一种非线性宽频压电振动能量采集器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种非线性宽频压电振动能量采集器，由一个末端受非线性磁场排斥力的双稳态压电振动能量采集器和一个由弹簧?质量构成的弹性放大机构组成。非线性磁场排斥力和弹性放大机构可以有效放大环境中的微弱振动位移幅度，使双稳态压电振动能量采集器在环境激励振动幅值比较低的情况下轻松进入高能轨道振动，提高压电振动能量采集器的采集效率，克服双稳态压电振动能量采集器在环境激励振动幅值比较低的情况下只能做低能轨道振动的缺陷；此外，弹性放大机构与双稳态压电振动能量采集器组成一个两自由度非线性振动系统，通过调节系统参数，可以有效拓宽双稳态压电振动能量采集器的工作频带，实现宽频带振动能量的采集与转换。
【专利说明】
一种非线性宽频压电振动能量采集器
技术领域
[0001]本实用新型专利属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种融合磁场增强与弹性放大技术于一体的非线性宽频压电振动能量采集器，具有提高压电能量采集器的转换效率和工作频带的功能，可用对无线传感网络节点的自供电。
【背景技术】
[0002]当前，无线传感器网络节点自供电问题引起了国内外专家学者的广泛关注，压电振动能量采集器是解决该问题的有效途径之一。国内外涉及压电振动能量采集器的专利申请也很多，但这些采集器的压电振子大都是线性的，且工作频带比较窄，能量转换效率偏低。为此，采用非线性振荡技术构成的双稳态压电振动能量采集器是改善线性压电振动能量采集器输出性能的主要方法之一。如，中国实用新型专利200910195782.8提出了基于双稳态升频结构的微型宽频压电振动能量采集器，可实现宽频振动范围内的大功率输出。双稳态压电振动能量采集器具有三个显著的工作区域，分别为低能轨道的小幅值周期振动、混沌振动和高能轨道的大幅值周期振动。当采集器的激励幅值较小时，外部激励能量无法使采集器克服势能阱的阻碍作用，而在某个静平衡位置作低能轨道的小幅值周期振动，此时，双稳态压电振动能量采集器变为线性能量采集器，输出性能较低；当采集器的激励幅值较大时，外部激励能量使采集器逃脱势能阱的阻碍作用，在两个静平衡位置之间作高能轨道的大幅值周期振动，能量采集器的输出性能显著提高。但是环境中的振动水平往往是较低的，不足以激励双稳态压电振动能量采集器进入高能轨道的大幅值周期振动，这使双稳态压电振动能量采集器的应用领域受到严重限制。
【实用新型内容】
[0003]为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种非线性宽频压电振动能量采集器，通过融合磁场增强和弹性方法技术，使双稳态压电振动能量采集器在环境激励水平较低的情况下可以轻松进入高能轨道的大幅值周期振动，以解决现有双稳态压电振动能量采集器在外界振动比较微弱时输出性能低的问题。
[0004]本实用新型专利采用的实施方案是:
[0005]—种非线性宽频压电振动能量采集器，由末端受非线性磁场排斥力的压电双晶悬臂梁、螺旋测微调节器、钢化玻璃U型框、弹簧、底座和紧固螺母组成，所述压电双晶悬臂梁、螺旋测微调节器和钢化玻璃U型框构成双稳态压电振动能量采集器;所述钢化玻璃U型框、弹簧和底座构成弹性放大机构，所述双稳态压电振动能量采集器与弹性放大机构通过紧固螺母连接成非线性宽频压电振动能量采集器。
[0006]进一步的，所述的压电双晶悬臂梁是由结构尺寸和材料属性完全相同、但极化方向相反的两片压电陶瓷通过高强度粘结胶经过高温固化后，粘结在压电双晶悬臂梁的金属基板上、下两个表面构成;所述的两片压电陶瓷在电学上串联连接，并与外部负载电阻相连构成回路。
