[发明专利]一种基于反对称式多层压电超材料的减振和发电双功能梁

说明书

本发明提供一种基于反对称式多层压电超材料的减振和发电双功能梁，利用反对称式多层压电超材料梁的带隙特性对弯曲振动进行减振，由于在带隙范围内弯曲波存在衰减或不能通过结构，为此机械能更多的被反对称压电局域振子结构所吸收。将能量收集电路引入到超材料的反对称压电局域振子结构中，可将局域在压电局域振子中的能量进行收集，进而将机械能转化为电能并用于对微电子产品进行电能供应。而超材料结构本身包含了许多用于收集能量的共振元素，具有一定的结构优势，是振动能量收集器的理想选择。本发明将压电局域振子吸振和压电能量收集双功能集成到一个压电单元中，最终实现压电超材料在振动环境中的减振和宽频发电双功能效果。

技术领域

本发明涉及一种减振和发电双功能装置，更具体的说是一种适用于在振动噪声环境中利用超材料电磁谐振带隙原理的宽频减振及发电双重功能装置，属于减振降噪、微电源、新能源技术等领域。

背景技术

近年来，微机电系统、电子网络技术和无线传感技术的快速发展，对人类科技技术进步和生产力的提高起到了巨大的推动作用。目前，无线传感网络技术已经广泛的应用在机械结构，如发动机、涡轮机、风机等、大型设备(如冷却塔、热交换器、核反应堆、压力容器等)、基础设施(如桥梁、公路、铁路、建筑等和环境监测(水质监测、森林火灾预警、气候、海洋)等方面。而监测这些设备或环境的各类参数(如温度、压力、应力、湿度、加速度等) 需要大量的传感器节点，并且每个传感器节点均需要提供一定的电能。目前，传感器节点大多采用化学电池供电，但节点的使用寿命与容量有限的电池之间的存在着一些矛盾。一方面这一类网络中的传感器节点往往尺寸较小，无法配置大容量的电池，这就导致节点的使用寿命受到了制约；另一方面，频繁的更换电池也为网络的维护带来了巨大的工作量，间接提升了网络部署的成本。因此发展新型的微电源技术十分重要。

现有的能量收集转换技术中，压电能量收集技术表现出诸多优势，如：无需外加激励电压、输出电压高、体积小、功率密度高和易于微型化的优点。此外，压电能量收集技术主要基于压电材料的发电装置依靠机械振动发电，其所产生的电力能满足微功耗系统的要求，并且所利用的振动源无处不在、应用不受场地限制、伸缩性及活动性强等优点，因此振动发电装置成为解决微电源问题的重要途径。然而，目前诸多压电振动发电装置面临“共振频率单一、发电频带过窄、发电效率低”的问题。为解决上述问题，常常通过主动控制来扩大发电频带以及自适应控制来调节装置的自身固有频率从而适应环境振动频率的变化。然而以上两种方式都需要引入外部电能才能实现控制，并且自身耗能也较大，往往导致入不敷出。

此外，上述工业机械结构在工作状态下本体结构往往也存在较为强烈的振动问题，不仅对结构本身起到一定的影响，同时对周围环境也存在着一定的噪声污染。因此对于结构本体的振动抑制也是一项重要的技术指标。

发明内容

本发明中超材料本体结构可以同时实现振动抑制及能量收集双重功能，并对无线传感器等微电子产品供应能量，是一种利用工作环境中机械弯曲振动发电的压电发电装置。方案主要利用超材料减振技术和压电能量收集技术相结合，将压电局域振子吸振和压电能量收集双功能集成到一个压电单元中，因此无需额外再引入能量收集转换装置。通过“反对称压电局域振子”在基体上的周期性排布，在产生弯曲振动带隙的同时进而有效拓宽发电频带的带宽，提高装置的发电效率，进而实现振动抑制和能量收集双重功能。

本发明的目的是这样实现的：包括夹芯层、设置在夹芯层上下两端的上下覆盖层、反对称交替设置在上下覆盖层上的压电堆叠材料，反对称布置的压电堆叠材料与外接分流电感电路通过压电层表面电极相连，组成反对称式压电局域振子。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.夹心层采用环氧树脂或有机玻璃的非金属材料。

2.上下覆盖层材料是金属材料，可为铝；上下覆盖层通过粘结的工艺方式粘结在夹心层上下端。

3.压电堆叠材料为多层压电陶瓷或压电薄膜等压电材料进行堆叠而成，每层压电片表面镀银电极。