振幅放大叠加振动能量采集装置的制作方法

本发明涉及的是一种微电子领域的技术，具体是一种振幅放大叠加振动能量采集装置。

背景技术：

随着微电子技术的发展，微电子器件工作需要的能源更少,这使得采集自然环境下的能量为微电子器件供电成为可能。采集自然环境下的能量为微电子器件供电，不仅节能，而且不依赖外部电源更加便捷可靠，尤其在一些不方便进行外部供电或更换电池的工作环境中更是如此。机械振动是最普遍的可以采集的能量。目前振动能量采集技术主要分为三种类型：(1)利用电磁换能装置将振动机械能转换为电能的电磁式；(2)利用静电发生器将振动机械能转换为电能的静电式；(3)利用压电材料的压电效应将振动机械能转换为电能的压电式。通过比较压电式、电磁式和静电式等俘能方法的能量密度，发现压电式具有更大的功率密度。而且，压电式能量采集装置结构简单，便于系统模块化、集成化和微型化，有利应用于工程实践。但是，压电振动能量采集面临的两个最关键的问题是比较窄的工作频带和比较低的能量密度。

能量采集装置的工作频率与其自然频率匹配可以产生共振以获得最大的能量输出。为此，人们设计了许多结构。因为自然环境下振动频率一般较低，很多研究者通过降低振动压电能量采集装置的固有频率以使之更容易在自然环境下共振从而提高俘能效率，设计了基于弹簧的振动能量采集结构、基于高分子聚合物的振动能量采集结构等。很多研究者设计了悬臂压电梁阵列的能量采集装置等，以匹配不同的环境频率。很多研究者设计了自动调频的振动能量采集系统，通过主动控制改变装置的自然频率以匹配工作频率。由于非线性系统具有更宽的频域响应，所以很多研究者提出要充分利用振动能量采集装置的非线性用于宽频的能量采集。其中尤其是双稳态非线性系统，通过突跳产生大的变形可以显著提高能量输出。

尽管如此，这些振动能量采集装置适用的频域也很有限，而且这些宽频振动能量采集装置都是利用d31模式发电，并不能显著提高能量密度，而具有更高等效压电系数的伸张结构式压电单元并不能在微弱振动环境中使用。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种振幅放大叠加振动能量采集装置，克服了现有压电振动能量采集装置应用频域窄、能量密度低的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：两个设置于基座上的振动组件以及检测电路，其中：第一振动组件一端与基座弹性连接且中部设置于基座上，第二振动组件与基座固定连接且正对第一振动组件的另一端，检测电路与该第一振动组件的另一端相连。

所述的第一振动组件包括：弹簧和质量块组成的单自由度弹簧振子、刚性梁、伸张结构式压电单元，其中：质量块通过第一轴与刚性梁连接，刚性梁通过第二轴与支撑座连接组成杠杆机构，带有第一永磁铁的伸张结构式压电单元设置于刚性梁的末端。

所述的第二振动组件包括：悬臂弹性梁以及设置于悬臂弹性梁末端的第二永磁铁，其中：第一永磁铁与第二永磁铁的磁极相对，伸张结构式压电单元与检测电路相连接。

技术效果

与现有技术相比，本发明结构新颖、简单，设计合理，通过第一振动组件的杠杆机构放大受迫振动的振幅，并与第二振动组件的受迫振动叠加，从而增加悬臂梁末端固定的磁铁与伸展结构式压电单元固定的磁铁的相对位移，而且磁力作用使系统成为双稳态非线性系统，这些优点使之可以具有更宽的工作频宽；尤其，通过这种方式使得在微弱振动环境下可以采用伸张结构式压电单元，压电系数可以被放大100倍以上，能量俘获密度更高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中的第一振动组件结构示意图；

图3是图2中A处的局部放大图；

图4是本发明中的第二振动组件的结构示意图；

图5是本发明中的伸张结构式压电单元结构示意图；

图6是本发明中的永磁铁布置示意图；

图7是本发明中的压电能量采集电路示意图；

图8是本发明中的物理转换流程示意图；

图中：1第一振动组件、2第二振动组件、3基座、4检测电路、5弹簧、6质量块、7第一轴、8刚性梁、9第二轴、10支撑座、11伸张结构式压电单元、12第一永磁铁、13悬臂弹性梁、14第二永磁铁、15框架、16连接板、17第一滑动安装座、18第二滑动安装座、19压紧片、20支座、21压紧块、22锰合金片、23压电片。

