一种非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器

1.本发明涉及发电技术领域，特别是涉及一种非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器。


背景技术：

2.压电振动能量采集器是利用压电陶瓷的正压电效应将环境中的振动能量采集并转换成电能的新型微能源器件，可以为低功耗电子产品提供电能。
3.多稳态压电振动能量采集器具有多个对称势能阱，可以在较宽的工作频带内产生较高的能量转换输出，被认为是最可能代替电池为低功耗电子产品持续自供电的关键器件。但是，这种具有对称势能阱的多稳态压电振动能量采集器对环境振动强度要求高；当环境振动强度足够大时，多稳态振动被激发产生大幅值的阱间振动和转换输出；当环境振动强度较小时，多稳态压电振动能量采集器做势能阱内的小幅值单稳态振动，这使压电振动能量采集器的输出大大降低。然而，环境振动能量往往比较微弱，不足以激发多稳态压电振动能量采集器产生大幅值阱间振动。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器，以解决现有的对称势能阱型多稳态压电振动能量采集器输出性能严重依赖外部环境中的振动强度，导致能量采集输出能力低的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器，包括：双晶线性振荡器、磁铁-弹簧振荡器和基座；
7.所述双晶线性振荡器包括磁铁a、金属弹性梁、第一压电片、第二压电片和外部负载电阻；
8.所述金属弹性梁的一端连接所述磁铁a，所述金属弹性梁的另一端连接激振源；
9.所述第一压电片和所述第二压电片分别贴附于所述金属弹性梁上与所述激振源连接的一端；所述第一压电片和所述第二压电片相对设于所述金属弹性梁的两侧；
10.所述第一压电片未贴附所述金属弹性梁的一端通过导线与所述外部负载电阻的一端连接；所述第二压电片未贴附所述金属弹性梁的一端通过导线与所述外部负载电阻的另一端连接；
11.所述磁铁-弹簧振荡器包括磁铁b、磁铁c、磁铁d、滚道；
12.所述磁铁b设于所述滚道上，且所述磁铁b与所述磁铁a处于同一垂直平面上；
13.所述磁铁c和所述磁铁d分别设于所述磁铁b的两端；所述磁铁c和所述磁铁d分别通过轴承连接于所述滚道上；所述磁铁c和所述磁铁d分别通过水平弹簧连接于所述滚道两侧的挡板上；
14.所述滚道的下端通过两个垂直弹簧连接于所述基座上。
15.可选的，所述磁铁c和所述磁铁d分别与所述磁铁b间隔等距离。
16.可选的，所述磁铁a、所述磁铁b、所述磁铁c和所述磁铁d的对极极化方向相同、尺寸相同、磁化强度相同。
17.可选的，所述金属弹性梁垂直状态下，所述磁铁b位于所述磁铁a正下方且与所述磁铁a间距预设距离值；
18.可选的，所述第一压电片和所述第二压电片的大小相等且极化方向相反；所述第一压电片和所述第二压电片平行设置。
19.可选的，所述磁铁c与对应的所述滚道挡板之间的水平弹簧记为第一水平弹簧；所述磁铁d与对应的所述滚道挡板之间的水平弹簧记为第二水平弹簧；所述第一水平弹簧和所述第二水平弹簧的刚度相同且初始压缩量相同。
20.可选的，所述滚道的下端与所述基座之间设置的两个所述垂直弹簧的刚度相同且初始压缩量相同。
21.可选的，所述磁铁c与所述滚道之间的所述轴承和所述磁铁d与所述滚道之间的所述轴承结构尺寸相同且与所述滚道之间的滚动摩擦系数相同。
22.可选的，所述金属弹性梁向所述磁铁c所在方向运动时，所述第一水平弹簧的水平压缩量小于所述第二水平弹簧的水平压缩量；所述金属弹性梁向所述磁铁d所在方向运动时，所述第一水平弹簧的水平压缩量大于所述第二水平弹簧的水平压缩量；所述金属弹性梁在垂直位置范围内振动时，所述第一水平弹簧的水平压缩量等于所述第二水平弹簧的水平压缩量。
23.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
