专利名称：带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器的制作方法
技术领域：
本发明属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种带有弹性放大器的高效宽频带振动能量采集器，用于放大基座的微弱振动位移的幅度，提高压电振子的发电能量和转换效率，实现高效、宽频带的能量采集与转换。
背景技术：
为解决小尺寸、低成本、低功耗的无线传感器网络节点和电子设备的自供电问题，减少废弃电化学电池对环境的污染，基于压电、静电、磁电等原理的微能量采集技术已成为国内外研究的热点。作为人类日常生活中一种特有的能量形式，振动能量采集由于其成本低、能量密度大等优势受到广泛的关注和研究。基于压电转换原理的振动能量采集器由于具有结构简单、易于制作、易于小型化和集成化、且能量转换密度高等优点，具有广泛的应用前景，目前已逐步代替电化学电池用于无线传感器网络、结构在线健康检测以及RFID等领域。国内外有较多的专利申请涉及压电振动能量采集器，典型的压电能量采集器结构主要是悬臂梁式、圆盘式和叠堆式压电振子，这些压电振子结构的谐振频带比较窄，能量转换效率不高。为提高压电能量采集器的能量转换效率、增加压电能量采集器的有效频带宽度，目前出现了宽频压电振子构成能量采集器，如，中国发明专利200910195782. 8提出了基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，可实现较宽的环境振动频率范围内较大的输出功率；中国发明专利201110109272.1提出了一种基于二自由度压电振子的环境振动能量采集装置，其振动机构由两个上下平行固定于基座的单自由度悬臂梁结构和一根垂直连接振子质量块的弹簧构成，两振子的梁厚与质量块重量均不同，形成一阶与二阶谐振频率相邻的宽频谐振二自由系统。中国发明专利200810233113. O提出一种采用压磁/压电复合换能结构的振动压电能量采集器，等等。通常仅当压电振子谐振频率与环境振动频率一致时压电能量采集器的发电能力和能量转换效率达到最大，但事实上压电振子的谐振频带通常比较窄，因此，直接利用压电振子采集环境振动能量的效果并不显著。正如上述发明专利所述，为提高压电振子的谐振频带宽度常用的方法是改变传统单悬臂梁压电振子结构，采用复合压电振子结构，如多悬臂梁压电振子结构、L型压电振子结构等，该方法虽在一定程度上可以拓宽能量采集器的谐振频带，但结构复杂；另外，当外界振动比较微弱时，复合压电振子结构的能量采集和转换能力并不显著。可见，工作频带窄、能量采集和转换效率低(特别是振动比较微弱时)依然是现有压电振动能量采集器的主要技术瓶颈。
发明内容
本发明公布一种带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器，以解决现有压电能量采集器工作频带窄、能量转换效率低，特别是在外界振动比较微弱时发电能力低的问题。本发明采用的实施方案是所述的振动能量采集器振动能量采集器由壳体、弹性放大机构、悬臂梁压电振子和弹簧-质量系统组成；所述的壳体由4块轻质金属板用螺钉固定在上端盖、下端盖之间形成一个四面体，所述的轻质金属板设有用于固定悬臂梁压电振子的U型连接座；所述的弹性放大机构由弹簧元件和阻尼元件组成，弹性放大机构通过螺钉固定在基座与壳体之间；所述的悬臂梁压电振子是由上压电陶瓷晶片、下压电陶瓷晶片、金属基板和磁铁组成，金属基板的顶部粘接有上压电陶瓷晶片、底部粘接有下压电陶瓷晶片，金属基板的一端用螺钉固定在U型连接座上，另一端安装有磁铁；所述的弹簧-质量系统由拉簧、压簧和质量块构成，所述的拉簧的一端与上端盖底面连接，所述的压簧的一端与下端盖顶面连接，所述的拉簧和压簧的另一端分别与质量块连接，所述质量块的四周镶嵌磁铁；所述压电振子端部的磁铁与镶嵌在质量块四周的磁铁的反性磁极相对安装。本发明实施方式中，固定于壳体金属板连接座上的压电振子的数量有4个，每个压电振子由上压电陶瓷晶片、下压电陶瓷晶片金属基板和磁铁组成，金属基板的顶部粘接有上压电陶瓷晶片、底部粘接有下压电陶瓷晶片；所述的上压电陶瓷晶片与下压电陶瓷晶片在电学上可以串联连接，也可以是并联连接。