一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器的制作方法

本实用新型涉及微能源采集领域，特别涉及宽频域自调谐双稳态振动能量采集器及采集方法。

背景技术：

微机电系统(MEMS)是由微机械基本部分、微能源和电子集成线路组成的微机电器件、装置或系统，在生物、医疗、环境监测、军事及工业自动化控制等领域得到广泛应用，是21世纪重要的研究领域。目前在该领域的能源集成研究中电源使用寿命短的问题亟待解决。尤其针对高集成度嵌入式系统，电池供电带来明显的缺陷。在某些特殊的应用场合，如易燃易爆等，电池更换十分困难，且废旧电池中含有重金属，处理不当易造成环境污染，由于供电方面的种种原因限制了许多器件的使用与推广。除此之外，伴随着能源需求的增长与化石能源短缺之间的矛盾日益显著，人们开始着眼于对替代能源的开发与利用。

压电发电是利用压电陶瓷等压电材料的正压电效应，将环境中的振动能量转换为电能的一种发电方式。它以发电结构简单紧凑、易于集成、成本低等突出优势，尤其适用于低功耗自供电微电子产品而受到研究者们的关注。现有的压电发电系统大多是线性系统，固有频率单一，且只有当激励频率接近固有频率时才会有较高的输出，导致压电发电系统的响应频域很窄。而环境中的振动往往是宽频域、非周期的，为了在更宽频域内获得能量，就需要能量采集器能够实现频率调谐或具有更宽的响应频域。

现有的频率调谐方法主要分为主动和被动调谐两种方法。主动调谐主要通过外接制动装置调节系统的固有频率，以匹配环境的振动频率。由于制动器需要持续工作，导致这种方式耗能较大，会降低能量采集器的采集输出功率，在能量采集领域并不是最优方案。被动调谐则是通过手动或人为的加入外力改变系统参数以匹配环境频率。这种方法相较于主动调谐来说虽然整体耗能较少，但是自动化程度低，可调谐频率范围较窄且操作困难。本实用新型提出了基于双稳态可进行频率自调的压电振动能量采集器，采用被动调谐的方法，并弥补了现有采集方法的不足。

双稳态系统是一种典型的非线性系统，在周期或者随机激励下，可在两个稳态间产生大幅周期或混沌运动。双稳态压电振动能量采集器能利用系统固有的非线性力，在低频环境中实现在非共振状态下的能量采集，拓宽了能量采集频域并提高了输出能量效率。

目前存在的双稳态压电振动能量采集器多为固定式，不可调谐。只能在一个频域范围内发生大幅振动，若超过频域范围，双稳态能量采集器能量转换效率便会急剧降低。而环境中的振动通常为随机振动，因此设计能够实现根据外界环境振动频率变化而自动调节谐振频率的方法与结构，拓宽采集能量的频域范围，对于提高能量采集器的能量转换效率有着重要意义，为能量采集领域提供一条新的研究角度、新方法与新机理。本装置特别适用于特种机床传感器的自供电应用以及其他具有升降特征明显的应用场合。

技术实现要素：

本实用新型提供一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器，以解决现有双稳态振动能量采集器采集频域窄，不可调谐的问题。

本实用新型采取的技术方案是：包括双稳态能量采集核心结构、Z方向位移调节装置、Y方向位移调节装置、支撑基座、磁铁Z方向位移调节装置一、磁铁Z方向位移调节装置二；其中Y方向位移调节装置与支撑基座上方中部固定连接，磁铁Z方向位移调节装置一和磁铁Z方向位移调节装置二分别与支撑基座上方固定连接、且位于Y方向位移调节装置两侧，Z方向位移调节装置与Y方向位移调节装置上部固定连接，双稳态能量采集核心结构与Z方向位移调节装置上部固定连接。

所述双稳态能量采集核心结构包括十字形谐振梁、下基座、上基座、环形滚子轴承、紧固螺钉一、紧固螺钉二；其中所述下基座与上基座通过紧固螺钉一固定连接，环形滚子轴承分别位于下基座的下基座中心槽、上基座的上基座中心槽中，十字形谐振梁位于下基座的下基座十字形槽和上基座的上基座十字形槽中，紧固螺钉二用于与Z方向位移调节装置上部固定连接；

