專利名稱：帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器的制作方法
技術領域：
本發明屬于新能源和發電技術領域，具體涉及一種帶有彈性放大器的高效寬頻帶振動能量采集器，用于放大基座的微弱振動位移的幅度，提高壓電振子的發電能量和轉換效率，實現高效、寬頻帶的能量采集與轉換。
背景技術：
為解決小尺寸、低成本、低功耗的無線傳感器網絡節點和電子設備的自供電問題，減少廢棄電化學電池對環境的污染，基于壓電、靜電、磁電等原理的微能量采集技術已成為國內外研究的熱點。作為人類日常生活中一種特有的能量形式，振動能量采集由于其成本低、能量密度大等優勢受到廣泛的關注和研究。基于壓電轉換原理的振動能量采集器由于具有結構簡單、易于制作、易于小型化和集成化、且能量轉換密度高等優點，具有廣泛的應用前景，目前已逐步代替電化學電池用于無線傳感器網絡、結構在線健康檢測以及RFID等領域。國內外有較多的專利申請涉及壓電振動能量采集器，典型的壓電能量采集器結構主要是懸臂梁式、圓盤式和疊堆式壓電振子，這些壓電振子結構的諧振頻帶比較窄，能量轉換效率不高。為提高壓電能量采集器的能量轉換效率、增加壓電能量采集器的有效頻帶寬度，目前出現了寬頻壓電振子構成能量采集器，如，中國發明專利200910195782. 8提出了基于雙穩態升頻結構的MEMS寬頻壓電能量采集器，可實現較寬的環境振動頻率范圍內較大的輸出功率；中國發明專利201110109272.1提出了一種基于二自由度壓電振子的環境振動能量采集裝置，其振動機構由兩個上下平行固定于基座的單自由度懸臂梁結構和一根垂直連接振子質量塊的彈簧構成，兩振子的梁厚與質量塊重量均不同，形成一階與二階諧振頻率相鄰的寬頻諧振二自由系統。中國發明專利200810233113. O提出一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動壓電能量采集器，等等。通常僅當壓電振子諧振頻率與環境振動頻率一致時壓電能量采集器的發電能力和能量轉換效率達到最大，但事實上壓電振子的諧振頻帶通常比較窄，因此，直接利用壓電振子采集環境振動能量的效果并不顯著。正如上述發明專利所述，為提高壓電振子的諧振頻帶寬度常用的方法是改變傳統單懸臂梁壓電振子結構，采用復合壓電振子結構，如多懸臂梁壓電振子結構、L型壓電振子結構等，該方法雖在一定程度上可以拓寬能量采集器的諧振頻帶，但結構復雜；另外，當外界振動比較微弱時，復合壓電振子結構的能量采集和轉換能力并不顯著。可見，工作頻帶窄、能量采集和轉換效率低(特別是振動比較微弱時)依然是現有壓電振動能量采集器的主要技術瓶頸。
發明內容
本發明公布一種帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器，以解決現有壓電能量采集器工作頻帶窄、能量轉換效率低，特別是在外界振動比較微弱時發電能力低的問題。本發明采用的實施方案是所述的振動能量采集器振動能量采集器由殼體、彈性放大機構、懸臂梁壓電振子和彈簧-質量系統組成；所述的殼體由4塊輕質金屬板用螺釘固定在上端蓋、下端蓋之間形成一個四面體，所述的輕質金屬板設有用于固定懸臂梁壓電振子的U型連接座；所述的彈性放大機構由彈簧元件和阻尼元件組成，彈性放大機構通過螺釘固定在基座與殼體之間；所述的懸臂梁壓電振子是由上壓電陶瓷晶片、下壓電陶瓷晶片、金屬基板和磁鐵組成，金屬基板的頂部粘接有上壓電陶瓷晶片、底部粘接有下壓電陶瓷晶片，金屬基板的一端用螺釘固定在U型連接座上，另一端安裝有磁鐵；所述的彈簧-質量系統由拉簧、壓簧和質量塊構成，所述的拉簧的一端與上端蓋底面連接，所述的壓簧的一端與下端蓋頂面連接，所述的拉簧和壓簧的另一端分別與質量塊連接，所述質量塊的四周鑲嵌磁鐵；所述壓電振子端部的磁鐵與鑲嵌在質量塊四周的磁鐵的反性磁極相對安裝。本發明實施方式中，固定于殼體金屬板連接座上的壓電振子的數量有4個，每個壓電振子由上壓電陶瓷晶片、下壓電陶瓷晶片金屬基板和磁鐵組成，金屬基板的頂部粘接有上壓電陶瓷晶片、底部粘接有下壓電陶瓷晶片；所述的上壓電陶瓷晶片與下壓電陶瓷晶片在電學上可以串聯連接，也可以是并聯連接。