技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種采用壓電復(fù)合音叉的低頻磁場(chǎng)能量采集器，屬能量采集技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
能量采集技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要技術(shù)支撐之一，有效地解決了物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中無線傳感節(jié)點(diǎn)的持續(xù)、穩(wěn)定供電問題。當(dāng)前環(huán)境能量采集研究主要傾力于多種能源：太陽能（如公開號(hào)CN105674587A公開了一種反射聚光太陽能發(fā)電站、公開號(hào)CN105656410A公開了一種可調(diào)式水上太陽能發(fā)電系統(tǒng)等）、風(fēng)能（如公開號(hào)CN105604798A公開了一種螺圈式風(fēng)能發(fā)電設(shè)備）、機(jī)械能（如公開號(hào)CN105634204A公開了一種人體足部機(jī)械能發(fā)電裝置）、電磁能，公開號(hào)CN103683764A公開了垂直軸磁懸浮式蒸汽發(fā)電磁能發(fā)電的兩用發(fā)電裝置。而磁場(chǎng)能作為電磁能的一種形式，在現(xiàn)實(shí)生活中分布廣泛，如各種電線安裝的環(huán)境。
最常用的磁場(chǎng)能量采集器是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的線圈加磁芯組合結(jié)構(gòu)，如公開號(hào)CN104300834A公開了一種新型磁能發(fā)電機(jī)，但是其存在體積較大、磁芯飽和易發(fā)熱、輸出電壓低等缺點(diǎn)，導(dǎo)致單位體積內(nèi)能量轉(zhuǎn)換效率有限；特別是在低頻磁場(chǎng)環(huán)境下，其電壓輸出非常微弱，不適合低頻磁場(chǎng)能量采集。另一類新型磁場(chǎng)能量采集器則采用了安培作用力的原理，模型主要由耦合磁場(chǎng)的磁鐵陣列和輸出電信號(hào)的壓電懸臂梁組成。類似基于壓電懸臂梁的采集器模型還可以采用磁扭矩效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。這些基于安培作用力原理或者磁扭矩效應(yīng)并采用壓電懸臂梁的磁場(chǎng)能量采集器依然效率不高，因?yàn)槠鋲弘姂冶哿航Y(jié)構(gòu)的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)不夠高，導(dǎo)致磁-機(jī)-電轉(zhuǎn)換過程中損耗不小。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是，為了高效采集、轉(zhuǎn)換環(huán)境微弱低頻磁場(chǎng)能量，提出一種采用壓電復(fù)合音叉的低頻磁場(chǎng)能量采集器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種采用壓電復(fù)合音叉的低頻磁場(chǎng)能量采集器包括壓電復(fù)合音叉、一對(duì)永磁鐵和基座。所述壓電復(fù)合音叉由第一矩形彈性金屬音叉臂、第一壓電片、第二矩形彈性金屬音叉臂和第二壓電片組成；第一矩形彈性金屬音叉臂和第二矩形彈性金屬音叉臂的一端為固定端，相互疊合，固定在基座上，另一端為自由端，二個(gè)音叉臂的自由端平行，固定端與自由端之間是過渡端，過渡端與固定端和自由端之間的夾角構(gòu)成相同的內(nèi)錯(cuò)角；第一壓電片固定在第一矩形彈性金屬音叉臂的靠近固定端的過渡端上；第二壓電片固定在第二矩形彈性金屬音叉臂的靠近固定端的過渡端上；永磁鐵通過膠粘的方式對(duì)稱地粘合在音叉兩臂的自由端，第一永磁鐵安裝在第一矩形彈性金屬音叉臂自由端的端部，第二永磁鐵安裝在第二矩形彈性金屬音叉臂自由端的端部；以保證音叉兩臂之間產(chǎn)生強(qiáng)烈地耦合作用，從而獲得最大化的機(jī)械振動(dòng)。