所述下基座包括下基座十字形槽，下基座中心槽，极限位置一，极限位置二，下基座螺纹孔一，下基座螺纹孔二；

所述上基座包括；上基座十字形槽，上基座中心槽，上基座螺纹孔；

所述下基座十字形槽和上基座十字形槽相同；

所述十字形谐振梁的上、下表面与环形滚子轴承接触，上基座与下基座分别通过上基座螺纹孔和下基座螺纹孔一由紧固螺钉一固定连接。

所述十字形谐振梁包括：右侧压电拾振结构、左侧压电拾振结构、左侧梁末端磁铁、右侧梁末端磁铁、肋板、本体；其中，本体的中部有肋板，右侧压电拾振结构、左侧压电拾振结构分别与肋板两侧的本体的上部固定连接，左侧梁末端磁铁、右侧梁末端磁铁分别与本体两端固定连接；下基座十字形槽、上基座十字形槽的Y向尺寸大于肋板的尺寸。

Z方向位移调节装置包括：上支撑板、调节旋钮、传动结构、菱形伸缩架、下支撑板、紧固螺栓一，其中上支撑板包括上支撑板螺纹孔，四个上耳座，上耳座螺纹孔；下支撑板包括四个下耳座，下耳座螺纹孔，下支撑板螺纹孔；每个菱形伸缩架分别由四根伸缩臂和四个铰接螺栓构成，菱形伸缩架Z方向的两个铰接螺栓还分别通过上耳座螺纹孔、下耳座螺纹孔将上支撑板与下支撑板铰接；每个菱形伸缩架Y方向的两个铰接螺栓还分别通过传动结构保持梁螺纹孔将传动结构与菱形伸缩架铰接，且传动结构置于上支撑板、下支撑板之间，调节旋钮与传动结构的主传动阶梯轴固定连接；紧固螺栓一用于Z方向位移调节装置与Y方向位移调节装置之间的连接；

所述传动结构包括传动结构保持梁一、传动结构保持梁二、传动结构保持梁三、传动结构保持梁四、传动结构保持梁螺纹孔、传动结构保持梁光孔一、传动结构运动保持梁光孔二、传动杆、主传动阶梯轴、紧固螺栓二；其中主传动阶梯轴的阶梯左侧通过传动结构保持梁三上的传动结构运动保持梁光孔，主传动阶梯轴左前端与传动结构保持梁四旋接固定，两根传动杆分别穿过传动结构保持梁四和传动结构保持梁三上的传动结构保持梁光孔一并用紧固螺栓二固定；主传动阶梯轴的阶梯右侧通过传动结构保持梁二上的传动结构运动保持梁光孔二，再分别将两根传动杆穿过传动结构保持梁二和传动结构保持梁一上的传动结构保持梁光孔一并用紧固螺栓二固定；主传动阶梯轴和传动杆分别带动传动结构保持梁四、传动结构保持梁三、传动结构保持梁二、传动结构保持梁一运动，使菱形伸缩架伸缩。

Y方向位移调节装置包括可动支座、定支座、垫片一、齿轮一、旋钮、紧固螺钉三、光轴、紧固螺钉五；其中：

所述可动支座包括阶梯槽、可动支座螺纹孔一、可动支座螺纹孔二、可动支座光；

所述定支座包括齿条、齿条螺纹孔一、紧固螺钉四、耳座、耳座螺纹孔、定支座本体；

利用紧固螺钉四通过齿条螺纹孔一将齿条一固定在定支座本体上，并将齿轮一放置于齿条一上；可动支座内部开有阶梯槽，使其能够与定支座非过盈接触配合；利用紧固螺钉五通过可动支座螺纹孔将垫片一固定在可动支座外侧；将光轴穿过可动支座光孔，使其一端与齿轮一过盈接触配合，另一端与旋钮固定连接；齿轮一与齿条一为一对齿轮齿条运动副；

所述可动支座螺纹孔用于通过下支撑板螺纹孔和紧固螺栓一将Z方向位移调节装置和Y方向位移调节装置连接；

所述紧固螺钉三依次通过耳座上的耳座螺纹孔和支撑基座的支撑基座螺纹孔，将定支座本体固定在支撑基座上。

磁铁Z方向位移调节装置二与磁铁Z方向位移调节装置一结构相同，其中磁铁Z方向位移调节装置一包括固定磁铁支撑板、可动支撑、定支撑、垫片二、调节旋钮、锁定旋钮、紧固螺栓、齿轮、带槽光轴、紧固螺钉八、磁铁一；其中：