24.本发明提供一种非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器，包括：压电双晶线性振荡器、磁铁-弹簧振荡器和基座；压电双晶线性振荡器和磁铁-弹簧振荡器设置在基座内；压电双晶线性振荡器包括金属弹性梁、第一压电片、第二压电片、磁铁a和外部负载电阻。磁铁-弹簧振荡器包括第一垂直弹簧、第二垂直弹簧、磁铁b、磁铁c、磁铁d、第一水平弹簧、第二水平弹簧、滚道、第一轴承和第二轴承；压电双晶线性振荡器和磁铁-弹簧振荡器构成非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器。压电双晶线性振荡器受所述磁铁-弹簧振荡器的非线性排斥力作用产生非对称时变的势能阱，使所述的非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器在较低的环境激振作用下产生宽频、大幅值的阱间振动，具有能量采集输出能力高和工作频带宽的特点。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例1提供的非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器的结构图；
27.图2为本发明实施例1提供的非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器向右边振动过程中的非对称势能阱图；
28.图3为本发明实施例1提供的非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器向左边振动过程中的非对称势能阱图；
29.图4为本发明实施例1提供的非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器在垂直中心位置附近振动过程中的对称势能阱图。
30.附图标记：
31.1-压电双晶线性振荡器、2-磁铁-弹簧振荡器、3-基座、1.1-金属弹性梁、1.2-第一压电片、1.3-第二压电片、1.4-外部负载电阻、1.5-磁铁a、1.6-第一导线、1.7-第二导线、2.1-第一垂直弹簧、2.2-第二垂直弹簧、2.3-滚道、2.4-第一水平弹簧、2.5-第二水平弹簧、2.6-磁铁b、2.7-磁铁c、2.8-磁铁d、2.9-第一轴承、2.10-第二轴承。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.本发明的目的是提供一种非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器，以解决现有的对称势能阱型多稳态压电振动能量采集器输出性能严重依赖外部环境中的振动强度，导致能量采集输出能力低的问题。
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
35.实施例1
36.如图1所示，本实施例提供一种非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器，包括：双晶线性振荡器、磁铁-弹簧振荡器2和基座3。
37.所述双晶线性振荡器包括磁铁a1.5、金属弹性梁1.1、第一压电片1.2、第二压电片1.3和外部负载电阻1.4。
38.所述金属弹性梁1.1的一端连接所述磁铁a1.5，所述金属弹性梁1.1的另一端连接激振源。
39.所述第一压电片1.2和所述第二压电片1.3分别贴附于所述金属弹性梁1.1上与所述激振源连接的一端；所述第一压电片1.2和所述第二压电片1.3相对设于所述金属弹性梁1.1的两侧。
40.所述第一压电片1.2未贴附所述金属弹性梁1.1的一端通过导线(图1中的第一导线1.6)与所述外部负载电阻1.4的一端连接；所述第二压电片1.3未贴附所述金属弹性梁1.1的一端通过导线(图1中的第二导线1.7)与所述外部负载电阻1.4的另一端连接。
41.所述第一压电片1.2和所述第二压电片1.3的大小相等(包括厚度相等)且极化方向相反；所述第一压电片1.2和所述第二压电片1.3平行设置，即第一压电片1.2和第二压电片1.3正对平行通过高强度环氧胶粘结于金属弹性梁1.1根部的两侧。
42.所述磁铁-弹簧振荡器2包括磁铁b2.6、磁铁c2.7、磁铁d2.8、滚道2.3。所述磁铁b2.6设于所述滚道2.3上，且所述磁铁b2.6与所述磁铁a1.5处于同一垂直平面上。滚道2.3可以选用3d打印滚道，也可以根据实际需求选择适合的滚道。3d打印滚道表面经过机械抛
光和润滑，以便减小与第一轴承2.9和第二轴承2.10之间的摩擦。3d打印滚道由pla材料3d打印而成。
43.对于磁铁a1.5和磁铁b2.6的相对位置的设定，可以要求在所述金属弹性梁1.1垂直状态下，所述磁铁b2.6位于所述磁铁a1.5正下方且与所述磁铁a1.5间距预设距离值。
44.对第一压电片1.2、第二压电片1.3、磁铁a1.5、磁铁b2.6、磁铁c2.4、磁铁d2.8、水平弹簧和垂直弹簧做进一步限定是为了保证产生非对称时变的势能阱，提升采集器的输出性能。
