專利名稱：可調(diào)頻微型壓電發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微型電源技術(shù)、節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)計微型壓電發(fā)電機電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也得到了廣泛的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有小尺寸和高密度特點，對其供電電源的能量密度、壽命和體積等的要求也越來越高，越來越苛刻，傳統(tǒng)的化學(xué)電池供電方式難以滿足其能源供給需求，因而也成為無線傳感器技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的一個瓶頸問題。通過采集環(huán)境中的各種振動能量，將機械能轉(zhuǎn)換為電能的壓電發(fā)電機，可以持續(xù)不斷地為各種低功耗電子設(shè)備提供能量，可以有效地解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源供給難題。但是，當壓電發(fā)電機的工作頻率(固有頻率)與環(huán)境振動的頻率不匹配時，其能量收集效率急劇下降，難以滿足電子設(shè)備供電要求。因此，為了適應(yīng)不同環(huán)境的振動頻率，要求壓電發(fā)電機的工作頻率必須能夠隨環(huán)境振動的頻率變化而變化。到目前為止，人們提出的各種壓電振動發(fā)電機，要么是工作頻率固定的，要么是通過手動調(diào)節(jié)末端質(zhì)量塊的質(zhì)心位置來改變其工作頻率，還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、精密自動調(diào)節(jié)的壓電振動發(fā)動機。經(jīng)檢索，在國內(nèi)外公開的文獻中，沒有關(guān)于通過并聯(lián)電容來對壓電發(fā)電機進行調(diào)頻的方法及結(jié)構(gòu)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出了一種通過連接并聯(lián)電容(或旁路電容)來連續(xù)自動調(diào)節(jié)壓電振動發(fā)電機工作頻率的微型壓電發(fā)電機。本實用新型發(fā)提出的微型壓電發(fā)電機含有固定在支座上的兩個壓電電極板，以及所述于兩個壓電電極板之間·的支撐基板，在所述兩個壓電電極板之間串接輸出負載；其特征在于，在所述的其中任意一個壓電電極板上并聯(lián)一組并聯(lián)電容，使該壓電電極成為壓電調(diào)節(jié)層，所述另一個壓電電極成為壓電收集層；所述并聯(lián)電容含有至少兩個電容，所有電容之間是并聯(lián)關(guān)系，所述每一個電容串接一個用于控制電容所在電路的斷開和接通的開關(guān)；所述并聯(lián)電容是通過連續(xù)的斷開或接通不同的電容所在電路時，改變并聯(lián)電容的電容值，使得微型壓電發(fā)電機的固有頻率在開路頻率和閉路頻率之間任意調(diào)節(jié)的并聯(lián)電容。其特征在于，當所述壓電收集層厚度/壓電調(diào)節(jié)層厚度小于等于2，且支撐基板厚度/壓電調(diào)節(jié)層厚度小于等于2時，微型壓電發(fā)電機的固有頻率調(diào)節(jié)范圍更大。有益效果:本實用新型可應(yīng)用于不同頻率的振動環(huán)境，擴大了壓電發(fā)電機的工作頻率范圍，提高壓電發(fā)電機對環(huán)境的適應(yīng)能力，實現(xiàn)了壓電發(fā)電機固有頻率的連續(xù)、精密調(diào)節(jié)。

[0008]圖1是微型壓電發(fā)電機并聯(lián)電容調(diào)頻原理圖；其中，I為固定支座；2_1為壓電收集層'2-2為支撐基板，2-3為壓電調(diào)節(jié)層；2-4、2-5和2_6為導(dǎo)線；3為電阻；4-1、4-2、4_3和4-1為電容；5-1、5-2、5-3和5-1為開關(guān)；i表示電容的個數(shù)和開關(guān)的個數(shù)。