本发明实施方式中，弹性放大机构的弹性元件的刚度和阻尼元件的阻尼系数均也可以改变，通过改变弹性元件的刚度和阻尼元件的阻尼系数使弹性放大机构、悬臂梁压电振子与弹簧-质量形成一阶与二阶谐振频率相邻的宽频谐振二自由度系统；此外，通过改变弹性元件的刚度和阻尼元件的阻尼可以放大基座的振动位移的幅度，使悬臂梁压电振子的振动变形增大，从而提高能量采集器的转换效率。本发明实施方式中，为进一步增加压电振子的振动幅度、提高能量采集器的采集效率，在壳体的上端盖和下端盖之间通过拉簧和压簧安装有一个四周镶嵌磁铁的质量块，每个悬臂梁压电振子的末端都安装有一个磁铁，且悬臂梁压电振子末端的磁铁和壳体上端盖、下端盖之间质量块四周镶嵌磁铁的反性磁极相对安装。在自然状态下，质量块在弹簧力以及周边磁铁吸引力的作用下静止不动，质量块与各悬臂梁压电振子之间处于相对静止状态。当壳体受到上下方向振动时，悬臂梁压电振子与质量块之间的相对位置发生变化，压电振子的磁铁与质量块上的磁铁之间的距离和磁力发生变化，悬臂梁压电振子在磁铁对的吸引力作用下的受力和变形加大，进而提高了能量采集器的发电能力和能量转换效率。本发明的优点在于1.利用弹性放大机构可以放大基座振动位移的幅度，特别是基座振动比较微弱时，通过改变弹性放大机构的弹性元件的刚度和阻尼元件的阻尼可以大大地增强悬臂梁压电振子的振动幅度和变形梁，提高其能量转换效率；2.通过改变弹性元件的刚度和阻尼元件的阻尼系数使弹性放大机构与悬臂梁压电振子形成一阶与二阶谐振频率相邻的宽频谐振二自由度系统；3.利用垂吊式质量块加装磁铁的方式进一步激励悬臂梁压电振子，可以增大悬臂梁压电振子的变形，实现高效的振动能量采集与转换。
图1是本发明中带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器静止状态下的结构剖面示意图；图2是图1的A-A剖面示意图。图3是本发明中带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器与传统单自由度悬臂梁分别在短路谐振和开路谐振状态下输出功率随频率变化的比较结果。
具体实施例方式如图1、2所示，所述的振动能量采集器由壳体1、弹性放大机构2、悬臂梁压电振子3与弹簧-质量系统(4、5、6)组成；所述的壳体I由四块轻质金属板101通过螺钉固定在上端盖103、下端盖104构成一个六面体；所述的轻质金属板101设有用于固定压电振子的U型连接座102。所述的弹性放大机构2由弹簧元件201与阻尼元件202组成，弹性放大机构2通过螺钉固定在基座7和壳体I之间；所述的压电振子3是由上压电陶瓷晶片301、下压电陶瓷晶片303、金属基板302和磁铁304组成，金属基板302的顶部粘接有上压电陶瓷晶片301、底部粘接有下压电陶瓷晶片303，金属基板302的一端用螺钉305固定在U型连接座102上；所述的压电振子3另一端安装有磁铁304。所述的弹簧-质量系统由啦簧4、压簧5和质量块6组成，拉簧4的一端连接在上端盖103底面，压簧5的一端连接在下端盖104顶面，所述的拉簧4和压簧5的另一端分别与质量块6连接，所述质量块6的四周镶嵌磁铁601 ;所述压电振子3端部的磁铁304与镶嵌在质量块四周的磁铁601的反性磁极相对安装。在上述实施方式中，弹性放大机构2的弹簧元件201的刚度和阻尼元件202的阻尼系数均可以改变；压电振子3的上压电陶瓷晶片301与下压电陶瓷晶片303在电学上可以串联连接，也可并联连接。自然状态下，质量块6在弹簧力以及周边磁铁吸引力的作用下静止不动，质量块6与各悬臂梁压电振子3之间处于相对静止状态。当基座7产生上下振动时，其振动幅度首先通过弹性放大机构2的放大作用在壳体I上，使得壳体I受到大振幅的上下方向振动，并带动壳体I上的悬臂梁压电振子3和质量块6也产生相应的大振幅上下振动，此时，悬臂梁压电振子3与质量块6之间的相对位置发生变化，压电振子3的磁铁304与质量块6上的磁铁601之间的距离和磁力发生变化，悬臂梁压电振子3在磁铁对的吸引力作用下的受力和变形进一步加大，进而提高了能量采集器的发电能力和能量转换效率。