本发明涉及压电俘能技术领域，具体涉及一种斜对角梁式三向宽频压电振动俘能装置。
背景技术：
近年来，随着全球气候变暖的加剧和石油、煤炭、天然气等不可再生资源的紧缺，寻求可再生、可持续的绿色能源成为人类文明可持续发展的重要挑战；利用压电材料的正压电效应，从环境中俘获能量的装置称之为压电俘能器，与静电式、电磁式将振动机械能转化为电能相比，压电俘能器具有俘能效率高、能量密度大、工作可靠、适应性强、无污染、成本低等突出优点，从环境振动或噪声中提取能量的性能最好，成为从环境机械能获取电能的一种行之有效的好方法，受到了广泛的重视。
压电俘能的研究已逐步出现在研究生、本科生以及一些企业的教学与生产研究中，现有的俘能装置和俘能结构存在一些不足，现有的振动俘能装置结构复杂，而且在进行振动俘能时，现有的俘能装置多是针单向振动的能量进行俘能，但是现实情况中，会存在许多的三向振动环境，导致现有的振动俘能器不能高效采集环境中的振动能量，同时现有的振动俘能装置仍然是单稳态状态，导致装置的采集频带较窄，造成从固有频率复杂多变的实际环境中俘能效率较低，所以现需要一种振动俘能装置来解决上述问题。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种斜对角梁式三向宽频压电振动俘能装置，其具备良好的振动敏感性，通过磁斥力和质量块重力相互耦合作用，使装置具有良好的两自由度双稳态收集性能，从而产生了较宽的能量采集频带，能够实现对环境中三向振动能量的高效收集，同时由于斜对角结构的不稳定性，增加了装置对低幅响应的能力，加大了对微振能量的利用，同时该装置结构简单，便于生产，解决了现有的振动俘能器结构在单稳态方面，能量收集频带较窄，同时现有振动俘能装置不能实现对三向振动进行能量收集的的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种斜对角梁式三向宽频压电振动俘能装置，包括基座和俘能机构，所述俘能机构设置于基座的顶部，所述基座顶部的中间位置开设有安装孔；
所述俘能机构包括横板、竖板、压电梁、质量块、第一磁块和第二磁块，所述横板固定连接于基座的顶部，所述竖板固定连接于横板一段的顶部，所述横板顶部的另一端活动连接有垫块，所述第一磁块固定连接于竖板一侧的顶部，所述压电梁包括底梁、中梁和顶梁，所述第二磁块固定连接于顶梁的一侧，所述中梁中间位置的顶部和底部固定粘贴有质量块，所述中梁一侧的顶部和底部均通过导电胶粘贴有压电片，所述底梁的顶部通过螺纹孔活动连接有螺栓，所述螺栓的一端依次贯穿底梁、垫块和横板且表面套设有螺母。
优选的，所述基座采用十字形结构，所述基座顶部、横板的顶部和竖板的一侧均开设有用于减轻质量和对准安装的通孔。
优选的，所述俘能机构设置有四组，且两两之间呈90度夹角固定于基座的顶部，所述竖板和横板相互垂直，四组竖板两两相互接触。
优选的，所述压电梁通过一块85x20x0.3mm的铜片弯曲制成，顶梁尺寸为：15x20x0.3mm，中梁尺寸为：55x20x0.3mm，底梁尺寸为：15x20x0.3mm，所述顶梁与中梁、底梁与中梁之间均呈135度的夹角。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过横板、垫板、螺栓、竖板、质量块、压电片、第一磁块、压电梁和第二磁块的配合，利用磁铁的斥力和质量块的重力相互耦合，同时配合铜制压电梁自身的弹性形成两自由斜对角梁结构，实现了装置双稳态特性，提高了装置对振动的敏感性，从而增强了装置对低幅振动的响应能力，有效拓宽了该装置的采集频带，实现了在不同频率的振动下均有较大而平稳的输出功率，同时四组俘能机构阵列安装，实现了对环境中三向振动能量的收集，提高了对振动环境的适应性，即可以对x、y、z轴三个方向上的振动都能实现能量收集，从而极大的提升了能量收集效率。
