一种屈曲自调节的压电能量回收装置的制作方法

本发明属于压电能量回收领域，特别涉及一种屈曲自调节的压电能量回收装置。

背景技术：

物联网常被视为信息革命的第三次浪潮，是新一代信息技术的集成发展，进一步扩张了信息互联的边界。由于物联网的综合性和广泛性，其产业链涉及传感、网络、应用等各个层次，具备广阔的发展前景。在物联网的庞大体系中，无线传感器网络占据了一个关键位置。由于其便携性与智能化社会相契合的美好前景，已经广泛应用在物联网相关的医疗健康、结构监测与诊断、工业和农业生产、智能交通等领域。

当前大多数的无线传感器均采用电池供电的方式，考虑到电池替换的维护成本以及很多无法更换电池的应用场合，其使用寿命很大程度上受制于电池所能提供的能量，严重影响了无线传感器网络的可靠性和经济性。在智能交通领域的实际环境当中，往往存在着分布广泛且丰富的振动能量。很多时候，这些振动能量对于交通设施与车辆带来不利的影响，需要加以抑制。将这部分振动能量利用起来，转化电能作为传感器供能的微能源系统，对于促进物联网在智能交通领域的进一步发展具备重要意义。

在大量研究人员的推动下，振动能量采集技术在取得快速发展的同时，仍面临一些挑战。其中一个重要问题是在保证一定功率性能的条件下尽可能提升集能器的带宽，以解决实际应用环境当中振动激励多变的问题。在拓展集能器的工作带宽的解决方案上，已有频率上变换、多模阵列、共振可调、非线性结构等不同结构类型提出。多稳态非线性集能器是指集能器结构拥有两个或以上势能阱及相应稳态平衡点。最为常见的有屈曲梁结构，作为一种经典的双稳态结构，其在能量回收方面的应用得到了广泛研究。

从上面的分析可知，多稳态集能器在宽带振动能量收集众多方案中具备独特的优势和潜力，然而要充分发挥其优良性能，其结构势能特性与激励的匹配及获得稳定的高能态响应亟待解决的两个关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、性能可靠，能够在不同激励情况下自动调节屈曲梁的屈曲水平，使屈曲梁始终在共振或高能轨道状态下工作，能量回收效率和输出平均功率均高于普通屈曲水平不变的能量采集器的屈曲自调节的压电能量回收装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种屈曲自调节的压电能量回收装置，包括安装台和依次设置在安装台上的初调机构、第一支撑座和第二支撑座；设置在第一支撑座和第二支撑座之间，相互对称的两个夹具组件；设置在夹具组件之间的屈曲梁集能器；以及集能-储能单元、管理单元控制器和驱动电路；

所述第一支撑座和第二支撑座相对的端面上分别设有凹槽，凹槽内设有压电促动器；压电促动器包括机械叠堆的压电片和放大机构，放大机构为中空柱体结构，压电片固定在放大机构中间并与放大机构集成为一体，放大机构上关于压电片轴线对称地设置有两个固定孔；其中，一个固定孔分别与支撑座通过螺钉连接，另一个固定孔分别与第一夹具通过螺钉固定连接；

所述夹具组件包括第一夹具、第二夹具和第三夹具，第一夹具通过螺钉与放大机构上的固定孔连接；第二夹具通过螺钉固定在第一夹具上，第三夹具通过螺钉固定在第二夹具上；

所述屈曲梁集能器包括屈曲梁、质量块；屈曲梁两端分别固定在第二夹具与第三夹具之间，质量块位于屈曲梁的中间位置处；关于质量块对称设置有两个副压电元件和两个主压电元件，屈曲梁靠近夹具两端的侧面上分别紧贴有主压电元件，屈曲梁靠近质量块两侧的侧面上分别紧贴有副压电元件；

所述初调机构包括一个固定块和一个调节螺钉，固定块设置在第一支撑底座侧面的安装台上，调节螺钉的螺纹端与第一支撑底座一端面的沉孔配合设置；

所述集能-储能单元、管理单元控制器和驱动电路安装在安装台上，管理单元控制器分别通过导线与副压电元件、安装台和传感元件相连，集能-储能单元通过导线与主压电元件、安装台相连，驱动电路通过导线与的压电片相连，管理单元控制器、集能-储能单元与驱动电路之间互相通过导线连接。

