本實用新型專利技術提出了一種負壓動平衡的振動能量收集裝置，用以提高能量收集效率，包括殼體、兩個電極、外振子、內振子、兩個緊固環和兩個密封端蓋；兩個電極的削冠平面相對，放置在殼體內部的第一圓柱腔體內，并通過緊固環與殼體兩端設置的裝配基準面固定，兩個密封端蓋分別固定在兩個電極的導向圓柱體的底端平面上，且兩個密封端蓋上設置的第二圓形凸起分別嵌入兩個定位孔內；內振子位于兩個電極的削冠平面之間，且兩個端圓柱體分別與兩個電極削冠平面上設置的定位孔配合；外振子位于兩個電極的半球狀體之間。本實用新型專利技術可實現靜電能和機械振動能的低頻重載沖擊寬頻帶多方向能量收集能力，可用于慣性導航、無人駕駛、雷達偵測、水下探測等領域。
Vibration energy collection device of negative pressure dynamic balance
【技術實現步驟摘要】
負壓動平衡的振動能量收集裝置
本技術屬于能量收集
，涉及一種負壓動平衡的振動能量收集裝置，可用于慣性導航、無人駕駛、雷達偵測、地質勘探、水下探測等領域。
技術介紹
隨著半導體技術的發展，各種由微機械原理設計制造的電子設備層出不窮。特別是在國防安全、環境監測系統、感應充電、地質勘探和海底偵測應用系統等方面發揮著各種各樣的作用。電子設備對于有限能源的利用效率和續航能力備受關注，尤其在航空航天領域，運載工具的載荷和攜帶能源有限，要求設備具有小體積，輕質量和續航能力強的特點，設計一種能量收集器把未被利用的機械能量和靜電能量轉化為電能提供給微機電系統使用很有意義。自然環境中能量都是以波的形式存在，能量可以分為核能、光能、熱能、靜電能和機械能。其中機械能能量收集器又可分為電磁式、靜電式、磁致伸縮式及壓電式，而壓電式振動能量收集器又分為正壓電效應式和負壓電效應式，正壓電效應是指當壓電材料產生機械變形時，在壓電材料表面出現電荷的現象，其收集的是垂直于機械軸的豎直方向能量，負壓電效應與正壓電效應原理相似，其收集的是垂直于機械軸的水平方向能量。逆壓電效應是指對壓電材料施加交變電場引起材料機械變形的現象,也叫電致伸縮效應。壓電式振動能量收集器具有易集成、能量輸出密度大、無需外接電源、無污染、能更好地與微系統集成等優點被廣泛應用。壓電式振動能量收集裝置，包括夾具、彈性梁、壓電片、質量塊。其中夾具用于固定彈性基板，質量塊設置于彈性梁上用于調整整個能量收集裝置的諧振頻率。其中壓電片均勻粘貼于彈性梁表面，當感知到外部振動時，壓電片的正壓電效應使其表面有電流輸出，壓電片表面的電極將產生的電流輸出給后端電路儲能或用電設備。電場能量收集裝置主要包括壓電材料、駐極體和支撐結構，其原理是運用壓電材料的逆壓電效應，即放置在交變電場中的駐極體會產生形變，從而使壓電材料產生輸出電壓。目前，已公開文獻中，都是非空間對稱力平衡結構形式。例如：申請公開號為CN110071661A，名稱為“一種具有低頻及寬頻帶多模態陣列式能量收集裝置”的專利申請，公開了針對提高壓電能量回收裝置在低頻振動能量回收和寬帶頻率響應特性兩個方面的性能的振動能量收集器。在低頻振動收集能力上主要通過增大質量和減小剛度來降低能量收集技術的諧振頻率，使之與激勵源頻率相同，并且利用頻率變頻技術將低頻振動轉換為高頻振動再吸收利用。在外界激勵的驅動下，懸臂梁發生受迫振動，并且致使壓電片發生形變產生電流，從而實現機械能向電能的轉換。該技術為了提高低頻能量電流輸出能力，僅實現了單諧振環平面對稱輕載低頻及寬頻帶多方向能量的收集能力，系統質量剛性不足，由于剛度下將導致失去重載沖擊能量收集能力，使得功能適用性范圍不足和重載收集功率效率低下。
技術實現思路