所述固定磁铁支撑板包括支撑板，固定磁铁支撑板螺纹孔，紧固螺钉六，所述可动支撑包括内阶梯槽，可动支撑螺纹孔一，可动支撑螺纹孔二，可动支撑光孔；所述定支撑包括齿条二，齿条螺纹孔，紧固螺钉七，调节槽二，定支撑本体；

利用紧固螺钉六分别通过固定磁铁支撑板螺纹孔和可动支撑螺纹孔使固定磁铁支撑板安装在可动支撑上，磁铁一固定连接在支撑板上；

将齿条二用紧固螺钉七通过齿条螺纹孔二固定在定支撑本体上，可动支撑内开有内阶梯槽，使其能够与定支撑非过盈接触配合；利用紧固螺钉八通过可动支撑螺纹孔二将垫片二固定在可动支撑外侧，带槽光轴一端与齿轮过盈配合，带槽光轴的另一端带固定卡槽，且该端穿过可动支撑光孔并与调节旋钮固连；齿轮与齿条二构成齿轮齿条运动副，锁定旋钮与可动支撑转动连接；

紧固螺栓三通过调节槽二和支撑基座的调节槽一对称固定于支撑基座中心一侧；

Z方向位移调节装置一的磁铁一、磁铁Z方向位移调节装置二的磁铁二分别与左侧梁末端磁铁、右侧梁末端磁铁磁铁相对、且磁性相斥。

十字形谐振梁的左侧梁末端磁铁与磁铁Z方向位移调节装置一中的磁铁一组成双稳态结构，称为双稳态一；十字形谐振梁的右侧梁末端磁铁与磁铁Z方向位移调节装置二中的磁铁二组成双稳态结构，称为双稳态二。

本实用新型的有益效果在于：适用于当前无线自供电IOT传感节点领域。该装置能够根据外界振动频率的变化自行、被动频率匹配、无须主动调节，即实现频率自调谐，并且通过移动最终能实现至少在四段(2n，n＝2)频率域中进行能量采集，极大程度的拓宽了频域，提高了能量转换效率，弥补了现有双稳态振动能量采集器采集能量频域受限的不足；通过调节能量采集器的方向调节装置，改变能量采集器结构参数，即改变双稳态系统磁铁的初始间距以及十字形谐振梁的长度等，能够适应不同应用环境频率的变化，使能量采集器在不同的工况内都能够实现双稳态。进一步拓宽频域，提高能量转换效率。此外，谐振梁的形状可进一步拓展延伸成其他结构形式，可以根据不同的工况改变谐振梁的形状实现更多能量采集。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型十字形谐振梁结构及放置位置示意图；

