收集起來并導(dǎo)出，銅電極上同樣均勻設(shè)置有多個(gè)小孔。
[0015]制造本發(fā)明的剪切型俘能器的方法包括:
[0016]第一步，將螺栓穿過外殼的下殼體、左側(cè)傳力構(gòu)件和右側(cè)傳力構(gòu)件的貫穿孔，使左側(cè)傳力構(gòu)件、右側(cè)傳力構(gòu)件和外殼的下殼體固定在一起，各支撐件按順序分別緊密安裝到左側(cè)傳力構(gòu)件和右側(cè)傳力構(gòu)件上；
[0017]第二步，在壓電陶瓷塊的兩側(cè)粘接銅電極，銅電極上的連接部連接導(dǎo)線；
[0018]第三步，利用樂泰E-20HP膠水環(huán)氧樹脂膠將銅電極與支撐件間隔粘接起來；
[0019]第四步，當(dāng)膠水達(dá)到強(qiáng)度后，將外殼的上殼體覆蓋在左側(cè)傳力構(gòu)件和右側(cè)傳力構(gòu)件上，使壓電陶瓷塊部分位于外殼包圍的中空區(qū)域內(nèi)，然后用螺帽固定螺栓；
[0020]第五步，在左側(cè)傳力構(gòu)件焊接的螺栓處套接端部擋板，之后用螺帽固定，先將力傳給端部擋板，然后給壓電陶瓷施加一個(gè)預(yù)拉力。
[0021]優(yōu)選地，第二步驟進(jìn)一步包括:
[0022]步驟2.1，提前用微型電磨將壓電陶瓷塊的粘接面打磨粗糙，并用小銼刀修理，使壓電陶瓷塊的粘接面出現(xiàn)凹凸不平的條紋形狀；
[0023]步驟2.2，用膠帶在壓電陶瓷塊的非粘接面四周纏繞幾圈；
[0024]步驟2.3，用導(dǎo)電膠將銅電極和壓電陶瓷塊粘接起來，并把多余的膠擠出清理干凈；
[0025]步驟2.4，粘貼好之后，用平口鉗夾住養(yǎng)護(hù)，24小時(shí)之后取下；
[0026]步驟2.5，用電磨將銅電極上面多余的導(dǎo)電膠打磨干凈；
[0027]步驟2.6，在銅電極上原有的孔洞位置，均勻的選取4?5個(gè)，用小電鉆鉆洞，便于銅電極和絕緣膠粘接牢靠穩(wěn)固，鉆洞過程中，不要鉆到壓電陶瓷塊；
[0028]步驟2.7，在銅電極表面均勻地涂抹一層絕緣膠，固化24小時(shí)之后，用小電磨打磨光滑，為了保證絕緣效果，銅電極表面膠的厚度大約為0.5mm ;
[0029]步驟2.8，用小電鉆在絕緣膠表面鉆洞，鉆洞處需要與銅電極自身的孔洞錯(cuò)開；其次，用電磨在絕緣膠表面磨出凹凸不平的條紋，處理完成之后，將壓電陶瓷塊非粘接面的膠帶清理干凈。
【附圖說明】
[0030]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中d31型鈸式俘能器示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明剪切型俘能器第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明剪切型俘能器的外殼；
[0033]圖4是本發(fā)明剪切型俘能器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖5是本發(fā)明剪切型俘能器中兩種支撐件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖6是本發(fā)明剪切型俘能器中銅電極和壓電陶瓷塊粘接后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖7是本發(fā)明剪切俘能器第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖8是本發(fā)明剪切型壓電俘能器的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合說明書附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。
[0039]參見附圖2-6，本發(fā)明的剪切型壓電俘能器，包括外殼，左側(cè)傳力構(gòu)件，右側(cè)傳力構(gòu)件，支撐件，壓電陶瓷塊及銅電極。
[0040]外殼由兩個(gè)完全相同的呈拱形的上殼體和下殼體組成，上殼體和下殼體相向扣起來，在兩殼體中部形成中空的區(qū)域，兩殼體的左右兩側(cè)邊緣部各設(shè)有兩個(gè)貫穿孔，用于螺栓固定。該上、下殼體可以由鋼材制成。
[0041]左側(cè)傳力構(gòu)件呈左側(cè)窄右側(cè)寬的梯形結(jié)構(gòu)，其左側(cè)端部焊接有三個(gè)螺栓，其左側(cè)邊緣部設(shè)有兩個(gè)貫穿孔，其右側(cè)端部設(shè)置有滑軌，可以與支撐件采用滑軌形式緊密連接。
[0042]右側(cè)傳力構(gòu)件呈右側(cè)窄左側(cè)寬的梯形結(jié)構(gòu)，其右側(cè)邊緣部設(shè)有兩個(gè)貫穿孔，其左側(cè)端部設(shè)置有滑軌，同樣的，可以與支撐件采用滑軌形式緊密連接。左側(cè)傳力構(gòu)件和右側(cè)傳力構(gòu)件的貫穿孔與外殼上的貫穿孔位置對(duì)應(yīng)。上述左側(cè)、右側(cè)傳力構(gòu)件可以由鋼材制成。
[0043]支撐件的一側(cè)設(shè)置有滑塊，可以與左側(cè)傳力構(gòu)件或右側(cè)傳力構(gòu)件的滑軌緊密連接，支撐件上均勻設(shè)置有多個(gè)小孔，其中位于中間位置的支撐件在其兩側(cè)有相互錯(cuò)開的凹槽，位于兩側(cè)邊緣位置的支撐件僅在其內(nèi)側(cè)有凹槽，小孔和凹槽都是為了在組裝時(shí)可以更加牢靠穩(wěn)固地粘接壓電陶瓷塊和銅電極，支撐件同樣可以由鋼材制成。
[0044]銅電極還有一個(gè)伸出壓電陶瓷塊部分的用于連接導(dǎo)線的連接部，銅電極用于將壓