具体实施方式

如图1至图4所示，本实施例包括：两个设置于基座上的振动组件以及检测电路，其中：第一振动组件一端与基座弹性连接且中部设置于基座上，第二振动组件与基座固定连接且正对第一振动组件的另一端，检测电路与该第一振动组件的另一端相连。

所述的第一振动组件1包括：弹簧5和质量块6组成的单自由度弹簧振子、刚性梁8、伸张结构式压电单元11，其中：质量块6通过第一轴7与刚性梁8连接，刚性梁8通过第二轴9与支撑座10连接组成杠杆机构，带有第一永磁铁12的伸张结构式压电单元11设置于刚性梁8的末端。

所述的伸张结构式压电单元11包括：压电陶瓷片23和设置于其两侧的凸形锰合金片22。

所述的凸形锰合金片22的斜面倾角小于45°且满足其他约束条件下越小越好。

所述的第一永磁铁12粘接在所述的凸形锰合金片22的凸面。

所述的压电陶瓷片23两面镀银电极焊接导线与所述的检测电路4相连接。

所述的第一振动组件1通过第一滑动安装座17和第二滑动安装座18设置于基座3上，其中：第一滑动安装座17与第二滑动安装座18可以沿所述的基座3调整位置从而调节所述的悬臂弹性梁13长度从而调节所述的第二振动组件2固有频率。

所述的弹簧5与所述的质量块6及所述的滑块安装座17通过压紧片19固定。

所述的质量块6上设有安装螺纹孔用于调整质量从而调节所述的第一振动组件1固有频率。

所述的第二振动组件2包括：悬臂弹性梁13以及设置于悬臂弹性梁13末端的第二永磁铁14，其中：第一永磁铁12与第二永磁铁14的磁极相对，伸张结构式压电单元11与检测电路4相连接。

所述的第二振动组件2通过支座20设置于基座3上，所述的悬臂弹性梁13被压紧块21压紧固定在所述的支座20。

如图5所示，所述的第二永磁铁14与第一永磁铁12的磁极相反。

所述的第一永磁铁12优选为一对，且对称设置于第二永磁铁14的两侧并磁极相反。

所述的检测电路4中设有压电能量收集电路和超级电容。

如图6所示，第二永磁铁14在两个第一永磁铁12中间，并且磁极分别相对，两个第一永磁铁12安装在对称的两个伸张结构式压电单元11的磁极方向相反。如图7所示，检测电路4中设有压电能量收集电路和超级电容C。

如图8所示，本装置通过以下方式进行工作：当基座受到激励时，弹簧和质量块组成的单自由度弹簧振子与悬臂弹性梁同时受迫振动，质量块通过杠杆机构将位移传递给伸张结构式压电单元，伸张结构式压电单元产生反向且更大的位移，而悬臂弹性梁末端也产生位移，于是伸张结构式压电单元相对于悬臂梁弹性梁末端的相对位移等于二者位移的叠加，即固定在二者的永磁铁之间的相对位移被放大叠加了，永磁铁之间的距离变化导致磁力的变化，从而对伸张结构式压电单元产生周期性磁力激励，磁力被伸张结构变换为压力和放大的拉伸力作用到压电片，压电片变形从而因为压电效应发电，产生的电压经过电路处理后直接使用或存储备用。

通过第一振动组件的杠杆机构放大受迫振动的振幅，并与第二振动组件的受迫振动叠加，从而增加悬臂梁末端固定的磁铁与伸展结构式压电单元固定的磁铁的相对位移，如此即便工作频率没有接近谐振频率，受迫振动的振幅比较小，通过放大叠加也能产生较大的位移，而当工作频率接近谐振频率，则具有更大的相对位移，而且磁力作用使系统成为双稳态非线性系统，双稳态系统具有较大的工作频宽，这种结构放大了双稳态系统的优点，具有更大的工作频宽；而且，通过悬臂梁受迫振动，再将振动转换为周期性磁力作用到伸张结构式压电单元，使得在微弱振动环境下可以采用伸张结构式压电单元，压电系数可以被放大100倍以上，能量俘获密度更高。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。