图3是本实用新型下基座结构示意图；

图4是本实用新型上基座结构示意图；

图5是图3的A-A剖视图；

图6是本实用新型Z方向位移调节装置的结构示意图；

图7是本实用新型Z方向位移调节装置支撑结构示意图；

图8是本实用新型Z方向位移调节装置中传动结构示意图；

图9是本实用新型Z方向位移调节装置中菱形伸缩架结构示意图；

图10是本实用新型Y方向位移调节装置的结构示意图；

图11是本实用新型Y方向位移调节装置局部结构示意图；

图12是图10的B-B剖视图；

图13是本实用新型支撑基座结构示意图；

图14是本实用新型磁铁Z方向位移调节装的体结构示意图；

图15是图14的C-C剖视图；

图16是本实用新型四梁自调谐双稳态振动能量采集结构；

图17是本实用新型八梁环形发散梁的结构示意图；

图18是本实用新型工作原理简化图；

图19为在外界激励振幅A＝2mm，频率f＝pi rad/s时，能量采集装置在左极限位置时的位移频谱图；

图20为在外界激励振幅A＝2mm，频率f＝pi rad/s时，能量采集装置在右极限位置时的位移频谱图；

附图标识：1二梁双稳态能量采集核心结构；101十字形谐振梁；10101右侧压电拾振结构；10102左侧压电拾振结构；10103左侧梁末端磁铁；10104右侧梁末端磁铁；10105肋板；102下基座；10201下基座十字形槽；10202下基座中心槽；10203极限位置一；10204极限位置二；10205下基座螺纹孔一；10206下基座螺纹孔二；103上基座；10301上基座十字形槽；10302上基座中心槽；10303上基座螺纹孔；104环形滚子轴承；105紧固螺钉一；106紧固螺钉二；2Z方向位移调节装置；201上支撑板；20101上支撑板螺纹孔；20102上耳座；20103上耳座螺纹孔；202调节旋钮；203传动结构；20301传动结构保持梁一；20302传动结构保持梁二；20303传动结构保持梁三；20304传动结构保持梁四；20305传动结构保持梁螺纹孔；20306传动结构保持梁光孔一；20307传动结构运动保持梁光孔二；20308传动杆；20309主传动阶梯轴；20310紧固螺栓二；204菱形伸缩架；20401伸缩臂；20402铰接螺栓；205下支撑板；20501下耳座；20502下耳座螺纹孔；20503下支撑板螺纹孔；206紧固螺栓一；3Y方向位移调节装置；301可动支座；30101阶梯槽；30102可动支座螺纹孔1；30103可动支座螺纹孔2；30104可动支座光孔；302定支座；30201齿条一；30202齿条螺纹孔一；30203紧固螺钉四；30204耳座；30205耳座螺纹孔；定支座本体30206；303垫片一；304齿轮一；305旋钮；306紧固螺钉三；307光轴；308紧固螺钉五；4支撑基座；401调节槽一；402支撑基座螺纹孔；5磁铁Z方向位移调节装置一；501固定磁铁支撑板；50101支撑板；50102固定磁铁支撑板螺纹孔；50103紧固螺钉六；502可动支撑；50201内阶梯槽；50202可动支撑螺纹孔一；50203可动支撑螺纹孔二；50204可动支撑光孔；503定支撑；50301齿条二；50302齿条螺纹孔二；50303紧固螺钉七；50304调节槽二；50305定支撑本体；504垫片二；505调节旋钮；506锁定旋钮；507紧固螺栓三；508齿轮二；509带槽光轴；50901固定卡槽；510紧固螺钉八；511磁铁一；6磁铁Z方向位移调节装置二；601磁铁二。

具体实施方式

图1所示，宽频域自调谐双稳态振动能量采集器包括双稳态能量采集核心结构1、Z方向位移调节装置2、Y方向位移调节装置3、支撑基座4、磁铁Z方向位移调节装置一5、磁铁Z方向位移调节装置二6；

其中Y方向位移调节装置3与支撑基座4上方中部固定连接，磁铁Z方向位移调节装置一5和磁铁Z方向位移调节装置二6分别与与支撑基座4上方固定连接、且位于Y方向位移调节装置3两侧，Z方向位移调节装置2与Y方向位移调节装置3上部固定连接，双稳态能量采集核心结构1与Z方向位移调节装置2上部固定连接。

如图2所示，所述双稳态能量采集核心结构1包括十字形谐振梁101、下基座102、上基座103、环形滚子轴承104、紧固螺钉一105、紧固螺钉二106；其中所述下基座102与上基座103通过紧固螺钉一105固定连接，环形滚子轴承104分别位于下基座102的下基座中心槽10202、上基座103的上基座中心槽10302中，十字形谐振梁101位于下基座102的下基座十字形槽10201和上基座103的上基座十字形槽10301中，紧固螺钉二106用于与Z方向位移调节装置2上部固定连接。

如图3所示，下基座102包括下基座十字形槽10201，下基座中心槽10202，极限位置一10203，极限位置二10204；下基座螺纹孔一10205；下基座螺纹孔二10206，

如图4所示，所述上基座103包括；上基座十字形槽10301，上基座中心槽10302，上基座螺纹孔10303，

所述下基座十字形槽10201和上基座十字形槽10301完全相同；

环形滚子轴承104高度略大于槽深，环形滚子轴承104分布剖视图如图5所示，将谐振梁101的上、下表面与环形滚子轴承104接触，将滑动摩擦转换为滚动摩擦，上基座103与下基座102分别通过上基座螺纹孔10303和下基座螺纹孔一10205由紧固螺钉一105固定连接。

所述环形滚子轴承104、上基座103、下基座102均选用重量较轻且摩擦系数较小的有机玻璃材料；

如图2所示，十字形谐振梁101包括：右侧压电拾振结构10101、左侧压电拾振结构10102、左侧梁末端磁铁10103、右侧梁末端磁铁10104、肋板10105，本体10106；其中，本体的中部有肋板10105，右侧压电拾振结构10101、左侧压电拾振结构10102分别与肋板两侧的本体10106的上部固定连接，左侧梁末端磁铁10103、右侧梁末端磁铁10104分别与本体10106两端固定连接；下基座十字形槽10201、上基座十字形槽10301的Y向尺寸大于肋板10105的尺寸，且尺寸之差可根据所需调节频域大小进行设计。