可见，本发明所述的带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集具有对基座振动位移二次放大的作用，从而实现高效的振动能量采集与转换。另外，通过改变弹性放大机构2弹性元件201的刚度和阻尼元件202的阻尼系数，促使弹性放大机构2、悬臂梁压电振子3与弹簧-质量系统(4、5、6)形成一阶与二阶谐振频率相邻的宽频谐振二自由度系统，可实现在较宽频率范围内高效地采集振动能量。实施例图3是带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器(简称TDOF能量采集器)与单悬臂梁振动能量采集器(简称SDOF能量采集器)不同负载电阻下输出功率的比较结果，可以发现，TDOF能量采集器在激振频率为45. 7Hz、匹配负载电阻为37kQ和在激振频率为48. 5Hz、匹配负载电阻为186kQ时的最大输出功率分别为511. 7mW/g2和353. 8mW/g2，而SDOF能量采集器在上述相同条件下的最大输出功率均为22. 3mW/g2。此外，TDOF能量采集器的频带宽度达到近25Hz，而SDOF能量采集器的频带宽仅为8Hz。上述实施例的比较结果可以证明本发明专利带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器是对改善传统单悬臂梁振动能量采集器的效率、频带宽等问题是可行有效的。另外，改变弹性放大机构的弹性元件的刚度系数和阻尼元件的阻尼系数，本发明专利带CN 103036478 A说明书
有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器的输出功率还可以进一步提高。
权利要求
1.带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器，其特征在干由壳体、弾性放大机构、悬臂梁压电振子和弹簧-质量系统组成；
2.根据权利要求1所述的带有弾性放大机构的高效宽频带振动能量采集器，其特征在于所述的弹性放大机构由弹簧元件和阻尼元件组成，弾性放大机构通过螺钉固定在基座和壳体之间，所述的弹性放大机构的弹簧元件的刚度和阻尼元件的阻尼系数均可以改变；
3.根据权利要求1所述的带有弾性放大机构的高效宽频带振动能量采集器，其特征在于悬臂梁压电振子的数量有4个，每个压电振子由上压电陶瓷晶片、下压电陶瓷晶片金属基板和磁铁组成；所述的上压电陶瓷晶片与下压电陶瓷晶片在电学上可以串联连接，也可以是并联连接；
4.根据权利要求1所述的弹性放大机构、悬臂梁压电振子和弹簧-质量系统形成ー阶与ニ阶谐振频率相邻的高效宽频谐振ニ自由度系统；
5.根据权利要求1所述的悬臂梁压电振子末端的磁铁与所述连接在拉簧和压簧之间的质量块四周镶嵌的磁铁反性磁极相对安装。
全文摘要
本发明公开一种带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器，属于新能源和发电技术领域。振动能量采集器由壳体、弹性放大机构、悬臂梁压电振子和弹簧-质量系统组成；所述的壳体由4块轻质金属板用螺钉固定在上端盖、下端盖之间形成一个四面体，所述的轻质金属板设有用于固定悬臂梁压电振子的U型连接座；所述的弹性放大机构由弹簧元件和阻尼元件组成，弹性放大机构通过螺钉固定在基座与壳体之间；所述的悬臂梁压电振子是由上压电陶瓷晶片、下压电陶瓷晶片、金属基板和磁铁组成，金属基板的顶部粘接有上压电陶瓷晶片、底部粘接有下压电陶瓷晶片，金属基板的一端用螺钉固定在U型连接座上，另一端安装有磁铁；所述的弹簧-质量系统由拉簧、压簧和质量块构成，所述的拉簧的一端与上端盖底面连接，所述的压簧的一端与下端盖顶面连接，所述的拉簧和压簧的另一端分别与质量块连接，所述质量块的四周镶嵌磁铁；所述压电振子端部的磁铁与镶嵌在质量块四周的磁铁的反性磁极相对安装。优点在于可以放大基座的微弱振动位移的幅度，提高压电振子的发电能量和转换效率，可以实现高效、宽频带的能量采集与转换。
文档编号H02N2/18GK103036478SQ20131001453
公开日2013年4月10日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者王光庆 申请人:浙江工商大学