[0007]进一步的，所述螺旋测微调节器由永磁铁、调节螺母和调节螺杆组成，永磁铁用强力胶粘结在调节螺杆的自由端。
[0008]进一步的，所述的钢化玻璃U型框由左侧紧固螺钉、左侧安装支撑、右侧紧固螺钉、右侧安装支撑和底板组成;所述的左侧安装支撑由10片钢化玻璃压块叠加而成，并由左侧紧固螺钉固定在底板上;所述的右侧安装支撑由10片钢化玻璃压块叠加而成，并由右侧紧固螺钉固定在底板上;所述的底板的中心开有安装孔，通过紧固螺母将钢化玻璃U型框和弹簧连接在一起。
[0009]进一步的，所述压电双晶悬臂梁通过左侧紧固螺钉固定在钢化玻璃U型框的左侧安装支撑上;所述的螺旋测微调节器通过右侧紧固螺钉固定在钢化玻璃U型框的右侧安装支撑上。
[0010]本实用新型实施方式中，为了提高非线性宽频压电振动能量采集器的输出性能，设计了一个螺旋测微调节器，旋动螺旋测微调节器可以改变永磁铁I与永磁铁2之间的水平距离d，进而改变双稳态压电振动能量采集器悬臂梁末端受到的非线性磁场排斥力，使系统表现出线性或非线性振荡特性。
[0011]本实用新型实施方式中，弹性放大机构的弹簧刚度和钢化玻璃U型框的质量均可以改变，通过改变弹簧刚度和钢化玻璃U型框的质量可以改变非线性压电振动能量采集器的质量比和刚度比，使弹性放大机构将环境中的微弱振动放大，使非线性压电振动能量采集器能够轻松进入高能轨道的大幅值周期振动，从而提高非线性压电振动能量采集器的能量采集与转换效率。
[0012]本实用新型实施方式中，通过改变弹簧刚度和U型质量框的质量可以改变非线性压电振动能量采集器的质量比和刚度比，可以拓宽非线性宽频压电振动能量采集器的谐振工作频带。
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型的非线性宽频压电振动能量采集器结构示意图。
[0014]图2是双稳态压电振动能量采集器结构示意图。
[0015]图3是弹性放大机构结构示意图。
[0016]图4是非线性宽频压电振动能量采集器输出性能与双稳态压电振动能量采集器输出性能的比较结果图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0018]如图1所示，本实用新型的非线性宽频压电振动能量采集器由一个末端受非线性磁场排斥力的压电双晶悬臂梁1、螺旋测微调节器2、钢化玻璃U型框3、弹簧4、底座5和紧固螺母6组成，压电双晶悬臂梁1、螺旋测微调节器2和钢化玻璃U型框3构成双稳态压电振动能量采集器，如图2所示;钢化玻璃U型框3、弹簧4和底座5构成弹性放大机构，如图3所示;双稳态压电振动能量采集器与弹性放大机构通过紧固螺母6连接成非线性宽频压电振动能量采集器;
[0019]所述的压电双晶悬臂梁I是由结构尺寸和材料属性完全相同、但极化方向相反的两片压电陶瓷101、102通过高强度粘结胶经过高温固化后，粘结在压电双晶悬臂梁的金属基板103上、下两个表面构成;所述的两片压电陶瓷101、102在电学上串联连接，并与外部负载电阻104相连构成回路，实现对外部负载供电的功能;所述的压电双晶悬臂梁I的末端集中质量块由永磁铁105构成；
[0020]所述的螺旋测微调节器2由永磁铁201、调节螺母202和调节螺杆203组成，永磁铁201用强力胶粘结在调节螺杆203的自由端，并与永磁铁105水平间隔距离为d，永磁铁105与永磁铁201的对极磁性相同，均为N极;旋动调节螺母202可以使调节螺杆203在水平方向前后移动，从而改变永磁铁105与永磁铁201的水平间隔距离d，进而改变压电双晶悬臂梁I末端受到的非线性排斥磁场力；
