[发明专利]一种哑铃型压电式力-电换能器

说明书

本发明提供的一种哑铃型压电式力‑电换能器，包括框体、压电材料、螺杆和质量块，其中，所述压电材料设置有多个，多个压电材料沿圆周方向均布在框体内；所述螺杆的一端与框体连接，另一端与质量块连接；与传统悬臂梁力‑电换能器相比，由于压电材料处于夹持状态，工作在33模式，仅承受正应力作用，所以压电材料不易产生裂纹，因而此结构换能器的稳定更高，相比传统31模式悬臂梁型换能器，其服役寿命会有显著提高。

技术领域

本发明涉及换能器领域，具体涉及一种哑铃型压电式力-电换能器。

背景技术

近年来，随着微电子技术、数字系统集成技术的不断成熟，无线传感技术、便携式电子设备、可穿戴电子设备、物联网技术等得到飞速发展。目前，这些微电子设备普遍采用化学电池供电。然而，化学电池存在寿命短，温度稳定性差，更换困难且耗资大等缺点，严重阻碍了此类设备的进一步发展。因此，可以从自然环境中采集热、光、磁、机械振动等能源的自供电器件成为了当前的研究热点，有望取代传统化学电池。在这些可再生能源中，机械振动能量不受地域、时间和天气的限制，广泛存在于人类活动、机器运行、管道、桥梁等环境中。压电式力 -电器可利用正压电效应对振动能量进行收集，并转换为可以再次利用的电能。与电磁式和静电式力-电换能器相比，具有结构简单、能量密度高、小型化等优点，拥有广阔的应用前景。

传统的压电式力-电换能器多为悬臂梁结构，有效实现在机械谐振状态下电信号输出的放大，但是在振动过程中，压电材料处于拉弯、压弯状态，在31模式下工作，即极化方向沿厚度3方向，受力方向沿长度1方向，可发生较大的形变，从而产生较高的输出电压，可是输出电流和功率密度相对较低(功率密度大约为～0.1mW cm^-3)，很难满足实际应用需求。同时在该结构下，一方面，压电材料在长时间工作或较大的振动激励下容易产生微裂纹、甚至断裂，进而大大降低力-电换能器的输出性能；另一方面，由于压电材料与悬臂梁结构采用粘结剂连接，工作时间较长时，粘结剂存在脱落的风险，也会造成输出性能的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种哑铃型压电式力-电换能器，解决了现有压电式力-电换能器中存在的输出能量密度低、工作寿命短、压电材料易产生微裂纹的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种哑铃型压电式力-电换能器，包括框体、压电材料、螺杆和质量块，其中，所述压电材料设置有多个，多个压电材料沿圆周方向均布在框体内；所述螺杆的一端与框体连接，另一端与质量块连接。

优选地，所述框体包括刚性基座和刚性盖板，所述刚性基座和刚性盖板之间平行布置；压电材料置于刚性基座和刚性盖板之间；所述螺杆的一端穿过刚性盖板与刚性基座固定连接。

优选地，所述压电材料为压电片、压电块或压电堆结构。

优选地，当压电材料为压电堆结构时，所述压电材料包括多个压电片，多个压电片沿压电片的厚度方向叠加布置，两个相邻的压电片之间的电极呈叉指电极、满电极或分离式电极结构布置；且多个压电片之间为电学串连接或电学并联连接。

优选地，多个压电材料之间为电学串联连接或电学并联连接。

优选地，所述压电材料的上下两端均设置有绝缘材料。

一种力-电换能装置，包括多个哑铃型力-电换能器本体，多个哑铃型力-电换能器本体之间为电学串联连接或电学并联连接；多个哑铃型力-电换能器本体呈阵列式结构布置在两块板之间。

优选地，所述哑铃型力-电换能器本体包括框体、压电材料、螺杆和质量块，其中，所述压电材料设置有多个，多个压电材料沿圆周方向均布在框体内；所述螺杆的一端与框体连接，另一端与质量块连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：