进一步地，所述压电促动器的放大机构与凹槽侧壁不接触。

进一步地，所述第一支撑底座和第二支撑底座分别与振动源固定连接。

进一步地，所述压电促动器中的压电片机械叠堆，它在电压作用下变形，同时驱动放大机构伸缩。

进一步地，所述屈曲梁使用金属材料制成，其运动方向的刚度小于压电促动器伸缩方向的刚度，压电促动器的行程越大屈曲梁的屈曲水平变化范围越宽，同样的屈曲梁的固有频率变化范围越宽；初始状态利用初调机构产生一个屈曲。

进一步地，所述集能-储能单元与主压电元件连接，管理单元控制器与副压电元件连接，驱动电路分别与压电促动器连接，两个压电促动器之间并联连接。

本发明的有益效果是：本发明的结构简单、性能优异，在振动能量环境中收集能量时，集能-储能单元能够收集并储存能量，管理单元能够获取屈曲梁的运动状态，压电促动器可自动改变轴向输出位移不需要外部电源，同时改变屈曲梁的屈曲水平使其达到共振或双稳态运动状态；当压电促动器不工作时，也可作为集能器采集并储存能量。因此这种装置的能量回收效率和输出平均功率均高于普通屈曲水平不变的能量采集器，所采集到的电能可储存并给无线传感器等元件供电，提高了集能器的能量采集效率。

附图说明

图1为本发明的屈曲自调节的压电能量回收装置的结构示意图；

图2为压电促动器结构示意图；

图3为本发明的驱动电路控制算法流程图；

图4为本发明的屈曲梁的屈曲水平与驱动电压的关系图；

图5为本发明梁的固有频率匹配某一激励频率时的工作状态图；

图6为本发明某一激励梁由单稳态向双稳态跃迁时的位移图；

附图标记说明：1-安装台，2-第一支撑座，3-第二支撑座，4-压电促动器，41-压电片，42-放大机构，43-固定孔，5-第一夹具，6-第二夹具，7-第三夹具，8-主压电元件，9-副压电元件，10-质量块，11-屈曲梁，12-初调机构。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的一种屈曲自调节的压电能量回收装置，包括安装台1和依次设置在安装台1上的初调机构12、第一支撑座2和第二支撑座3；设置在第一支撑座2和第二支撑座3之间，相互对称的两个夹具组件；设置在夹具组件之间的屈曲梁集能器；以及集能-储能单元、管理单元控制器和驱动电路；

所述第一支撑座2和第二支撑座3相对的端面上分别设有凹槽，凹槽内设有压电促动器4；如图2所示，所述压电促动器4包括机械叠堆的压电片41和放大机构42，放大机构42为中空柱体结构，压电片41固定在放大机构42中间并与放大机构42集成为一体；压电片41一片片粘接在一起，两端与放大机构的内腔刚性连接；加电压时所有压电片一起变形，驱动放大机构伸缩，放大机构可以将压电片的行程放大；放大机构42上关于压电片41轴线对称地设置有两个固定孔43；其中，一个固定孔分别与支撑座通过螺钉连接，另一个固定孔分别与第一夹具5通过螺钉固定连接；

所述夹具组件包括第一夹具5、第二夹具6和第三夹具7，第一夹具5通过螺钉与放大机构42上的固定孔连接；第二夹具6通过螺钉固定在第一夹具5上，第三夹具7通过螺钉固定在第二夹具6上；

所述屈曲梁集能器包括屈曲梁11、质量块10；屈曲梁11两端分别固定在第二夹具6与第三夹具7之间，质量块10位于屈曲梁11的中间位置处；关于质量块10对称设置有两个副压电元件9和两个主压电元件8，屈曲梁11靠近夹具两端的侧面上分别紧贴有主压电元件8，屈曲梁11靠近质量块10两侧的侧面上分别紧贴有副压电元件9；