45.所述磁铁c2.7和所述磁铁d2.8分别与所述磁铁b2.6间隔等距离。
46.为了实现更好的振动效果，可以要求所述磁铁a1.5、所述磁铁b2.6、所述磁铁c2.7和所述磁铁d2.8的对极极化方向相同、尺寸相同、磁化强度相同，可选的，所有磁铁可均为长方体形；所述磁铁a1.5、所述磁铁b2.6、所述磁铁c2.7和所述磁铁d2.8采用磁场排斥效应布置形式。
47.所述磁铁c2.7和所述磁铁d2.8分别设于所述磁铁b2.6的两端；所述磁铁c2.7和所述磁铁d2.8分别通过轴承连接于所述滚道2.3上；所述磁铁c2.7和所述磁铁d2.8分别通过水平弹簧连接于所述滚道2.3两侧的挡板上。
48.所述磁铁a1.5与所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8之间的水平间距和垂直间距可以随所述压电双晶线性振荡器1的运动状态实时改变。所述磁铁a1.5受到所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8的非线性磁力排斥作用产生非对称、时变的势能阱。
49.所述磁铁c2.7与对应的所述滚道2.3挡板之间的水平弹簧记为第一水平弹簧2.4；所述磁铁d2.8与对应的所述滚道2.3挡板之间的水平弹簧记为第二水平弹簧2.5；为了更好实现水平方向的振动效果，要求所述第一水平弹簧2.4和所述第二水平弹簧2.5的刚度相同且初始压缩量相同。所述第一水平弹簧2.4与所述第二水平弹簧2.5可在水平方向产生拉伸和压缩变形。
50.所述金属弹性梁1.1向所述磁铁c2.7所在方向运动时，所述第一水平弹簧2.4的水平压缩量小于所述第二水平弹簧2.5的水平压缩量；所述金属弹性梁1.1向所述磁铁d2.8所在方向运动时，所述第一水平弹簧2.4的水平压缩量大于所述第二水平弹簧2.5的水平压缩量；所述金属弹性梁1.1在垂直位置范围内振动时，所述第一水平弹簧2.4的水平压缩量等于所述第二水平弹簧2.5的水平压缩量。
51.所述磁铁c2.7与所述滚道2.3之间的所述轴承和所述磁铁d2.8与所述滚道2.3之间的所述轴承结构尺寸相同且与所述滚道2.3之间的滚动摩擦系数相同。
52.所述滚道2.3的下端通过两个垂直弹簧连接于所述基座3上。即滚道2.3安装在第一垂直弹簧2.1和第二垂直弹簧2.2的顶端；第一垂直弹簧2.1和第二垂直弹簧2.2的底端平行安装固定于基座3上。同样的为了实现垂直方向的振动效果，要求所述滚道2.3的下端与所述基座3之间设置的所述垂直弹簧的刚度相同且初始压缩量相同。所述第一垂直弹簧2.1与所述第二垂直弹簧2.2可在垂直方向产生拉伸和压缩变形。
53.所述压电双晶线性振荡器1和所述磁铁-弹簧振荡器2共同组成非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器。
54.下面详细介绍多稳态压电振动能量采集器的振动能量采集原理：
55.如图2所示，当所述压电双晶线性振荡器1受到外部环境水平激振后向右边振动
(右边指图中磁铁d2.8所在方向)到最大位移过程中，所述磁铁a1.5也向右边振动；所述磁铁a1.5与所述磁铁c2.7的水平间距增大，所述磁铁c2.7受所述磁铁a1.5的水平向左的排斥力，第一水平弹簧2.4受排斥力的作用向左压缩，带动所述第一轴承2.9和所述磁铁c2.7在所述3d打印滚道上左移；所述磁铁a1.5与所述磁铁d2.8的水平间距减小，所述磁铁d2.8受所述磁铁a1.5的水平向右的排斥力，所述第二水平弹簧2.5受排斥力的作用向右压缩，带动所述第二轴承2.10和所述磁铁d2.8右移；所述磁铁a1.5与所述磁铁b2.6的水平间距增大，所述磁铁b2.6受所述磁铁a1.5的水平向左的排斥力；相同地，所述磁铁a1.5同时受到所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8(2.8)的反向排斥力作用，产生非对称、变化的势能阱；由于所述磁铁a1.5受到所述磁铁c2.7的排斥力小于受到所述磁铁d2.8的排斥力，右边势能阱的深度大于左边势能阱的深度。