圖2是并聯(lián)電容頻率調(diào)節(jié)方式原理圖；圖3是并聯(lián)電容對固有頻率影響規(guī)律圖；圖4是壓電層厚度與調(diào)節(jié)層厚度比、基板厚度與調(diào)節(jié)層厚度比壓電發(fā)電機的固有頻率比關(guān)系圖；圖5是并聯(lián)電容頻率調(diào)節(jié)范圍與基板/壓電層長度的關(guān)系圖；圖6是并聯(lián)電容頻率調(diào)節(jié)范圍與基板/壓電層寬度的關(guān)系圖；圖7是并聯(lián)電容頻率調(diào)節(jié)范圍與基板彈性模量的關(guān)系圖；圖8是并聯(lián)電容頻率調(diào)節(jié)范圍與壓電常數(shù)的關(guān)系圖；圖9是并聯(lián)電容頻率調(diào)節(jié)范圍與調(diào)節(jié)層彈性模量的關(guān)系圖；圖10是并聯(lián)電容頻率調(diào)節(jié)范圍與相對介電常數(shù)的關(guān)系圖；圖11是具有不同壓電材料壓電梁的固有頻率調(diào)節(jié)范圍；圖12是輸出功率隨并聯(lián)電容值的變化規(guī)律圖；圖13是并聯(lián)電容固有頻率調(diào)節(jié)方式與壓電發(fā)電機陣列融合示意圖。
具體實施方式
固有頻率的連續(xù)和精密調(diào)節(jié):壓電電極的彈性模量為K⑴..' hrC-式中，4為柔度系數(shù)，d31為壓電常數(shù)，b、1、hp分別為壓電電極的寬度、長度和厚度。Cz為壓電電容Cp與并聯(lián)電容Cs之和，如圖2 (a)所示。當并聯(lián)電容為短路狀態(tài)時，如圖2 (b)所示，并聯(lián)電容Cs= c ，因此Cz= c ，壓電電極的彈性模量與柔度系數(shù)成反比fi； ⑵當并聯(lián)電容為開路狀態(tài)時，如圖2 (C)所示，并聯(lián)電容Cs值為0，壓電電極的彈性模量為“-楚)?、怯捎趬弘婋娙軨t = ^iL⑷
K式中為應(yīng)變介電常數(shù)。因此，式⑶可寫為% =(^ -#)'"'(5)由式⑵和(5)可知，并聯(lián)電容開路時壓電電極的彈性模量要大于并聯(lián)電容短路時的彈性模量。懸臂梁壓電發(fā)電機的固有頻率為
權(quán)利要求1.一種可調(diào)頻微型壓電發(fā)電機，所述微型壓電發(fā)電機含有固定在支座上的兩個壓電電極板，以及所述位于兩個壓電電極板之間的支撐基板，在所述兩個壓電電極板之間串接輸出負載；其特征在于，在所述的其中任意一個壓電電極板上并聯(lián)一組并聯(lián)電容，使該壓電電極成為壓電調(diào)節(jié)層，所述另一個壓電電極成為壓電收集層；所述并聯(lián)電容含有至少兩個電容，所有電容之間是并聯(lián)關(guān)系，所述每一個電容串接一個用于控制電容所在電路的斷開和接通的開關(guān)；所述并聯(lián)電容是通過連續(xù)的斷開或接通不同的電容所在電路時，改變并聯(lián)電容的電容值，使得微型壓電發(fā)電機的固有頻率在開路頻率和閉路頻率之間任意調(diào)節(jié)的并聯(lián)電容。
2.如權(quán)利要求1所述的可調(diào)頻微型壓電發(fā)電機，其特征在于，當所述壓電收集層厚度/壓電調(diào)節(jié)層厚度小于等于2，且支撐基板厚度/壓電調(diào)節(jié)層厚度小于等于2時，微型壓電發(fā)電機 的固有頻率調(diào)節(jié)范圍更大。
專利摘要可調(diào)頻微型壓電發(fā)電機屬于微型電源技術(shù)、節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，在可調(diào)頻微型壓電發(fā)電機的其中任意一個壓電電極板上并聯(lián)一組并聯(lián)電容，使該壓電電極成為壓電調(diào)節(jié)層，所述另一個壓電電極成為壓電收集層；所述并聯(lián)電容含有至少兩個電容，所有電容之間是并聯(lián)關(guān)系，所述每一個電容串接一個用于控制電容所在電路的斷開和接通的開關(guān)；所述并聯(lián)電容是通過連續(xù)的斷開或接通不同的電容所在電路時，改變并聯(lián)電容的電容值，使得微型壓電發(fā)電機的固有頻率在開路頻率和閉路頻率之間任意調(diào)節(jié)的并聯(lián)電容。本實用新型可應(yīng)用于不同頻率的振動環(huán)境，擴大了壓電發(fā)電機的工作頻率范圍，提高其對環(huán)境的適應(yīng)能力，實現(xiàn)了固有頻率的連續(xù)、精密調(diào)節(jié)。
文檔編號H02N2/18GK203151372SQ20122074721
公開日2013年8月21日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者何青, 閆震, 杜冬梅 申請人:華北電力大學(xué)