2、本发明通过设置基座和安装孔，方便了俘能装置的安装与放置，通过设置第一磁块、第二磁块和质量块，通过利用磁铁间的排斥力和质量块的重力相互耦合，配合铜制压电梁自身的弹性，实现了压电梁的双稳态，通过顶梁、中梁、底梁和螺栓的配合，采用顶梁和中梁、底梁和中梁呈135度夹角的结构，以及底梁固定安装的方式实现了装置斜对角结构，同时配合中梁上固定粘贴的质量块，进而实现了压电梁的两自由度，通过设置垫块，改变两磁块间的正对面积，进而改变磁块间斥力大小，增加了压电梁在振动环境中的形变效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俘能结构的结构示意图；
图3为本发明的压电梁的结构示意图；
图4为本发明的基座的结构示意图。
图中：1基座、2俘能机构、3横板、4垫块、5螺栓、6竖板、7质量块、8压电片、9第二磁块、10压电梁、11第一磁块、12顶梁、13中梁、14底梁、15安装孔。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参阅图1-4，一种斜对角梁式三向宽频压电振动俘能装置，包括基座1和俘能机构2，俘能机构2设置于基座1的顶部，基座1顶部的中间位置开设有安装孔15，通过设置基座1和安装孔15，方便了俘能装置的安装与放置；
俘能机构2包括横板3、竖板6、压电梁10、质量块7、第一磁块11和第二磁块9，横板3固定连接于基座1的顶部，竖板6固定连接于横板3一段的顶部，横板3顶部的另一端活动连接有垫块4，通过设置垫块4，改变两磁块间的正对面积，进而改变磁块间斥力大小，增加了压电梁10在振动环境中的形变效果，第一磁块11固定连接于竖板6一侧的顶部，通过设置第一磁块11、第二磁块9和质量块7，通过利用磁铁间的排斥力和质量块7的重力相互耦合，配合铜制压电梁10自身的弹性，实现了压电梁10的双稳态，压电梁10包括底梁14、中梁13和顶梁12，第二磁块9固定连接于顶梁12的一侧，中梁13中间位置的顶部和底部固定粘贴有质量块7，中梁13一侧的顶部和底部均通过导电胶粘贴有压电片8，通过顶梁12、中梁13、底梁14和螺栓5的配合，采用顶梁12和中梁13、底梁14和中梁13呈135度夹角的结构，以及底梁14固定安装的方式实现了装置斜对角结构，同时配合中梁13上固定粘贴的质量块7，进而实现了压电梁10的两自由度，底梁14的顶部通过螺纹孔活动连接有螺栓5，螺栓5的一端依次贯穿底梁14、垫块4和横板3且表面套设有螺母。
基座1采用十字形结构，基座1顶部、横板3的顶部和竖板6的一侧均开设有用于减轻质量和对准安装的通孔，俘能机构2设置有四组，且两两之间呈90度夹角固定于基座1的顶部，竖板6和横板3相互垂直，四组竖板6两两相互接触，压电梁10通过一块85x20x0.3mm的铜片弯曲制成，顶梁12与中梁13、底梁14与中梁13之间均呈135度的夹角，通过横板3、垫块4、螺栓5、竖板6、质量块7、压电片8、第一磁块11、压电梁10和第二磁块9的配合，利用磁铁的斥力和质量块7的重力相互耦合，同时配合铜制压电梁10自身的弹性形成两自由斜对角梁结构，实现了装置双稳态特性，提高了装置对振动的敏感性，从而增强了装置对低幅振动的响应能力，有效拓宽了该装置的采集频带，实现了在不同频率的振动下均有较大而平稳的输出功率，同时四组俘能机构2阵列安装，实现了对环境中三向振动能量的收集，提高了对振动环境的适应性，即可以对x、y、z轴三个方向上的振动都能实现能量收集，从而极大的提升了能量收集效率。