所述十字形谐振梁101本体选择强度大、刚度小的不锈钢薄片，左、右侧梁末端磁铁选用具有高强磁力与质量比的钕铁硼材料，左、右侧压电拾振结构采用压电换能效率极高的PMN-PT材料。

如图6所示，Z方向位移调节装置2包括：上支撑板201、调节旋钮202、传动结构203、菱形伸缩架204、下支撑板205、紧固螺栓一206，如图7所示，其中上支撑板201包括上支撑板螺纹孔20101，四个上耳座20102，上耳座螺纹孔20103；下支撑板205包括四个下耳座20501，下耳座螺纹孔20502，下支撑板螺纹孔20503；每个菱形伸缩架204分别由四根伸缩臂20401和四个铰接螺栓20402构成，如图9所示；菱形伸缩架204Z方向的两个铰接螺栓20402还分别通过上耳座螺纹孔20103、下耳座螺纹孔20502将上支撑板201与下支撑板205铰接；每个菱形伸缩架Y方向的两个铰接螺栓20402还分别通过传动结构3保持梁螺纹孔20305将传动结构203与菱形伸缩架204铰接，且传动结构203置于上支撑板201、下支撑板205之间。调节旋钮202与传动结构203的主传动阶梯轴20309固定连接；紧固螺栓一206用于Z方向位移调节装置2与Y方向位移调节装置3之间的连接；

双稳态能量采集结构1放置于Z方向位移调节装置2上方，并分别通过下基座螺纹孔10206和上支撑板螺纹孔20101由紧固螺钉二106连接。

如图8所示，传动结构203包括传动结构保持梁一20301、传动结构保持梁二20302、传动结构保持梁三20303、传动结构保持梁四20304、传动结构保持梁螺纹孔20305、传动结构保持梁光孔一20306、传动结构运动保持梁光孔二20307、传动杆20308、主传动阶梯轴20309、紧固螺栓二20310；其中主传动阶梯轴20309的阶梯左侧通过传动结构保持梁三20303上的传动结构运动保持梁光孔20307，主传动阶梯轴20309左前端与传动结构保持梁四20304旋接固定，两根传动杆20308分别穿过传动结构保持梁四20304和传动结构保持梁三20303上的传动结构保持梁光孔一20306并用紧固螺栓二20310固定；为达到传动目的，主传动阶梯轴20309的阶梯右侧通过传动结构保持梁二20302上的传动结构运动保持梁光孔二20307，再分别将两根传动杆20308穿过传动结构保持梁二220302和传动结构保持梁一20301上的传动结构保持梁光孔一20306并用紧固螺栓二20310固定；因调节旋钮202与主传动阶梯轴20309固定连接，当旋动调节旋钮202时，主传动阶梯轴20309和传动杆20308分别带动传动结构保持梁四20304、传动结构保持梁三20303、传动结构保持梁二20302、传动结构保持梁一20301运动，使菱形伸缩架204伸缩，从而控制上支撑板201的升降。

如图13所示，所述4支撑基座包括401调节槽一和402支撑基座螺纹孔；

如图10、11、12所示，Y方向位移调节装置3包括可动支座301、定支座302、垫片一303、齿轮一304、旋钮305、紧固螺钉三306、光轴307、紧固螺钉五308；

其中可动支座301包括阶梯槽30101；可动支座螺纹孔一30102；可动支座螺纹孔二30103；可动支座光孔30104；

302定支座包括齿条30201，齿条螺纹孔一30202，紧固螺钉四30203，耳座30204，耳座螺纹孔30205，定支座本体30206；

利用紧固螺钉四30203通过齿条螺纹孔一30202将齿条一30201固定在定支座本体30206上，并将齿轮一304放置于齿条一30201上；可动支座301内部开有阶梯槽30101，使其能够与定支座302非过盈接触配合；利用紧固螺钉五308通过可动支座螺纹孔30103将垫片一303固定在可动支座301外侧；将光轴307穿过可动支座光孔30104，使其一端与齿轮一304过盈接触配合，另一端与旋钮305固定连接；齿轮一304与齿条一30201为一对齿轮-齿条运动副，当旋动旋钮305时，齿轮一304在齿条一30201上运动，光轴307带动可动支座301运动，从而实现Y方向运动调节。