本技術的目的在于克服上述現有技術存在的缺陷，提出一種負壓動平衡的振動能量收集裝置，旨在提高能量收集效率。為了實現上述目的，本技術采取的技術方案包括殼體1、兩個電極2、外振子3、內振子4、兩個緊固環5和兩個密封端蓋6，其中：所述殼體1采用絕緣材料，形狀為帶有第一圓柱腔體11的柱體結構，其兩端設置有裝配基準面12；所述電極2采用半導體材料，形狀為由導向圓柱體21和半球狀體22通過過渡段23連接的中心對稱結構，該電極2靠近導向圓柱體21一側的對稱軸上設置有定位孔24，半球狀體22的球面上設置有與對稱軸垂直的削冠平面25，該削冠平面25上設置有與定位孔24貫通的第一安裝孔26，所述過渡段23上設置有一個或多個徑向通流孔27；所述外振子3采用半導體材料，形狀為帶有復合腔體的柱體結構，所述復合腔體由第二圓柱腔體31和與其兩端相連且方向相背的兩個半球狀腔體32組成，第二圓柱腔體31中部設有第一環形凹槽33，所述半球狀腔體32的名義曲率半徑等于電極2半球狀體22的名義曲率半徑；所述內振子4采用半導體材料，形狀為帶有通流孔41的復合圓柱體結構，所述復合圓柱體由中間段圓柱體42和與其兩端連接且直徑小于中間段圓柱體42的端圓柱體43組成，中間段圓柱體42中部設有第二環形凹槽44，其中中間段圓柱體42的名義直徑與第二圓柱腔體31名義直徑相等，用于實現中間段圓柱體42的圓柱表面與第二圓柱腔體31的表面形成滾動配合；所述中間段圓柱體42的長度大于第二圓柱腔體31的長度，用于實現電極2上的半球狀體22表面與外振子3上的半球狀腔體32表面，以及削冠平面25與中間段圓柱體42的肩面45形成間隙配合；所述兩個端圓柱體43的名義直徑與第一安裝孔26名義直徑相等，用于實現兩個端圓柱體43的圓柱表面與兩個第一安裝孔26表面形成滾動配合；所述中間段圓柱體42上設置有與通流孔41貫通的一個或多個排流孔46；所述緊固環5的形狀為端面帶有第一圓形凸起51的第一圓盤52結構，該第一圓盤52結構的中心軸線上設置有第二安裝孔53；所述密封端蓋6采用金屬材料，形狀為一端帶有接線柱，另一端面帶有第二圓形凸起61的第二圓盤62結構，第二圓形凸起61一側中心位置設置有盲孔63；所述兩個電極2的削冠平面25相對，放置在殼體1內部的第一圓柱腔體11內，并通過緊固環5與殼體1兩端設置的裝配基準面12固定，所述兩個密封端蓋6分別固定在兩個電極2的導向圓柱體21的底端平面28上，且兩個密封端蓋6上設置的第二圓形凸起61分別嵌入兩個定位孔24內；所述內振子4位于兩個電極2的削冠平面25之間，且兩個端圓柱體43分別與兩個電極2削冠平面25上設置的第一安裝孔26配合；所述外振子3位于兩個電極2的半球狀體22之間；在負壓環境中由外振子3和內振子4組成的諧振子的質心處產生的哥氏力的向心分量與萬有引力平衡，諧振子與兩個電極2之間的阻尼力與哥氏力的切向分量平衡，在環境能量波作用下，諧振子質心處產生的哥氏力變化使諧振子與兩個電極2組成的諧振腔產生尺蠖式偏振機械動壓，該偏振機械動壓使兩個電極2表層壓電半導體尺蠖式變形，根據負壓電效應，兩個電極2產生交流電流輸出，該交流電流使兩個電極2表面的基底壓電半導體層上的光電半導體層泵浦發光，并產生偏振，根據逆壓電效應，該偏振泵浦光受兩個電極2對外振子3的魯棒性約束提高輸出電流的電壓，電極2兩端輸出功率上升，輸出功率通過密封端蓋6的接線柱與外部設備連接，傳輸給后端電能存儲或用于電器設備。上述一種負壓動平衡的振動能量收集裝置，所述殼體1的外形為兩端帶有法蘭13的圓柱體，所述帶有法蘭13的圓柱體的中心軸與殼體1內部設置的第一圓柱腔體11的中心軸同軸；所述殼體1的裝配基準面12表面鍍銅碳化硅半導體復合膜。上述一種負壓動平衡的振動能量收集裝置，所述緊固環5上的第一圓形凸起51、第一圓盤52和第二安裝孔53同軸，且圓盤狀結構的名義直徑與殼體1上的法蘭13的名義直徑相等。上述一種負壓動平衡的振動能量收集裝置，所述密封端蓋6上的第二圓形凸起61與第二圓盤62同軸，所述第二圓盤62的名義直徑小于第二安裝孔53的名義直徑；所述第二圓盤62設置有第二圓形凸起61的一側端面鍍銅碳化硅半導體復合膜。