本發明實施方式中，彈性放大機構的彈性元件的剛度和阻尼元件的阻尼系數均也可以改變，通過改變彈性元件的剛度和阻尼元件的阻尼系數使彈性放大機構、懸臂梁壓電振子與彈簧-質量形成一階與二階諧振頻率相鄰的寬頻諧振二自由度系統；此外，通過改變彈性元件的剛度和阻尼元件的阻尼可以放大基座的振動位移的幅度，使懸臂梁壓電振子的振動變形增大，從而提高能量采集器的轉換效率。本發明實施方式中，為進一步增加壓電振子的振動幅度、提高能量采集器的采集效率，在殼體的上端蓋和下端蓋之間通過拉簧和壓簧安裝有一個四周鑲嵌磁鐵的質量塊，每個懸臂梁壓電振子的末端都安裝有一個磁鐵，且懸臂梁壓電振子末端的磁鐵和殼體上端蓋、下端蓋之間質量塊四周鑲嵌磁鐵的反性磁極相對安裝。在自然狀態下，質量塊在彈簧力以及周邊磁鐵吸引力的作用下靜止不動，質量塊與各懸臂梁壓電振子之間處于相對靜止狀態。當殼體受到上下方向振動時，懸臂梁壓電振子與質量塊之間的相對位置發生變化，壓電振子的磁鐵與質量塊上的磁鐵之間的距離和磁力發生變化，懸臂梁壓電振子在磁鐵對的吸引力作用下的受力和變形加大，進而提高了能量采集器的發電能力和能量轉換效率。本發明的優點在于1.利用彈性放大機構可以放大基座振動位移的幅度，特別是基座振動比較微弱時，通過改變彈性放大機構的彈性元件的剛度和阻尼元件的阻尼可以大大地增強懸臂梁壓電振子的振動幅度和變形梁，提高其能量轉換效率；2.通過改變彈性元件的剛度和阻尼元件的阻尼系數使彈性放大機構與懸臂梁壓電振子形成一階與二階諧振頻率相鄰的寬頻諧振二自由度系統；3.利用垂吊式質量塊加裝磁鐵的方式進一步激勵懸臂梁壓電振子，可以增大懸臂梁壓電振子的變形，實現高效的振動能量采集與轉換。
圖1是本發明中帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器靜止狀態下的結構剖面示意圖；圖2是圖1的A-A剖面示意圖。圖3是本發明中帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器與傳統單自由度懸臂梁分別在短路諧振和開路諧振狀態下輸出功率隨頻率變化的比較結果。
具體實施例方式如圖1、2所示，所述的振動能量采集器由殼體1、彈性放大機構2、懸臂梁壓電振子3與彈簧-質量系統(4、5、6)組成；所述的殼體I由四塊輕質金屬板101通過螺釘固定在上端蓋103、下端蓋104構成一個六面體；所述的輕質金屬板101設有用于固定壓電振子的U型連接座102。所述的彈性放大機構2由彈簧元件201與阻尼元件202組成，彈性放大機構2通過螺釘固定在基座7和殼體I之間；所述的壓電振子3是由上壓電陶瓷晶片301、下壓電陶瓷晶片303、金屬基板302和磁鐵304組成，金屬基板302的頂部粘接有上壓電陶瓷晶片301、底部粘接有下壓電陶瓷晶片303，金屬基板302的一端用螺釘305固定在U型連接座102上；所述的壓電振子3另一端安裝有磁鐵304。所述的彈簧-質量系統由啦簧4、壓簧5和質量塊6組成，拉簧4的一端連接在上端蓋103底面，壓簧5的一端連接在下端蓋104頂面，所述的拉簧4和壓簧5的另一端分別與質量塊6連接，所述質量塊6的四周鑲嵌磁鐵601 ;所述壓電振子3端部的磁鐵304與鑲嵌在質量塊四周的磁鐵601的反性磁極相對安裝。在上述實施方式中，彈性放大機構2的彈簧元件201的剛度和阻尼元件202的阻尼系數均可以改變；壓電振子3的上壓電陶瓷晶片301與下壓電陶瓷晶片303在電學上可以串聯連接，也可并聯連接。自然狀態下，質量塊6在彈簧力以及周邊磁鐵吸引力的作用下靜止不動，質量塊6與各懸臂梁壓電振子3之間處于相對靜止狀態。當基座7產生上下振動時，其振動幅度首先通過彈性放大機構2的放大作用在殼體I上，使得殼體I受到大振幅的上下方向振動，并帶動殼體I上的懸臂梁壓電振子3和質量塊6也產生相應的大振幅上下振動，此時，懸臂梁壓電振子3與質量塊6之間的相對位置發生變化，壓電振子3的磁鐵304與質量塊6上的磁鐵601之間的距離和磁力發生變化，懸臂梁壓電振子3在磁鐵對的吸引力作用下的受力和變形進一步加大，進而提高了能量采集器的發電能力和能量轉換效率。可見，本發明所述的帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集具有對基座振動位移二次放大的作用，從而實現高效的振動能量采集與轉換。