自调谐与非线性相结合的宽频振动能量采集器的制作方法

本发明涉及的是一种能源技术领域的装置，尤其涉及一种自调谐与非线性相结合的宽频振动能量采集器。

背景技术：

振动是环境中普遍存在的一种现象，如果将环境中的振动转化为电能，为无线网络、嵌入式系统等低功耗设备供电，有着非常广泛的应用前景。环境中的振动通常不是单一频率振动，它的频率成分常分布在一个较宽的频带内。为了从环境振动中获取更多的能量、增大振动能量采集器的应用范围，有必要研发出具有宽频特性的振动能量采集器。

目前实现宽频振动能量采集的方法有：非线性法、碰撞法、调谐法、多模态法、升频法等等。这些方法各有优缺点，都有一定的局限性。也有方案将两种以上的宽频振动能量采集方式组合，构成复合式的宽频振动能量采集器，将会进一步拓宽采集器的带宽，提高其应用范围。

调谐法的原理是通过改变质量块的大小、改变刚度系数、改变质量块的位置来实现谐振频率的改变。不少的研究是通过改变质量块的位置来实现谐振频率的改变。质量块位置的改变可通过手动调节、电机调节、自动调节（或自调谐）等方式实现。对于手动调节方式，一旦调节确定，本质还是单频振动能量采集，只能采集某单一频率的振动能量，如果环境振动频率改变，还需要重新手动调节，显然调节麻烦，应用范围较窄。电机调节方式可根据环境频率实现自动调节，但这种方式需要增加频率检查电路和电机控制电路，结构复杂，同时调节质量块时会消耗一定的能量，降低了能量采集效率。自调谐方式，不需要外界施加能量，也不需要额外增加控制电路，能根据环境振动频率自动调节质量块的位置，实现宽频振动能量采集，具有较多的优势。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号201410613453.1，名称为：带有可动质量环的宽频带压电式振动能量采集装置，该发明提出了一种自调谐宽频振动能量采集器。该采集器由弹性梁、压电元件、滑道、限位挡块和可动质量环构成。弹性梁悬空，其两端面固定，压电元件紧贴在弹性梁表面并紧邻弹性梁的固定端，滑道位于弹性梁的中间位置，限位挡块位于滑道两端并固定在弹性梁上，可动质量环穿过滑道和弹性梁并自由悬挂在滑道上。可动质量环在外界振动作用下产生的滑动和转动等运动实现位置的改变，不需要外界施加能量，能自动调节，实现宽频振动能量采集。但该采集器采集的频带还偏窄，有必要进一步提高采集器的带宽。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种频带更宽的自调谐宽频振动能采集器，解决现有自调谐宽频振动能采集器频带偏窄的缺点。

为实现上述目的，本发明提出了一种自调谐与非线性相结合的宽频振动能量采集器，其结构为：

自调谐与非线性相结合的宽频振动能量采集器，其特征在于：设一l型底座，有垂直边及水平边，一矩形压电悬臂梁的一端固定在l型底座的垂直边上沿，另一端的上表面固定有一环形圆筒，下表面固定有一压电梁磁铁，一底座磁铁固定在l型底座的水平边上，与压电梁磁铁位置相对放置，并具有间距，所述的环形圆筒中间位置装有一圆筒分隔板，圆筒分隔板的两边对称地装有两个球形质量块，每一球形质量块与一环形弹簧的一端相接，环形弹簧的另一端固定在一个圆筒盖板上，所述的圆筒盖板与环形圆筒一末端固定相接。

其它的方案包括,所述的压电梁由三层粘接形成，外部两层为压电陶瓷形成的压电层，其表面覆盖金属电极层，两个压电层的电压输出为并联或串联连接，中间支撑层为钢或铍青铜。

所述的压电悬臂梁或由一层压电层粘接在一层支撑层上构成。

所述的压电梁磁铁与底座磁铁的向对面为相同极性或相反极性。

所述的球形质量块直径小于环形圆筒的圆孔内径，球形质量块与圆筒分隔板无任何连接关系。

所述的环形弹簧的直径小于环形圆筒的圆孔内径。

环形圆筒，环形弹簧，球形质量块，圆筒分隔板均采用非导磁材料，球形质量块选用钨或铜等密度大的非导磁材料。

所述的环形圆筒的环中径r大于球形质量块中心点到压电悬臂梁与固定装置内边沿相交处中点的距离l。采集环境振动能量时，采集器中的压电悬臂梁随环境振动，环形圆筒中的球形质量块将受到离心力f的作用，f=ω²l，其中ω为环境振动的角频率。离心力f可分解成法向力fn和切向力ft。法向力fn与环形圆筒的环中心圆弧线相垂直，切向力ft与环形圆筒的环中心圆弧线相切。法向力fn使球形质量块与环形圆筒的内圆外壁相接触，环形圆筒的内圆外壁将产生大小相同方向相反的反作用力，与法向力fn相平衡。切向力ft使球形质量块向环形圆筒外侧移动，压缩环形弹簧。环形弹簧会产生一个反作用力，当该反作用力与切向力ft大小相等时，球形质量块将不再移动，处于平衡状态。

所述的环形圆筒及内部部件可等效为一个质量块，固定在压电悬臂梁上。球形质量块向环形圆筒外侧移动后，环形圆筒等部件的等效质量块的质心发生变动，这就导致等效质量块的质心到压电悬臂梁固定端的距离将变短，使得压电悬臂梁的谐振频率提高。