Z方向位移调节装置2放置于Y方向位移调节装置3上方，并分别通过下支撑板螺纹孔20503和可动支座螺纹孔30102由紧固螺栓一206连接。

所述的Y方向位移调节装置3利用紧固螺钉三306，依次通过耳座30204上的耳座螺纹孔30205和支撑基座螺纹孔402固定在支撑基座4上。

如图14、15所示，磁铁Z方向位移调节装置一5包括固定磁铁支撑板501、可动支撑502、定支撑503、垫片二504、调节旋钮505、锁定旋钮506、紧固螺栓507、齿轮508、带槽光轴509；510紧固螺钉八；磁铁一511；

所述固定磁铁支撑板501包括支撑板50101，固定磁铁支撑板螺纹孔50102，紧固螺钉六50103，所述可动支撑502包括内阶梯槽50201，可动支撑螺纹孔一50202，可动支撑螺纹孔二50203，可动支撑光孔50204；所述定支撑503包括齿条二50301，齿条螺纹孔50302，紧固螺钉七50303，调节槽二50304；

利用紧固螺钉六50103分别通过固定磁铁支撑板螺纹孔50102和可动支撑螺纹孔50202使固定磁铁支撑板501安装在可动支撑502上，磁铁一511固定连接在支撑板50101上；

将齿条二50301用紧固螺钉七50303通过齿条螺纹孔二50302固定在定支撑本体50305上；可动支撑502内开有内阶梯槽50201，使其能够与定支撑503非过盈接触配合；利用紧固螺钉八510通过可动支撑螺纹孔二50203将垫片二504固定在可动支撑502外侧，带槽光轴509一端与齿轮508过盈配合，带槽光轴509的另一端带固定卡槽50901，且该端穿过可动支撑光孔50204并与调节旋钮505固连；齿轮508与齿条二50301构成齿轮-齿条运动副，锁定旋钮506与可动支撑502转动连接；当旋动调节旋钮505时，齿轮-齿条运动副带动可动支撑502沿Z轴方向运动，运动到适宜位置时，利用锁定旋钮506卡在带槽光轴的固定卡槽50901中进行锁定。

磁铁Z方向位移调节装置二6与磁铁Z方向位移调节装置一5具有完全相同的结构；并分别利用紧固螺栓三507、并通过调节槽二50304和调节槽一401对称固定于支撑基座4中心两侧，安装位置可以通过调节槽一401进行调节，从而改变磁铁Z方向位移调节装置一5和Z方向位移调节装置二6与十字形谐振梁101中梁末端磁铁之间的距离；

如图18所示，所述左侧梁末端磁铁10103、右侧梁末端磁铁10104分别与磁铁Z方向位移调节装置一5的磁铁一511、磁铁Z方向位移调节装置二6的磁铁二601相对、且磁性相斥，保证能够实现双稳态振动能量采集的基本条件。

如图18所示，十字形谐振梁101的左侧梁末端磁铁10103与磁铁Z方向位移调节装置一5中的磁铁一511组成双稳态结构，称为双稳态一；十字形谐振梁101的右侧梁末端磁铁10104与磁铁Z方向位移调节装置二6中的磁铁二601组成双稳态结构，称为双稳态二。

宽频域自调谐双稳态能量采集器Z方向位移调节装置2、Y方向位移调节装置3能够分别使双稳态能量采集核心结构1实现Z方向和Y方向的移动，磁铁Z方向位移调节装置一5与Z方向位移调节装置二6则能够实现固定磁铁50101在Z方向上的连续移动以及在Y方向的非连续移动。上述三种装置互相配合调节，使双稳态能量采集核心结构1能够获得不同的初始磁铁间距以得到不同的双稳态状态。

当所有调节装置调节到适宜位置且锁定不动，能够保证双稳态能量采集核心结构1分别与磁铁Z方向位移调节装置一5和Z方向位移调节装置二6各自形成一个双稳态，而又由于十字形谐振梁101能够在十字形槽10201中自由滑动，磁铁间距在不断变化，这种变化理论上能够使能量采集器在两个极限位置之间形成多种双稳态，并实现双稳态之间的自动切换，若只针对肋板10105在十字形槽10201的两个极限位置10203、10204处，能够观察到两对双稳态。

