浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于能量采集技术领域，尤其涉及一种浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器。
【背景技术】
[0002]目前，公知的宽频非线性压电振动能量采集器多是利用压电双晶片或压电单晶片悬臂梁外加磁力作用形成非线性的系统回复力来获得较宽的振动频率范围和较高的输出电压。其中，系统非线性恢复力的调整只能通过改变磁体的大小及分布位置来实现。按照采集器振子形成的稳态个数区分，目前提出的宽频非线性压电振动能量采集器可划分为单稳态、双稳态及三稳态三类。由于磁力的复杂性和本质非线性，这种粗放的结构调整和优化方法限制了采集器输出性能的进一步提升，无法充分利用磁场的特性来提升其功率密度、工作带宽和对环境中微弱激励的敏感性，限制了采集器的进一步小型化和高功率化。与此同时，由于不同稳态类型所对应的最佳激励环境各有不同，单一稳态类型的振动能量采集器在实际应用中将无法满足激励情况复杂多变的工程实际的需要。因此，开发能够充分利用磁场性能，拥有更高功率密度和小型化设计潜力并能够简单切换稳态类型的宽频非线性压电振动能量采集器是十分必要的。
【实用新型内容】
[0003]为了克服现有的宽频非线性压电振动能量采集器结构模式单一、功率密度低和无法有效小型化的缺点，并进一步提高采集器在微小激励下的输出效果，本实用新型提供一种浅势阱五稳态可切换型压电振动能量采集器，该采集器拥有创新的五稳态设计，以及更高的磁场利用率和小型化潜力，在降低工作所需激励量级的同时还可以切换稳态类型，以适应复杂激励环境的需要。
[0004]本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0005]浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器，包括外壳(I)、压电悬臂梁
(2)、两个停止器(5)、两个永磁体1(3)、两个永磁体Π (4);所述压电悬臂梁(2)的一端紧固在外壳(I)上，压电悬臂梁(2)的另一端固定有两个永磁体1(3)，两个永磁体I对称固定在压电悬臂梁(2)的中性面的两个侧面上，两个永磁体I异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁的表面;两个永磁体Π (4)相对于压电悬臂梁的中性面对称固定在外壳的内表面上，两个永磁体Π (4)异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁的表面，且两个永磁体Π (4)与两个永磁体1(3)的异极相对，两个停止器(5)对称布置于压电悬臂梁(2)的中性面两侧并固定在外壳上，两个停止器均设置有用于与压电悬臂梁2发生碰撞的碰撞位置a。
[0006]在上述技术方案中，所述压电悬臂梁2长度为90mm，宽15mm，厚0.3mm;两个永磁体I的体积相同，且均为10 X 5 X 1.5mm3，两个永磁体Π的体积相同，且均为20 XlOX 5mm3;两个永磁体Π的相对面间距为30mm，两个永磁体Π的左表面与永磁体I的右表面在水平方向上相距4mm。
[0007]在上述技术方案中，碰撞位置a与压电悬臂梁表面相距2.4mm，碰撞位置a与压电悬臂梁的固定端的水平距离为35mm，压电悬臂梁的固定端为与外壳相连固定的压电悬臂梁的一端。
[0008]在上述技术方案中，在两个停止器中分别设置了位置可调的螺钉(6)，用以调整螺钉旋入端与压电悬臂梁表面的距离，以实现不同稳态的切换。
[0009]在上述技术方案中，螺钉(6)的旋入端与压电悬臂梁表面相距1.7mm，且螺钉的旋入端与压电悬臂梁的固定端的水平距离为33mm，压电悬臂梁的固定端为与外壳相连固定的压电悬臂梁的一端。
[0010]在上述技术方案中，在两个停止器中分别设置了千分尺顶杆结构(7)，所述千分尺顶杆结构(7)包括螺杆(7-1)、固定套筒(7-2)、活动套筒(7-3 )，固定套筒(7-2)和活动套筒(7-3)上设置有刻度，螺杆(7-1)的一端与活动套筒(7-3)同轴固定，固定套筒(7-2)同轴通过螺纹套接在螺杆(7-1)上，活动套筒(7-3)的一端同轴可旋转的套接在固定套筒(7-2)上，固定套筒(7-2)与外壳(I)固定;通过旋拧活动套筒(7-3)，并结合刻度可以精确的调整螺杆的旋入端与压电悬臂梁表面之间的距离，以实现不同稳态的切换。
[0011 ]在上述技术方案中，两个永磁体I均为铷铁硼永磁体。
[0012]在上述技术方案中，两个永磁体Π均为铷铁硼永磁体。
[0013]本实用新型的优点和有益效果为:
[0014](I)与双稳态及三稳态相比，本发明独有的五稳态系统可将势能分布进更多的势阱中，从而拥有深度更浅的势阱，使得采集器振子(铷铁硼永磁体I)在更小的激励能量下即可越出所在势阱进行大振幅的阱间运动。另外，更多的稳态可以有效地提升采集器的共振带宽，使得压电结构在更宽的频带里产生更高的功率输出，以此增加了采集器对微弱激励的敏感性和适应性；
[0015](2)由于停止器的作用，高应力区不再仅位于梁的根部，压电悬臂梁上的压电片产生了更大的应变，其输出功率得到明显提升；
[0016](3)相比于其它利用磁场形成的多稳态振动能量采集器，本发明的设计可以使得磁性惯性质量充分靠近外部的永磁体，从而提高了系统的磁能利用率和输出功率，减少了采集器对永磁体体积的依赖，进而降低了采集器对附近电子设备的影响，使得采集器可以进一步的小型化和集成化；
[0017](4)可实现采集器稳态类型的切换，以适应不同激励环境对采集器的要求。
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例一的结构示意图。
[0019]图2是图1的横剖面构造图。
[0020]图3是实施例一中悬臂梁自由端磁振子(即铷铁硼永磁体I)在铅垂方向上的受力关系图。
[0021]图4是实施例一中的振动能量采集器系统的势能函数。
[0022]图5是本发明实施例二的结构示意图。
[0023]图6是图5的横剖面构造图。
[0024]图7是实施例二中悬臂梁自由端磁振子在铅垂方向上的受力关系图(同时对比了实施例一中悬臂梁自由端磁振子的受力关系图)。
[0025]图8是本发明实施例三的结构示意图。
[0026]图9是传统的千分尺的结构示意图。
[0027]图中:I为外壳，2为压电悬臂梁，3为铷铁硼永磁体I，3-1为上铷铁硼永磁体I，3-2为下铷铁硼永磁体I，4为铷铁硼永磁体Π，4-1为上铷铁硼永磁体Π，4-2为下铷铁硼永磁体Π，5为停止器，6为螺栓，7为千分尺顶杆结构，8为通孔。
【具体实施方式】
[0028]下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。
[0029]实施例一:
[0030]为了克服现有的宽频非线性压电振动能量采集器功率密度低和无法有效小型化的缺点，并进一步提高采集器在微小激励下的输出效果，本实施例提供了一种浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器。如图1-2所示，所述浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器，包括外壳1、压电悬臂梁2(根据实验需要，对压电悬臂梁的压电片层进行部分分离处理，也可保持全部压电片层的完整性；图中显示的是压电悬臂梁的示意结构)、两个停止器5、两个铷铁硼永磁体13、两个铷铁硼永磁体Π 4;所述压电悬臂梁2长度为90mm，宽15mm，厚
0.3mm，电悬臂梁2的左端紧固在外壳I上，压电悬臂梁2右端固定有用于充当惯性质量的一对铷铁硼永磁体13，两个铷铁硼永磁体13(体积为10 X 5 X 1.5mm3)对称固定在压电悬臂梁2的中性面的两个侧面上，两个铷铁硼永磁体13异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁2的表面;两个铷铁硼永磁体Π4(体积为20X 10 X5mm3)相对于压电悬臂梁2的中性面对称固定在外壳I的内表面上，两个铷铁硼永磁体Π4异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁2的表面，且两个铷铁硼永磁体Π 4与两个铷铁硼永磁体13的异极相对(即上铷铁硼永磁体Π4-1与上铷铁硼永磁体13-1异极相对，下铷铁硼永磁体Π 4-2与下铷铁硼永磁体13-2异极相对)，两个铷铁硼永磁体Π 4的相对面上下间隔30mm(即上铷铁硼永磁体Π的下表面与下铷铁硼永磁体Π的上表面间距为30mm)，两个铷铁硼永磁体Π 4的左表面与铷铁硼永磁体13的右表面在水平方向上相距4mm;两个停止器5对称布置于压电悬臂梁2的中性面两侧并通过螺丝与外壳I固定，两个停止器均设置有用于与压电悬臂梁2发生接触的停止位置a(停止器与压电悬臂梁相对的一面为平面，该平面的最右端即为停止位置a，即碰撞位置a)，停止位置a与压电悬臂梁表面相距2.4_，停止位置a与压电悬臂梁的固定端(压电悬臂梁与外壳相连固定的一端)的水平距离为35mm。
[0031]使用时，通过外壳预留的通孔8将采集器固定于振动结构表面，在垂直于梁的振动分量的激励下，压电悬臂梁2产生振动，当悬臂梁向上运动并与停止器在停止位置a接触时，梁根部到触碰位置a的部分停止振动，而位置a到悬臂梁端点永磁体的部分在惯性作用下继续运动，此时压电悬臂梁的有效长度变短，等