當(dāng)永磁鐵受到外部交變磁場(chǎng)磁扭矩作用時(shí)，永磁鐵驅(qū)動(dòng)壓電復(fù)合音叉兩臂產(chǎn)生同幅反相振動(dòng)。當(dāng)工作頻率處于半波狀態(tài)時(shí)，音叉兩臂的振動(dòng)信號(hào)發(fā)生同相疊加而大大增強(qiáng)；增強(qiáng)的振動(dòng)通過膠層傳遞到壓電片，壓電片感應(yīng)振動(dòng)應(yīng)力產(chǎn)生電信號(hào)輸出。
所述壓電復(fù)合音叉中矩形彈性金屬音叉臂的大小及兩臂間距可調(diào)。
所述壓電復(fù)合音叉中壓電片材料采用PZT-5H、PVDF或壓電單晶PMNT。
所述壓電復(fù)合音叉中矩形彈性金屬音叉臂材料采用鐵鎳合金或不銹鋼。
所述永磁鐵選擇更大剩磁的NdFeB；永磁鐵極性可以調(diào)整為相吸性；永磁鐵數(shù)量可增加到10個(gè)，即音叉二端音叉臂每端重疊5個(gè)永磁鐵。
本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明采用壓電復(fù)合音叉為能量采集、轉(zhuǎn)換元件，可以實(shí)現(xiàn)微弱低頻磁場(chǎng)能量的高效采集。與單端懸臂梁結(jié)構(gòu)比較，音叉結(jié)構(gòu)具有更高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、更強(qiáng)的振動(dòng)和更高的輸出電壓；與線圈結(jié)構(gòu)比較，具有更高的輸出電壓和負(fù)載能力。本發(fā)明采用磁扭矩效應(yīng)，相比安培作用力原理，具有更大的驅(qū)動(dòng)力，從而導(dǎo)致較小磁場(chǎng)下具有較大的電壓輸出和較高的輸出功率。本發(fā)明中的永磁鐵的相吸位置設(shè)計(jì)增強(qiáng)了壓電復(fù)合音叉兩臂的初始應(yīng)力，增強(qiáng)了壓電輸出。本發(fā)明適用于微弱低頻磁場(chǎng)能量的高效采集。
附圖說明
圖1為本發(fā)明壓電復(fù)合音叉的低頻磁場(chǎng)能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，1是第一永磁鐵；2是第二永磁鐵；3是第一矩形彈性金屬音叉臂；4是第二矩形彈性金屬音叉臂；5是第一壓電片；6是第二壓電片；7是基座。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明具體實(shí)施方式如圖1所示。
本實(shí)施例一種采用壓電復(fù)合音叉的低頻磁場(chǎng)能量采集器包括壓電復(fù)合音叉、一對(duì)永磁鐵和基座。所述壓電復(fù)合音叉由第一矩形彈性金屬音叉臂3、第一壓電片5、第二矩形彈性金屬音叉臂4和第二壓電片6組成；第一矩形彈性金屬音叉臂3和第二矩形彈性金屬音叉臂4的一端為固定端，相互疊合，固定在基座上，另一端為自由端，二個(gè)音叉臂的自由端平行，固定端與自由端之間是過渡端，過渡端與固定端和自由端之間的夾角構(gòu)成相同的內(nèi)錯(cuò)角；第一壓電片5固定在第一矩形彈性金屬音叉臂3的靠近固定端的過渡端上；第二壓電片6固定在第二矩形彈性金屬音叉臂4的靠近固定端的過渡端上；永磁鐵通過膠粘的方式對(duì)稱地粘合在音叉兩臂的自由端，第一永磁鐵1安裝在第一矩形彈性金屬音叉臂3自由端的端部，第二永磁鐵2安裝在第二矩形彈性金屬音叉臂4自由端的端部；以保證音叉兩臂之間產(chǎn)生強(qiáng)烈地耦合作用，從而獲得最大化的機(jī)械振動(dòng)。
本實(shí)施例中，第一永磁鐵1和第二永磁鐵2的材料為NdFeB；第一矩形彈性金屬音叉臂3和第二矩形彈性金屬音叉臂4的材料為鈹青銅；第一壓電片5和第二壓電片6的材料為PZT-8；基座7的材料為鋁。