本实用新型的工作原理是：双稳态是一种典型的非线性物理现象，能够在比较宽的频域内使梁发生大变形，通过压电拾振结构将形变转化为电信号输出，从而采集能量。由于外界环境振动频率与能量采集器中的某一端谐振梁的固有频率相匹配，产生共振；由于共振，十字形谐振梁的共振端受力大于非共振端，导致两端受力不平衡，使谐振梁在下基座十字形槽的两个极限位置之间自动滑动，从而改变了磁铁间距；当磁铁间距改变时，磁斥力发生改变，十字形谐振梁能够与固定磁铁可以形成多种频域的双稳态。这种变化理论上能够使能量采集器在两个极限位置之间形成多种双稳态，并实现双稳态之间的自动切换，从而达到拓宽频域的目的，实现自调谐。若只针对肋板在十字形槽的两个极限位置处，能够观察到两对双稳态。能量采集器所包含的Z方向位移调节装置、Y方向位移调节装置能够分别使双稳态能量采集核心结构实现Z方向和Y方向的移动，磁铁Z方向位移调节装置则能够实现固定磁铁在Z方向上的连续移动以及在Y方向的非连续移动。上述三种装置互相配合调节，使双稳态能量采集核心结构能够获得不同的初始磁铁间距以得到不同的双稳态状态，实现针对不同应用环境的被动调谐。

一种宽频域自调谐双稳态能量采集器采集方法，包括下列步骤：

(1)将宽频域自调谐双稳态振动能量采集器置于振动环境中，环境振动频率与能量采集器中十字形谐振梁101的某一端的固有频率相匹配，产生共振；

(2)由于共振，十字形谐振梁101的共振端受力大于非共振端，导致两端受力不平衡，使十字形谐振梁在下基座102中自动滑动，从而改变了：左侧梁末端磁铁10103与磁铁一511间的距离，和右侧梁末端磁铁10104与磁铁二601间的距离；

(3)伴随各磁铁间距的变化，磁斥力发生改变，从而导致双稳态状态也发生变化，即从一对双稳态一转换为另一对双稳态二，其中：十字形谐振梁101的左侧梁末端磁铁10103与磁铁Z方向位移调节装置一5中的磁铁一511组成双稳态结构，称为双稳态一；十字形谐振梁101的右侧梁末端磁铁10104与磁铁Z方向位移调节装置二6中的磁铁二601组成双稳态结构，称为双稳态二；这种变化上能够使能量采集器在下基座102的两个极限位置之间形成多种双稳态，并实现双稳态之间的自动切换；

(4)环境中的振动使能量采集器中的十字形谐振梁101发生移动，移动过程中，由于双稳态使十字形谐振梁产生阱间运动，使十字形谐振梁101发生大变形，通过右侧压电拾振结构10101、左侧压电拾振结构10102将变形能转化成电压信号V，进行输出，达到能量采集的目的；

利用牛顿第二定律，谐振梁轴向受力分析如下：

带入轴向磁力公式有：

十字形谐振梁101左侧横向振动方程为：

十字形谐振梁101右侧横向振动方程为：

其中，u为轴向移动的距离，d1,d2分别为左右两侧磁铁之间的距离；

m为每个梁单元的单位质量，y为轴向坐标，EIv为弯曲刚度，Iv为截面惯性矩，cs为结构阻尼系数，cd为空气阻尼系数，v为轴向运动加速度，Me1,Me2为梁末端磁铁质量，Q1,Q2为梁末端磁铁所受横向磁铁斥力，P1,P2为梁末端磁铁所受横向磁铁斥力，Lleft,Lright分别为左右侧梁梁长，t为时间，为压电材料的压电耦合系数，V为输出电压，Cp为等效电容，R1、R2分别为左右两端的等效电阻，Θ为机电耦合系数，δ为狄拉克函数；

运用Matlab进行仿真计算，最终得到在一定频域内所采集能量的电压值V。

下边通过建立磁斥力与磁铁间距的关系，运用MATLAB仿真工具，对本实用新型的采集方法做进一步分析。

确定磁铁间距使系统能够产生双稳态，对两个磁铁受力进行受力分析，步骤如下：

(a)求得两个磁铁之间的磁流密度BBA

其中真空磁导率μ0＝4π×10^-7H/m，为向量梯度，mA为梁端磁铁的磁矩，mB为固定磁铁的磁矩，MB为固定磁铁的磁化强度，VB为固定磁铁的体积，rBA为固定磁铁到梁末端磁铁的方向向量。梁末端磁铁与固定磁铁磁性相斥，在磁斥力的作用下产生位移，此时梁末端磁铁相对于固定磁铁的转角为θ，d为两个磁铁之间的水平距离，z为横向位移，zp为横向激励位移，为单位向量。