所述初调机构12包括一个固定块和一个调节螺钉，固定块设置在第一支撑底座2侧面的安装台1上，调节螺钉的螺纹端与第一支撑底座2一端面的沉孔配合设置；

所述集能-储能单元、管理单元控制器和驱动电路安装在安装台1上，管理单元控制器分别通过导线与副压电元件9、安装台1和传感元件相连，集能-储能单元通过导线与主压电元件8、安装台1相连，驱动电路通过导线与的压电片41相连，管理单元控制器、集能-储能单元与驱动电路之间互相通过导线连接。

进一步地，所述压电促动器4的放大机构42与凹槽侧壁不接触，凹槽起到保护压电促动器4的作用，凹槽42侧壁与放大机构有间隙，因为放大结构会变形，凹槽不能限制它。

进一步地，所述第一支撑底座2和第二支撑底座3分别与振动源固定连接。

进一步地，所述压电促动器4中的压电片机械叠堆，它在电压作用下变形，同时驱动放大机构伸缩。因此可利用逆压电效应增加或减小压电促动器4的轴向位移输出，同时改变屈曲梁的屈曲水平，反过来也可利用正压电效应发电，初始状态下压电促动器4不输出位移。所述压电促动器4可瞬间改变自身输出位移，使屈曲梁11的屈曲水平发生突变，屈曲梁11能够从单稳态低能态响应轨道跃迁到双稳态高能态响应轨道。

进一步地，所述屈曲梁11使用金属材料制成，其运动方向的刚度小于压电促动器4伸缩方向的刚度，压电促动器的行程越大屈曲梁11的屈曲水平变化范围越宽，同样的屈曲梁11的固有频率变化范围越宽；初始状态利用初调机构产生一个屈曲。

进一步地，所述集能-储能单元与主压电元件8连接，管理单元控制器与副压电元件9连接，驱动电路分别与压电促动器4连接，两个压电促动器4之间并联连接。

所述压电能量回收装置包括初调机构12，初调机构12中螺钉的螺纹端与第一支撑底座2端面的沉孔配合并且螺纹轴线与该端面垂直，可自由接触、分离，初调机构12直接改变屈曲梁11的屈曲程度，产生初始屈曲时，初调机构12与第一支撑底座2接触，初始屈曲形成后，初调机构12可拆下。

需要说明的是，安装台1的形状与运动方向并没有限制，只要满足固定作用即可。两支撑底座的大小、形状、安装方向并无限制，只要能将压电促动器固定在安装台上并方便初始屈曲调节即可。两个压电促动器的型号、种类、数量并无特殊要求(本实施例中放大机构采用菱形结构，两个固定孔分别设置在菱形结构的顶点处)，压电促动器的行程越大屈曲梁11的屈曲水平变化范围越宽，可根据具体需要选择。初调机构12的结构形式、与第一支撑底座1之间的接触方式无特殊限制，一般来说调节螺钉的数量越多越有利于初始屈曲的调节，可根据实际运用情况选择合适的初调方式。显然，屈曲梁集能器(8、9、10、11)与两个压电促动器之间、两个压电促动器与支撑底座(2、3)之间、支撑底座(2、3)与安装台1之间、初调机构12与安装台1采用任何固定连接的方式均可。

屈曲梁11运动方向的刚度小于压电促动器伸缩方向的刚度，理论上压电促动器的刚度越大，对屈曲梁11的影响越小，屈曲梁11的运动更加规律，屈曲梁11的材料、长度、厚度、宽度对本发明没有实质性的影响，可根据刚度需要选择合适的材料与尺寸。压电片(8、9)的尺寸、数量、是否对称对本发明没有影响，可根据管理单元的功耗选择。质量块10位于屈曲梁11的中间位置，质量块10的安装方向、大小没有特殊的限制，其质量大小影响屈曲梁11的固有频率，可根据需要调整质量大小。本发明的发明点在于屈曲梁11的刚度小于压电促动器的刚度，压电促动器的轴向位移可通过集能器自身产生的能量实现自调节使屈曲梁11的屈曲水平发生变化(本例所用控制方法如图3所示)，同时也改变了屈曲梁的固有频率使屈曲梁始终趋近于产生共振，或者使屈曲梁由单稳态向双稳态跃迁，收集到更多的能量。本例中两个压电促动器对称设计，并联连接，使屈曲梁11的屈曲水平更容易被调节，压电促动器安装在凹槽内是为了保护压电促动器，本发明不局限于此种安装方法，可根据实际需要重新设计，本例的压电促动器4受正电压时收缩，梁屈曲水平减小，受负电压时梁屈曲增加，屈曲梁的屈曲水平与驱动电压的关系如图4所示，本发明不局限于此种类型的压电促动器。