56.如图3所示，当所述压电双晶线性振荡器1受到外部环境水平激振后向左边振动(左边指图中磁铁b2.6所在方向)到最大位移过程中，所述磁铁a1.5也向左边振动；所述磁铁a1.5与所述磁铁c2.7的水平间距减小，所述磁铁c2.7受所述磁铁a1.5的水平向左的排斥力，第一水平弹簧2.4受排斥力的作用向左压缩，带动所述第一轴承2.9和所述磁铁c2.7左移；所述磁铁a1.5与所述磁铁d2.8的水平间距增大，所述磁铁d2.8受所述磁铁a1.5的水平向右的排斥力，所述第二水平弹簧2.5受排斥力的作用向右压缩，带动所述第二轴承2.10和所述磁铁d2.8右移；所述磁铁a1.5与所述磁铁b2.6的水平间距增大，所述磁铁b2.6受所述磁铁a1.5的排斥力增大；相同地，所述磁铁a1.5同时受到所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8的反向排斥力作用，产生非对称、变化的势能阱；由于所述磁铁a1.5受到所述磁铁c2.7的排斥力大于受到所述磁铁d2.8的排斥力，左边势能阱的深度大于右边势能阱的深度。
57.如图4所示，当所述压电双晶线性振荡器1受到外部环境水平激振后位于垂直位置中心振动时，所述磁铁c2.7和磁铁d2.8受到所述磁铁a1.5的排斥力相同，所述磁铁c2.7与所述磁铁a1.5之间的水平间距与所述磁铁d2.8与所述磁铁a1.5之间的水平间距相同；所述第一水平弹簧2.4与所述第二水平弹簧2.5的压缩量相等，所述磁铁a1.5产生对称的势能阱，左边势能阱的深度等于右边势能阱的深度。
58.当所述压电双晶线性振荡器1受到外部环境水平激励时，所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8同时受到所述磁铁a1.5垂直方向的排斥力作用，所述第一垂直弹簧2.1和所述第二垂直弹簧2.2受排斥力的作用向下被压缩，使得所述磁铁-弹簧振荡器2产生向下的振动位移，所述磁铁a1.5与所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8之间的垂直间距增大，所述磁铁a1.5受到所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8的排斥力减小，所述磁铁a1.5产生的势能阱深度减小，压电双晶线性振荡器1可以在较小的环境激励作用下进入大幅值的阱间振动，提高能量采集与转换输出能力。
59.进一步的，当所述压电双晶线性振荡器1受到外部环境垂直激励时，所述第一垂直弹簧2.1和所述第二垂直弹簧2.2在垂直方向产生上下拉伸与压缩运动，带动所述3d打印滚道、所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8同时作垂直方向的上下往复振动；所述磁铁a1.5与所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8之间的垂直间距实时改变，所述磁铁a1.5受到所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8的排斥力，产生水平方向的振动，导致所述压电双晶线性振荡器1弯曲变形，所述第一压电片1.2和所述第二压电片1.3因弯曲变形产生感应电荷，从而实现垂直方向振动能量的采集与转换。
60.非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器的势能阱深度和宽度的调节主要通过所述第一水平弹簧2.4、第二水平弹簧2.5、第一垂直弹簧2.1和第二垂直弹簧2.2的拉伸与压缩变形控制的；所述第一水平弹簧2.4和第二水平弹簧2.5的拉伸与压缩变形控制势能阱的宽度；所述第一垂直弹簧2.1和第二垂直弹簧2.2的拉伸与压缩变形控制势能阱的深度；所述第一水平弹簧2.4、第二水平弹簧2.5、第一垂直弹簧2.1和第二垂直弹簧2.2的拉伸与压缩变形组合控制使得所述磁铁a1.5与所述磁铁b2.6、磁铁c2.7和磁铁d2.8之间的水平间距和垂直间距实时发生改变，从而产生非对称、时变的多稳态势能阱。
61.所述压电双晶线性振荡器1具备双向振动能量采集与转换的功能，可以同时采集器水平方向和垂直方向的振动能量。
62.非对称变势能阱型多稳态压电振动能量采集器势能阱的稳态点数量主要由所述磁铁-弹簧振荡器2的磁铁数目决定；所述磁铁-弹簧振荡器2的磁铁数目为3，则采集器稳态点数量为4。
63.本实施例中，通过将所述压电双晶线性振荡器1与所述磁铁-弹簧振荡器2复合构成非对称变势能阱多稳态压电振动能量采集器，可以使所述压电双晶线性振荡器1与所述磁铁-弹簧振荡器2同时参与在振动激励下产生多个非对称时变的势能阱，实现宽频范围内振动能量的高效采集、转换与输出，即所述压电双晶线性振荡器1在所述磁铁-弹簧振荡器2的耦合作用可以在较低的激励强度下作宽频、高效的大幅值阱间振动能量采集与输出。
64.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。