上述本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種負壓動平衡的振動能量收集裝置，包括殼體(1)、兩個電極(2)、外振子(3)、內振子(4)、兩個緊固環(5)和兩個密封端蓋(6)，其中：/n所述殼體(1)采用絕緣材料，形狀為帶有第一圓柱腔體(11)的柱體結構，其兩端設置有裝配基準面(12)；/n所述電極(2)采用半導體材料，形狀為由導向圓柱體(21)和半球狀體(22)通過過渡段(23)連接的中心對稱結構，該電極(2)靠近導向圓柱體(21)一側的對稱軸上設置有定位孔(24)，半球狀體(22)的球面上設置有與對稱軸垂直的削冠平面(25)，該削冠平面(25)上設置有與定位孔(24)貫通的第一安裝孔(26)，所述過渡段(23)上設置有一個或多個徑向通流孔(27)；/n所述外振子(3)采用半導體材料，形狀為帶有復合腔體的柱體結構，所述復合腔體由第二圓柱腔體(31)和與其兩端相連且方向相背的兩個半球狀腔體(32)組成，第二圓柱腔體(31)中部設有第一環形凹槽(33)，所述半球狀腔體(32)的名義曲率半徑等于電極(2)半球狀體(22)的名義曲率半徑；/n所述內振子(4)采用半導體材料，形狀為帶有通流孔(41)的復合圓柱體結構，所述復合圓柱體由中間段圓柱體(42)和與其兩端連接且直徑小于中間段圓柱體(42)的端圓柱體(43)組成，中間段圓柱體(42)中部設有第二環形凹槽(44)，其中中間段圓柱體(42)的名義直徑與第二圓柱腔體(31)名義直徑相等，用于實現中間段圓柱體(42)的圓柱表面與第二圓柱腔體(31)的表面形成滾動配合；所述中間段圓柱體(42)的長度大于第二圓柱腔體(31)的長度，用于實現電極(2)上的半球狀體(22)表面與外振子(3)上的半球狀腔體(32)表面，以及削冠平面(25)與中間段圓柱體(42)的肩面(45)形成間隙配合；所述兩個端圓柱體(43)的名義直徑與第一安裝孔(26)名義直徑相等，用于實現兩個端圓柱體(43)的圓柱表面與兩個第一安裝孔(26)表面形成滾動配合；所述中間段圓柱體(42)上設置有與通流孔(41)貫通的一個或多個排流孔(46)；/n所述緊固環(5)的形狀為端面帶有第一圓形凸起(51)的第一圓盤(52)結構，該第一圓盤(52)結構的中心軸線上設置有第二安裝孔(53)；/n所述密封端蓋(6)采用金屬材料，形狀為一端帶有接線柱，另一端面帶有第二圓形凸起(61)的第二圓盤(62)結構，第二圓形凸起(61)一側中心位置設置有盲孔(63)；/n所述兩個電極(2)的削冠平面(25)相對，放置在殼體(1)內部的第一圓柱腔體(11)內，并通過緊固環(5)與殼體(1)兩端設置的裝配基準面(12)固定，所述兩個密封端蓋(6)分別固定在兩個電極(2)的導向圓柱體(21)的底端平面(28)上，且兩個密封端蓋(6)上設置的第二圓形凸起(61)分別嵌入兩個定位孔(24)內；所述內振子(4)位于兩個電極(2)的削冠平面(25)之間，且兩個端圓柱體(43)分別與兩個電極(2)削冠平面(25)上設置的第一安裝孔(26)配合；所述外振子(3)位于兩個電極(2)的半球狀體(22)之間；/n在負壓環境中由外振子(3)和內振子(4)組成的諧振子的質心處產生的哥氏力的向心分量與萬有引力平衡，諧振子與兩個電極(2)之間的阻尼力與哥氏力的切向分量平衡，在環境能量波作用下，諧振子質心處產生的哥氏力變化使諧振子與兩個電極(2)組成的諧振腔產生尺蠖式偏振機械動壓，該偏振機械動壓使兩個電極(2)表層壓電半導體尺蠖式變形，根據負壓電效應，兩個電極(2)產生交流電流輸出，該交流電流使兩個電極(2)表面的基底壓電半導體層上的光電半導體層泵浦發光，并產生偏振，根據逆壓電效應，該偏振泵浦光受兩個電極(2)對外振子(3)的魯棒性約束提高輸出電流的電壓，電極(2)兩端輸出功率上升，輸出功率通過密封端蓋(6)的接線柱與外部設備連接，傳輸給后端電能存儲或用于電器設備。/n...