使用时，首先将通过基座1和横板3上的通孔分别将四组俘能机构2固定安装在基座1顶部，且四组俘能机构2两两之间呈90度角，随后在将俘能装置通过安装孔15固定在振动环境中，当环境中振动源振动时，振动冲击俘能机构2，压电梁10发生振动，中梁13发生形变，带动压电片8形变，从而产生极化电流，与此同时，由于底梁14被固定在垫块4顶部，顶梁12和中梁13与底梁14之间的角度使得压电梁10构成斜对角结构，质量块7在重力的作用下，带动中梁13和顶梁12沿着竖板6向下移动，同时固定连接在顶梁12一侧的第二磁块9受到固定连接在竖板6一侧顶部的第一磁块11磁斥力作用，带动顶梁12和中梁13产生垂直竖板6的移动，配合具有弹性的铜制斜对角压电梁10结构，此时，在多种力的复合作用下，中梁13、顶梁12和质量块7将以底梁14为顶点进行摆动，带动中梁13和压电片8持续变形，进而实现极化电流的持续产生，实现了该两自由度压电梁10振动过程中的动态稳定状态，极大的拓宽了该装置的振动能量采集频带，同时提高了装置对振动的敏感性，从而增强了装置对低幅振动的响应能力，实现了在不同频率的振动下均有较大而平稳的输出功率，大大拓宽了该装置的应用范围。
同时，四组俘能机构2阵列安装在基座1的顶部，使得俘能装置能够适应来自环境中的三向振动，即无论环境中的振动源来自于x轴、y轴或者是z轴方向，该阵列的两自由度双稳态斜对角压电梁10都能够高效的进行能量收集，从而解决了现有的振动俘能装置在三向振动能量收集方面效果不佳的问题。
综上所述：一种斜对角梁式三向宽频压电振动俘能装置通过基座1、俘能机构2、横板3、垫块4、螺栓5、竖板6、质量块7、压电片8、第二磁块9、压电梁10、第一磁块11、顶梁12、中梁13、底梁14和安装孔15的配合，解决了现有的振动俘能器结构能量采集频带较窄，不能有效的对三向振动能量进行收集以及应用范围较小的问题。
以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。
1.一种斜对角梁式三向宽频压电振动俘能装置，包括基座(1)和俘能机构(2)，其特征在于：所述俘能机构(2)设置于基座(1)的顶部，所述基座(1)顶部的中间位置开设有安装孔(15)；
所述俘能机构(2)包括横板(3)、竖板(6)、压电梁(10)、质量块(7)、第一磁块(11)和第二磁块(9)，所述横板(3)固定连接于基座(1)的顶部，所述竖板(6)固定连接于横板(3)一段的顶部，所述横板(3)顶部的另一端活动连接有垫块(4)，所述第一磁块(11)固定连接于竖板(6)一侧的顶部，所述压电梁(10)包括底梁(14)、中梁(13)和顶梁(12)，所述第二磁块(9)固定连接于顶梁(12)的一侧，所述中梁(13)中间位置的顶部和底部固定粘贴有质量块(7)，所述中梁(13)一侧的顶部和底部均通过导电胶粘贴有压电片(8)，所述底梁(14)的顶部通过螺纹孔活动连接有螺栓(5)，所述螺栓(5)的一端依次贯穿底梁(14)、垫块(4)和横板(3)且表面套设有螺母。
2.根据权利要求1所述的一种斜对角梁式三向宽频压电振动俘能装置，其特征在于：所述基座(1)采用十字形结构，所述基座(1)顶部、横板(3)的顶部和竖板(6)的一侧均开设有用于减轻质量和对准安装的通孔。
3.根据权利要求1所述的一种斜对角梁式三向宽频压电振动俘能装置，其特征在于：所述俘能机构(2)设置有四组，且两两之间呈90度夹角固定于基座(1)的顶部，所述竖板(6)和横板(3)相互垂直，四组竖板(6)两两相互接触。
4.根据权利要求1所述的一种斜对角梁式三向宽频压电振动俘能装置，其特征在于：所述压电梁(10)通过一块85x20x0.3mm的铜片弯曲制成，所述顶梁(12)尺寸为：15x20x0.3mm，所述中梁(13)尺寸为：55x20x0.3mm，所述底梁(14)尺寸为：15x20x0.3mm，所述顶梁(12)与中梁(13)、底梁(14)与中梁(13)之间均呈135度的夹角。
技术总结