(b)磁铁之间的势能为：

其中，L为某一瞬时，十字形谐振梁101其中一端的梁长。根据磁场的势能能够得到两磁铁的磁斥力，为了方便后续分析计算，将磁斥力分解成在水平与竖直方向上的磁力分力，表达式分别如下：

轴向：

横向：

(4)外界环境中的振动可以使装置中的梁发生移动，移动过程中，由于双稳态使梁产生阱间运动，使梁101发生大变形，通过压电拾振结构10101、10102将变形能转化成电信号，进行输出，达到能量采集的目的。如图18所示为宽频域自调谐双稳态振动能量采集器工作原理简化图。

已知磁斥力，要求轴向运动梁的在磁斥力与外界激励下的运动方程，求得运动规律，在产生双稳态的情况下，得到谐振梁的响应。

根据欧拉伯努利梁与小变形理论，利用分布参数法，列出本实用新型所涉及十字形谐振梁双稳态振动能量采集器的运动学横向振动方程与电学方程为：

左侧：

右侧：

其中，m为每个梁单元的单位质量，y为轴向坐标，EIv为弯曲刚度，Iv为截面惯性矩，cs为结构阻尼系数，cd为空气阻尼系数，v为轴向运动加速度，Me1,Me2为梁末端磁铁质量，Q1,Q2为梁末端磁铁所受横向磁铁斥力，P1,P2为梁末端磁铁所受横向磁铁斥力，Lleft,Lright分别为左右侧梁梁长，t为时间，为压电材料的压电耦合系数，V为输出电压，Cp为等效电容，R1、R2分别为左右两端的等效电阻，Θ为机电耦合系数，δ为狄拉克函数。

利用牛顿第二定律，谐振梁轴向受力分析如下：

带入轴向磁力公式有：

其中，u为轴向移动的距离，d1,d2分别为左右两侧磁铁之间的距离。

根据以上公式可以得到轴向运动梁的在磁斥力与外界激励下的运动方程，求得了运动规律。当外界产生振动激励时，谐振梁101由于共振发生受力不平衡，产生轴向运动，磁铁间距改变导致磁斥力发生改变，上式可以得到在产生双稳态的情况下谐振梁的响应，最终根据上述理论设计磁铁间距，进而确定调节装置位置；根据外界工况工作频域与响应频率的匹配关系，设计谐振梁与基座中十字形槽的结构尺寸。这种变化理论上能够使能量采集器在两个极限位置之间形成多种双稳态，并实现双稳态之间的自动切换，若只针对肋板105在十字形槽10201的两个极限位置处，能够观察到两对双稳态。

为了采集更多频域的振动能量，谐振梁的形状可进一步拓展延伸成其他结构形式，亦可采用四梁结构、环形发散梁以及环形向心梁结构。

图19展示了在外界激励振幅A＝2mm时，频率f＝pi rad/s条件下，自调谐双稳态能量采集器中十字形谐振梁101处于十字形槽10201极限位置10203处所形成的两种双稳态和对应线性(无磁铁)能量采集装置的位移频谱图。从图中可以看出，自调谐双稳态能量采集装置由于有两部分双稳态的综合作用，相比于线性能量采集装置能够在更宽的频域(1-31Hz)上有更高的输出位移。

图20展示了在外界激励振幅A＝2mm时，频率f＝pi rad/s条件下，自调谐双稳态能量采集器中十字形谐振梁101处于十字形槽10201极限位置10204处所形成的两种双稳态和对应线性(无磁铁)能量采集装置的位移频谱图。同理，自调谐双稳态能量采集装置相比于线性能量采集装置也能够在更宽的频域(1-31Hz)上有更高的输出位移。

为了采集更宽频域的振动能量，谐振梁的形状可进一步拓展延伸成其他结构形式，亦可采用四梁结构、八梁结构，如图16和图17所示。为采集更宽频域的振动能量，每个双稳态系统的谐振梁101初始长度以及初始磁铁间距不同，即同一个装置中初始包含多种双稳态结构。