一种低频压电振动能量收集器的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及振动能量收集技术领域，尤其涉及一种低频压电振动能量收集器。
【背景技术】
[0002]无线传感器节点主要用于采集环境中的物理信息，是物联网底层基础网络的重要组成部分之一。由于无线传感器节点的平均功耗非常低，可以通过收集环境中的能量并将其转化成电能，免去了大规模无线传感器网络需要频繁更换供电电池而产生的大量维护费用。又由于环境中的振动能量无处不在且有着相当可观的能量密度，因此采用压电振动能量收集器收集环境中的振动能量具有较高的应用价值和前景。
[0003]由于大多数环境振动源的功率谱密度有一个或若干个峰值，因此目前广泛采用压电振动能量收集器的设计思路是:使机电耦合结构的固有频率去匹配振动源功率谱的峰值频率，进而让结构产生大幅振荡，并转换为振动机械能。采用该设计思路的缺点是:一旦峰值频率特别低，机电耦合结构在低频振动下，产生的电能幅值大，周期长，大大降低了后续电路的回收效率。经过长时间的研究，目前业内已发展出了升频式机电耦合结构，并且根据升频转换原理可以分为两大类:一类是碰撞式，即主振荡质量块去碰击具有高固有频率的压电发电部件，使其产生高频振荡；另一类是拨动式，主振荡部件设计成拨片形式，在低频振动过程中拨动高频压电发电部件使其振荡。这两类结构都实现了在发电源高频率低电流的状态下，降低后续接口电路的功耗，同时较高的输出频率确保了总回收功率不会降低，同时结构也较为简单，制造难度低。
[0004]但是采用这两类升频式机电耦合结构的压电振动能量收集器，在升频转换过程中，部分振动能量会以声音、热等形式发生耗散，并且其中的碰撞、拨动部件需要长时间、高频率地承受较高的冲击载荷，极易发生疲劳损伤，导致采用这两类升频式机电耦合结构的压电振动能量收集器的使用寿命较低。
【发明内容】
[0005]本发明的实施例提供一种低频压电振动能量收集器，能够避免振动能量以声音、热等形式发生耗散，提高低频振动能量的回收效率，并极大地提升压电振动能量收集器的使用寿命。
[0006]为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案:提供一种低频压电振动能量收集器，所述低频压电振动能量收集器包括第一振荡结构和第二振荡结构，所述第一振荡结构的组成部分包括:悬臂梁1、压电元件3、永磁体8、质量块9和基础框架5，所述第二振荡结构的组成部分包括:悬臂梁2、压电元件4、质量块6、永磁体7和所述基础框架5;所述第二振荡结构内嵌于所述第一振荡结构，所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面处于同一平面;所述永磁体7集成在所述质量块6上，所述永磁体8集成在所述质量块9上，所述永磁体7和所述永磁体8的几何中心处于所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面上;所述永磁体7与所述永磁体8之间产生互相排斥的非线性磁铁力。
[0007]本发明实施例提供的低频压电振动能量收集器，在振荡结构中利用永磁体产生互相排斥的非线性磁铁力，从而形成一种非接触、无能量耗散的升频转换结构，并与压电元件集成，提供一种具有升频转换功能的低频压电振动能量收集器，能够在极小的加速度激励下发生升频转换，进而利用结构中集成的压电元件高效地收集超低、低频振动源，将环境振动能转换成电能的高效率能量收集器，适用于利用压电材料的超低、低频振动能量收集，特别涉及到一种将环境振动能转换为电能的微功耗发电装置。并且由于采用的是非接触、无能量耗散的升频转换结构，因此避免了能量以声音、热等形式发生耗散，也解决了碰撞、拨动部件长时间、高频率地承受较高的冲击载荷而产生疲劳损伤的问题，极大地提升了压电振动能量收集器的使用寿命。
【附图说明】