本发明的工作原理为：安装时，支撑底座3固定，支撑底座2松弛，屈曲梁自然伸展，根据外界激励频率的范围，旋转初调机构的调节螺钉使屈曲梁11产生屈曲，尽可能使屈曲梁的固有频率在激励频率范围内，然后固定好支撑底座2，此时屈曲梁11就有一个初始屈曲，初调完成后可拆下初调机构。初始状态时，在外界激励作用下，屈曲梁发生振动，并通过集能-储能单元收集储存主压电元件8和压电促动器4所产生的能量，所储存的能量达到一定值后，管理单元根据设定的屈曲梁11的屈曲水平得到其固有频率与所测得的外界激励频率相比较：若屈曲梁11发生共振或双稳态振动，则管理单元不输出驱动电压，压电促动器4作为集能器向集能-储能单元输出能量；若屈曲梁11的固有频率大于激励频率，此时压电促动器4停止向集能-储能单元输出能量，管理单元连续输出正电压增量驱动促动器使屈曲梁的屈曲水平减小，同时固有频率减小，直到屈曲梁11的固有频率与激励频率一致并发生共振或双稳态振动，此时不再输出驱动电压，当外界激励再次变化时，驱动电压随之改变；若屈曲梁11的固有频率小于激励频率，此时压电促动器4停止向集能-储能单元输出能量，管理单元连续输出负电压增量驱动促动器使屈曲梁11的屈曲水平增大，同时固有频率增加，直到屈曲梁11的固有频率与激励频率一致并发生共振或双稳态振动，此时不再输出驱动电压，当外界激励再次变化时，驱动电压随之改变并再次使屈曲梁11的固有频率与激励频率相匹配(如图5所示)。最终屈曲梁11的固有频率与激励频率相匹配，始终产生共振或双稳态，能量采集效率更高。当屈曲梁11处于共振状态且未产生双稳态、屈曲水平较大时，管理单元可获取屈曲梁11的位移峰值，并控制驱动电路的驱动电压在位移峰值处瞬间归零，屈曲梁的屈曲瞬间回到初始状态，此时屈曲梁11获得一个较高的加速度，使其产生双稳态现象，如图6所示。当激励频率变化导致双稳态结束后，屈曲梁又重复上述过程，这样屈曲梁集能器就实现了屈曲自调节并更容易发生双稳态，采集到更多的能量，大幅度提高了所收集到的能量。

本发明所提出的一种屈曲自调节的压电能量回收装置能够自动实现屈曲梁的固有频率与外界激励频率相匹配，并在某些条件下产生双稳态现象，根据屈曲梁的刚度低于压电促动器的刚度，压电促动器在驱动电压的作用下，使屈曲梁的固有频率发生连续改变或瞬间突变的原理，即在外界激励作用下，若屈曲梁不发生共振或双稳态振动，此时压电促动器通过装置的储能单元和管理单元使屈曲梁的固有频率逐渐靠近激励频率，最终发生共振或产生双稳态现象。这样屈曲梁集能器不需要外界干预自动调节自身的运动状态并且保持着较高的能量收集效率。该装置结构简单、可靠，运用于振动能量回收时，由于屈曲自调节不需要消耗额外电能，且屈曲梁集能器能在不同的激励条件下产生共振或双稳态，因此其能量回收效率高于普通屈曲梁能量收集装置，所采集到的电能可储存或给无线传感器等元件供电。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。