另外，通過改變彈性放大機構2彈性元件201的剛度和阻尼元件202的阻尼系數，促使彈性放大機構2、懸臂梁壓電振子3與彈簧-質量系統(4、5、6)形成一階與二階諧振頻率相鄰的寬頻諧振二自由度系統，可實現在較寬頻率范圍內高效地采集振動能量。實施例圖3是帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器(簡稱TDOF能量采集器)與單懸臂梁振動能量采集器(簡稱SDOF能量采集器)不同負載電阻下輸出功率的比較結果，可以發現，TDOF能量采集器在激振頻率為45. 7Hz、匹配負載電阻為37kQ和在激振頻率為48. 5Hz、匹配負載電阻為186kQ時的最大輸出功率分別為511. 7mW/g2和353. 8mW/g2，而SDOF能量采集器在上述相同條件下的最大輸出功率均為22. 3mW/g2。此外，TDOF能量采集器的頻帶寬度達到近25Hz，而SDOF能量采集器的頻帶寬僅為8Hz。上述實施例的比較結果可以證明本發明專利帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器是對改善傳統單懸臂梁振動能量采集器的效率、頻帶寬等問題是可行有效的。另外，改變彈性放大機構的彈性元件的剛度系數和阻尼元件的阻尼系數，本發明專利帶CN 103036478 A說明書
有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器的輸出功率還可以進一步提高。
權利要求
1.帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器，其特征在干由殼體、弾性放大機構、懸臂梁壓電振子和彈簧-質量系統組成；
2.根據權利要求1所述的帶有弾性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器，其特征在于所述的彈性放大機構由彈簧元件和阻尼元件組成，弾性放大機構通過螺釘固定在基座和殼體之間，所述的彈性放大機構的彈簧元件的剛度和阻尼元件的阻尼系數均可以改變；
3.根據權利要求1所述的帶有弾性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器，其特征在于懸臂梁壓電振子的數量有4個，每個壓電振子由上壓電陶瓷晶片、下壓電陶瓷晶片金屬基板和磁鐵組成；所述的上壓電陶瓷晶片與下壓電陶瓷晶片在電學上可以串聯連接，也可以是并聯連接；
4.根據權利要求1所述的彈性放大機構、懸臂梁壓電振子和彈簧-質量系統形成ー階與ニ階諧振頻率相鄰的高效寬頻諧振ニ自由度系統；
5.根據權利要求1所述的懸臂梁壓電振子末端的磁鐵與所述連接在拉簧和壓簧之間的質量塊四周鑲嵌的磁鐵反性磁極相對安裝。
全文摘要
本發明公開一種帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器，屬于新能源和發電技術領域。振動能量采集器由殼體、彈性放大機構、懸臂梁壓電振子和彈簧-質量系統組成；所述的殼體由4塊輕質金屬板用螺釘固定在上端蓋、下端蓋之間形成一個四面體，所述的輕質金屬板設有用于固定懸臂梁壓電振子的U型連接座；所述的彈性放大機構由彈簧元件和阻尼元件組成，彈性放大機構通過螺釘固定在基座與殼體之間；所述的懸臂梁壓電振子是由上壓電陶瓷晶片、下壓電陶瓷晶片、金屬基板和磁鐵組成，金屬基板的頂部粘接有上壓電陶瓷晶片、底部粘接有下壓電陶瓷晶片，金屬基板的一端用螺釘固定在U型連接座上，另一端安裝有磁鐵；所述的彈簧-質量系統由拉簧、壓簧和質量塊構成，所述的拉簧的一端與上端蓋底面連接，所述的壓簧的一端與下端蓋頂面連接，所述的拉簧和壓簧的另一端分別與質量塊連接，所述質量塊的四周鑲嵌磁鐵；所述壓電振子端部的磁鐵與鑲嵌在質量塊四周的磁鐵的反性磁極相對安裝。優點在于可以放大基座的微弱振動位移的幅度，提高壓電振子的發電能量和轉換效率，可以實現高效、寬頻帶的能量采集與轉換。
文檔編號H02N2/18GK103036478SQ20131001453
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月11日 優先權日2013年1月11日
發明者王光慶 申請人:浙江工商大學