[0021]所述的钢化玻璃U型框3由左侧紧固螺钉301、左侧安装支撑302、右侧紧固螺钉303、右侧安装支撑304和底板305组成;所述的左侧安装支撑302由10片钢化玻璃压块叠加而成，并由左侧紧固螺钉301固定在底板305上;所述的右侧安装支撑304由10片钢化玻璃压块叠加而成，并由右侧紧固螺钉303固定在底板305上;所述的底板305的中心开有安装孔，通过紧固螺母6将钢化玻璃U型框3和弹簧4连接在一起；
[0022]所述的压电双晶悬臂梁I通过螺钉固定301在钢化玻璃U型框3左侧的安装支撑302上;所述的螺旋测微调节器2通过螺钉303固定在钢化玻璃U型框3右侧的安装支撑304上。
[0023]实施例:
[0024]图4是相同基座激励加速度作用下，非线性宽频压电振动能量采集器与双稳态压电振动能量采集器输出性能扫频结果，可以发现，非线性宽频压电振动能量采集器的最大振动位移达到18_，工作频带达到5Hz;而双稳态压电振动能量采集器的最大振动位移仅为6mm，工作频带为IHz;前者的最大振动位移和工作频带宽分别是后者的3倍和5倍。
[0025]上述实施例的比较结果可以证明本实用新型专利非线性宽频压电振动能量采集器是对改善双稳态呀带你振动能量采集器的输出性能、工作频带等问题是可行有效的。另夕卜，改变弹性放大机构的弹簧刚度和钢化玻璃U型框的质量，本实用新型专利非线性宽频压电振动能量米集器的输出性能还可以进一步提尚。
【主权项】
1.一种非线性宽频压电振动能量采集器，由末端受非线性磁场排斥力的压电双晶悬臂梁(I)、螺旋测微调节器(2)、钢化玻璃U型框(3)、弹簧(4)、底座(5)和紧固螺母(6)组成，其特征在于:所述压电双晶悬臂梁(I)、螺旋测微调节器(2)和钢化玻璃U型框(3)构成双稳态压电振动能量采集器;所述钢化玻璃U型框(3)、弹簧(4)和底座(5)构成弹性放大机构，所述双稳态压电振动能量采集器与弹性放大机构通过紧固螺母(6)连接成非线性宽频压电振动能量采集器。2.如权利要求1所述非线性宽频压电振动能量采集器，其特征在于:所述的压电双晶悬臂梁(I)是由结构尺寸和材料属性完全相同、但极化方向相反的两片压电陶瓷(101、102)通过高强度粘结胶经过高温固化后，粘结在压电双晶悬臂梁的金属基板(103)上、下两个表面构成;所述的两片压电陶瓷(101、102)在电学上串联连接，并与外部负载电阻(104)相连构成回路。3.如权利要求1所述非线性宽频压电振动能量采集器，其特征在于:所述螺旋测微调节器(2)由永磁铁(201)、调节螺母(202)和调节螺杆(203)组成，永磁铁(201)用强力胶粘结在调节螺杆(203)的自由端。4.如权利要求1所述非线性宽频压电振动能量采集器，其特征在于:所述的钢化玻璃U型框(3)由左侧紧固螺钉(301)、左侧安装支撑(302)、右侧紧固螺钉(303)、右侧安装支撑(304)和底板(305)组成;所述的左侧安装支撑(302)由10片钢化玻璃压块叠加而成，并由左侧紧固螺钉(301)固定在底板(305)上;所述的右侧安装支撑(304)由10片钢化玻璃压块叠加而成，并由右侧紧固螺钉(303)固定在底板(305)上；所述的底板(305)的中心开有安装孔，通过紧固螺母(6)将钢化玻璃U型框(3)和弹簧(4)连接在一起。5.如权利要求4所述非线性宽频压电振动能量采集器，其特征在于:所述压电双晶悬臂梁(I)通过左侧紧固螺钉(301)固定在钢化玻璃U型框(3)的左侧安装支撑(302)上;所述的螺旋测微调节器(2)通过右侧紧固螺钉(303)固定在钢化玻璃U型框(3)的右侧安装支撑(304)上。
【文档编号】H02N2/18GK205622542SQ201620204934
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月17日
【发明人】王光庆
【申请人】浙江工商大学