由公式f=ω²l知道：环境振动角频率ω越大离心力f就越大，离心力f越大切向力ft也越大，球形质量块向环形圆筒外侧移动的距离就越大，压电悬臂梁的谐振频率就变得越高。因此，该采集器通过离心力改变球形质量块的位置实现了频率的自动调谐，从而实现了宽频振动能量采集。

在振动过程中，压电悬臂梁还受到压电梁磁铁和底座磁铁间的非线性磁力作用，利用该非线性磁力还可进一步拓宽采集器的带宽。

与现有技术相比，所述的采用弯曲梁的双宽频多方向振动能量采集器的优点在于：

（1）本发明利用离心力调节压电梁等效质量块的位置，实现频率的自动调谐，不需要外部人工调节。而且等效质量块可调的距离大，频率调节范围宽。

（2）压电悬臂梁上的压电梁磁铁与底座磁铁间会产生非线性磁力，将外部线性振动转换成非线性振动；这种非线性振动会使采集器获得宽频特性。因此，本发明整合了非线性宽频技术和频率自调谐技术，使得采集器的带宽进一步拓宽。

附图说明

图1是一种自调谐与非线性相结合的宽频振动能量采集器的结构示意图；

图2是采集器实现自调谐的工作原理图。

附图中标号名称：1环形圆筒、2圆筒盖板、3环形弹簧、4球形质量块、5圆筒分隔板、6压电梁、7压电梁磁铁、8底座磁铁、9l型底座、10固定装置。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例是方案中的一种结构。

如图1所示，压电悬臂梁6的一端通过固定装置10固定在l型底座9的垂直边上，另一端（自由端）的上表面固定有一个环形圆筒1，下表面固定有一个压电梁磁铁7。压电悬臂梁6由三层粘接构成：左右两层为压电层，材料为压电陶瓷，其表面覆盖金属电极层，两个压电层的电压输出为并联或串联相连；中间支撑层为钢、铍青铜等弹性材料，其宽度与压电层一致。压电悬臂梁6也可由一层压电层粘在中间支撑层构成。

环形圆筒1对称地固定在压电悬臂梁6自由端的上表面。环形圆筒1中间位置装有一个圆筒分隔板5，将环形圆筒1对称地分为两部分。在环形圆筒1中，圆筒分隔板5的左右两边依次对称地装有两个球形质量块4、两个环形弹簧3和两个圆筒盖板2。两个球形质量块4的直径和材质相同，直径略小于环形圆筒1的圆孔内径。两个环形弹簧3的直径和材质也相同，直径也略小于环形圆筒1的圆孔内径，环形弹簧3圆环中径与环形圆筒1的中径相同。球形质量块4与圆筒分隔板5无任何连接关系，球形质量块4与环形弹簧3可以固定连接，也可不固定连接，仅顶着球形质量块4。环形弹簧3远离球形质量块4那端固定在圆筒盖板2上。圆筒盖板2固定在环形圆筒1的末端。环形圆筒1、环形弹簧3、球形质量块4、圆筒分隔板5均采用非导磁材料，其中球形质量块4选用钨、铜等密度大的非导磁材料。

环形圆筒1的环中径r大于球形质量块4中心点o3到压电悬臂梁6与固定装置10内边沿相交处中点o1的距离l参见附图2。采集环境振动能量时，采集器中的压电悬臂梁6随环境振动，环形圆筒1中的球形质量块4将受到离心力f的作用，f=ω²l，其中ω为环境振动的角频率，离心力f的方向由o1指向球形质量块4中心点o3。离心力f可分解成法向力fn和切向力ft。法向力fn与环形圆筒1的中心圆弧线11相垂直，切向力ft与环形圆筒1的中心圆弧线11相切。法向力fn使球形质量块4与环形圆筒1的内圆外壁相接触其接触点为附图2中的a点，环形圆筒1的内圆外壁将产生大小相同方向相反的反作用力，与法向力fn相平衡。切向力ft使球形质量块4向环形圆筒1外侧移动，压缩环形弹簧3。环形弹簧3会产生一个反作用力，当该反作用力与切向力ft大小相等时，球形质量块4将不再移动，处于平衡状态。环形圆筒1及内部部件可等效为一个质量块固定在压电悬臂梁6上。球形质量块4向环形圆筒1外侧移动后，环形圆筒1等部件的等效质量块的质心发生变动，即：等效质量块的质心到压电悬臂梁6固定端的距离将变短，使得压电悬臂梁6的谐振频率提高。

由公式f=ω²l知道：环境振动角频率ω越大离心力f就越大，离心力f越大切向力ft也越大，球形质量块4向环形圆筒1外侧移动的距离就越大，压电悬臂梁6的谐振频率就变得越高。因此，该采集器通过离心力改变球形质量块4的位置实现了频率的自调谐，实现了宽频振动能量采集。

底座磁铁8固定在压电梁磁铁7正下方的底座上。底座磁铁8与压电梁磁铁7间的距离设置一个合适的距离。在振动过程中，压电悬臂梁6受到压电梁磁铁7和底座磁铁8间非线性磁力的作用，利用该非线性磁力还可进一步拓宽采集器的带宽。

因此采集器同时具备频率的自调谐和非线性宽频特性，与单一方式的宽频采集器相比，本发明能得到更宽的带宽。