[0008]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0009]图1为本发明实施例提供的低频压电振动能量收集器的结构示意图；
[0010]图2为本发明实施例提供的低频压电振动能量收集器，在模拟外界激振信号的实验场景下的振荡结构I和2的输出电压波形图；
[0011]图3为本发明实施例提供的低频压电振动能量收集器中的基础框架5的局部放大结构示意图。
【具体实施方式】
[0012]为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0013]本发明实施例提供一种如图1所示的低频压电振动能量收集器，包括:所述低频压电振动能量收集器包括第一振荡结构和第二振荡结构，所述第一振荡结构的组成部分包括:悬臂梁1、压电元件3、永磁体8、质量块9和基础框架5，所述第二振荡结构的组成部分包括:悬臂梁2、压电元件4、质量块6、永磁体7和所述基础框架5。
[0014]具体的，第一振荡结构可以由两个对称悬臂梁I，四个(或两个)压电元件3，永磁体8，质量块9及基础组成。第二振荡结构可以由悬臂梁2，两个(或一个)压电元件4，质量块6，永磁体7及基础组成。永磁体7和8分别集成在质量块6和9上且永磁体几何中心处于振荡结构中性面上。其中，第一振荡结构相对于第二振荡结构对称设计与装配。第一振荡结构与振荡器结构2的固支端固定在基础框架同一侧，在初始状态下，两结构的中性面处于同一平面。另外振荡器结构2内嵌于振荡器结构I中，进一步降低低频压电振动能量收集器的体积。集成在振荡器结构I和2质量块上的永磁体几何中心同样应处于结构中性面上，永磁体之间为互斥力，且几何中心之间的距离d可调节。
[0015]其中，所述第二振荡结构内嵌于所述第一振荡结构，所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面处于同一平面。所述永磁体7集成在所述质量块6上，所述永磁体8集成在所述质量块9上，所述永磁体7和所述永磁体8的几何中心处于所述第一振荡结构与所述第二振荡结构的中性面上。所述永磁体7与所述永磁体8之间产生互相排斥的非线性磁铁力。
[0016]其中，所述悬臂梁I固定端设置在基础框架5上，自由端同时集成质量块9，压电元件3设置在两个悬臂梁的根部，组成第一振荡结构。所述悬臂梁2固定端设置在基础框架5上，自由端集成有质量块6，压电元件4设置在悬臂梁根部，组成第二振荡结构。在优选方案中，低频压电振动能量收集器集成六块(或三块)压电元件，其中第一振荡结构集成有四块(或两块)一样的压电元件，第二振荡结构集成有两块一样的(或一块)压电元件。并且第一振荡结构中的压电元件应根据极性互相串联或并联，组成一路输出；第二振荡结构中的压电元件组成另外一路输出。
[0017]在本实施例中，由于第一振荡结构中的压电元件会承受较大的应变，因此选用柔性压电材料，如压电纤维复合材料(Macro-Fibre Composite ,MFC)或压电聚合物材料(Polyvinylidene fluoride,PVDF)，优先选用机电親合系数较高的压电纤维复合材料。第二振荡结构中压电元件承受的应变较小，可选用压电纤维复合材料或压电陶瓷材料，也可以选用压电陶瓷材料从而降低生产成本。
[0018]在本实施例中，主要通过利用多自由度非线性系统内共振现象，实现振动频率的升频转换。采用如图1所示的结构，通过永磁体7和永磁体8中存在的非线性互斥磁铁力，实现非接触式、无能量耗散的升频转换功能。通过设置两种固有频率不同的第一振荡结构和第二振荡结构(比如:第一振荡结构的固有频率表示为ω I和第二振荡结构的固有频率表示为ω 2，且3 ω1=ω 2)，形成了非线性受迫振荡系统。当第一振荡结构在其固有频率处发生大幅振荡时，结构内部的非线性磁铁力即会激发第二振荡结构发生振动频率为ω 2(或ω I叠加ω 2)的大幅振动。由于ω 2是ω I的三倍频，因此该结构可以有效地将振动频率提升三倍再转