【技術特征摘要】
1.一種負壓動平衡的振動能量收集裝置，包括殼體(1)、兩個電極(2)、外振子(3)、內振子(4)、兩個緊固環(5)和兩個密封端蓋(6)，其中：
所述殼體(1)采用絕緣材料，形狀為帶有第一圓柱腔體(11)的柱體結構，其兩端設置有裝配基準面(12)；
所述電極(2)采用半導體材料，形狀為由導向圓柱體(21)和半球狀體(22)通過過渡段(23)連接的中心對稱結構，該電極(2)靠近導向圓柱體(21)一側的對稱軸上設置有定位孔(24)，半球狀體(22)的球面上設置有與對稱軸垂直的削冠平面(25)，該削冠平面(25)上設置有與定位孔(24)貫通的第一安裝孔(26)，所述過渡段(23)上設置有一個或多個徑向通流孔(27)；
所述外振子(3)采用半導體材料，形狀為帶有復合腔體的柱體結構，所述復合腔體由第二圓柱腔體(31)和與其兩端相連且方向相背的兩個半球狀腔體(32)組成，第二圓柱腔體(31)中部設有第一環形凹槽(33)，所述半球狀腔體(32)的名義曲率半徑等于電極(2)半球狀體(22)的名義曲率半徑；
所述內振子(4)采用半導體材料，形狀為帶有通流孔(41)的復合圓柱體結構，所述復合圓柱體由中間段圓柱體(42)和與其兩端連接且直徑小于中間段圓柱體(42)的端圓柱體(43)組成，中間段圓柱體(42)中部設有第二環形凹槽(44)，其中中間段圓柱體(42)的名義直徑與第二圓柱腔體(31)名義直徑相等，用于實現中間段圓柱體(42)的圓柱表面與第二圓柱腔體(31)的表面形成滾動配合；所述中間段圓柱體(42)的長度大于第二圓柱腔體(31)的長度，用于實現電極(2)上的半球狀體(22)表面與外振子(3)上的半球狀腔體(32)表面，以及削冠平面(25)與中間段圓柱體(42)的肩面(45)形成間隙配合；所述兩個端圓柱體(43)的名義直徑與第一安裝孔(26)名義直徑相等，用于實現兩個端圓柱體(43)的圓柱表面與兩個第一安裝孔(26)表面形成滾動配合；所述中間段圓柱體(42)上設置有與通流孔(41)貫通的一個或多個排流孔(46)；
所述緊固環(5)的形狀為端面帶有第一圓形凸起(51)的第一圓盤(52)結構，該第一圓盤(52)結構的中心軸線上設置有第二安裝孔(53)；
所述密封端蓋(6)采用金屬材料，形狀為一端帶有接線柱，另一端面帶有第二圓形凸起(61)的第二圓盤(62)結構，第二圓形凸起(61)一側中心位置設置有盲孔(63)；
所述兩個電極(2)的削冠平面(25)相對，放置在殼體(1)內部的第一圓柱腔體(11)內，并通過緊固環(5)與殼體(1)兩端設置的裝配基準面(12)固定，所述兩個密封端蓋(6)分別固定在兩個電極(2)的導向圓柱體(21)的底端平面(28)上，且兩個密封端蓋(6)上設置的第二圓形凸起(61)分別嵌入兩個定位孔(24)內；所述內振子(4)位于兩個電極(2)的削冠平面(25)之間，且兩個端圓柱體(43)分別與兩個電極(2)削冠平面(25)上設置的第一安裝孔(26)配合；所述外振子(3)位于兩個電極(2)的半球狀體(22)之間；
在負壓環境中由外振子(3)和內振子(4...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李南，
申請(專利權)人：李南，
類型：新型
國別省市：陜西;61
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