一种用于振动能量回收的压电振荡器结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能量回收装置，尤其涉及一种基于压电材料的能量回收结构，属于振动能量收集领域，适用于多方向、低频、宽频或冲击振动能量收集。
[0002]
【背景技术】
[0003]随着传感器、微处理器、无线通信等技术的飞速发展，无线传感器网络亦获得了迅猛发展。它能够直接获悉客观世界的物理信息，通过网络传输将它们与远程控制终端联系在一起，为人们提供了最直接、最有效、最真实的客观信息。然而，独立供电技术作为无线传感器网络的基础技术之一，时至今日仍然严重制约了其进一步应用。目前绝大多数网络节点仍使用电池供电技术，一旦节点数量巨大，或者布置在人员不方便接触的场合，定期更换电池的后期维护费用将十分昂贵。另外，淘汰下来的废旧电池也给环境带来了严重的负担。
[0004]基于上述原因，回收环境中的能量并用于替代传统的电池供电技术，正吸引着大批学者的注意。一般而言，无线传感器节点的平均功耗极低，外界环境中存在多种类型的能量可以满足节点的正常工作消耗，如太阳能、振动能、风能等等。其中振动能量具有无处不在并时时刻刻存在的优点，获得了国内外学者不少地关注。将振动能转化成电能目前主要有电磁式、静电式、压电式等几种转换原理。本发明涉及的是压电式振动能量收集，主要考虑的是压电材料具有较高的能量密度，便于和振荡结构集成，利于微型化等优点。
[0005]压电式振动能量收集装置主要包括带压电材料的机电耦合发电器(即压电耦合结构)，电荷提取电路又称接口电路，以及电能存储、稳压电路。其中机电耦合发电器是整个装置的关键部件，基本决定了装置的最大能量转换效率。粘贴有压电元件的悬臂梁结构是一典型的机电耦合发电器，当外界激振频率和该悬臂梁的共振频率一致时，悬臂梁将产生极大的振幅，进而使压电元件产生较高的交流电压。然而在实际应用中，外界激振频率经常是随机变化的，一旦激振频率偏离悬臂梁结构的共振频率，耦合结构产生的电能将急剧降低。因此，很多学者在悬臂梁发电器结构的基础上提出了许多改进型的装置。例如清华大学的吴晓明(Wu Xiaoming音译)等人提出了一种悬臂梁共振频率可调节的能量回收结构:悬臂梁末端质量块上固定有一轴向可调的粗螺栓，通过调节螺栓在梁轴向的位置，改变质量块的重心位置，进而改变了悬臂梁的等效梁长，最终改变了结构的共振频率，使之与激振频率匹配。但这种方法需要手动调节，目前为止，实用性还不强。还比如上海交通大学的刘金全(Liu Jingquan音译)等人将各种不同参数的压电悬臂梁结构集成在一个基础结构上面，悬臂梁的共振频率依次错开，确保了整个发电器在一个较宽的频带范围内，均有较高的电压输出。但该结构的能量密度显然偏小，另外由于输出电压存在相位差，后续接口电路将十分复杂。非线性耦合发电器结构的提出，从理论上解决了上述两个方法存在的缺点。典型的非线性结构是一压电悬臂梁末端带有永磁体质量块，同时末端附近的基础结构上还布置有固定的永磁体，悬臂梁结构在振动时，周围磁场在悬臂梁末端附加了一非线性的“弹性”力，使得结构出现硬化(harding)，软化(softing)，或双稳态现象。国内外许多学者对此类结构，进行了深入的研宄，理论建模和相关实验研宄均获得了很好的预期结果。设计非线性机电耦合结构来回收宽、低频振动能量也成为了学术界主流的研宄趋势。
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【发明内容】
[0007]技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种基于实用化的机电耦合发电器结构的压电振荡器结构，用于压电能量回收，能够用于宽、低频以及冲击载荷的环境振动能量回收，或通过简单变化，能够用于多方向上的环境振动能量回收。
[0008]技术方案
为了解决上述的技术问题，本发明的用于振动能量回收的压电振荡器结构包括结构基础和固定在所述结构基础上的压电机电耦合发电单元，所述的压电机电耦合发电单元包括至少一对压电机电親合发电器，其中，第一机电親合发电器包括第一变截面梁、第一永磁体质量块和设置在第一变截面梁表面的第一压电元件，所述的第一永磁体质量块固定在第一变截面梁自由端，第一变截面梁根部固定在所述的结构基础上，第一变截面梁自由端厚度小于根部厚度；第二机电耦合发电器包括第二变截面梁、第二永磁体质量块和设置在第二变截面梁表面的第二压电元件，所述的第二永磁体质量块固定在第二变截面梁自由端，第二变截面根部梁固定在所述的结构基础上，第二变截面梁自由端端厚度小于其根部的厚度；所述的第一永磁体质量块和第二永磁体质量块相对布置，相对面之间具有间隙且极性相同。其中，第一压电元件和第二压电元件用于回收宽、低频振动能量。
[0009]更进一步地，本发明的压电振荡器结构还包括一个由不导磁材料制成的限幅结构，其刚度系数较大；其朝向压电机电耦合发电单元的表面设置有第三压电元件。所述的限幅结构不仅能够保护内部变截面悬臂梁结构由于振幅过大而损坏，还能够有效地回收冲击振动能量。其中，所述的第三压电元件用于回收冲击振动能量。当永磁体质量块撞击限幅结构时，除了部分能量会以声音、热等形式耗散掉，大部分冲击能量还是留在了变截面梁和限幅结构内部。碰撞结束后，限幅结构会在其一阶共振频率处做有阻尼的自由振荡，同时因为其刚度系数较大，一阶振荡频率会比较高。该设计巧妙地将实际应用中难以收集的低频大冲击振动能量转化成了较易收集的高频振动能量。限幅结构的另一作用是当内部悬臂梁振幅过大时，限幅结构额外给其增加了一段弹性恢复力，额外的弹性恢复力能够进一步拓宽内部悬臂梁结构的工作频带。
[0010]更进一步地，本发明的技术方案中，第一变截面梁、第二变截面梁和结构基础都是由不导磁材料制成。
[0011 ] 更进一步地，所述的第一永磁体质量块和第二永磁体质量块具有不同的质量，所述的第一变截面梁和第二变截面梁轴向长度不同，即所述的两个变截面梁作为一组非对称结构固定在同一结构基础上；在结构设计时，两个变截面梁的共振频率接近但相互错开，确保外界激振频率在这两个共振频率之间变化时，整个装置均能有较高的电压输出。另外，永磁体之间产生的是排斥力，这样在悬臂梁的振动过程中，排斥力的变化是非线性的，由于排斥力不会消耗能量，可以将其等效成结构中的“弹性”力。如果结构设计得当，本装置会出现两个势能最低点，不考虑重力作用的影响，当变截面梁没有发生弯曲应变时，变截面梁结构处于受力平衡状态，但永磁体质量块之间存在的排斥力，给整个机电耦合装置额外增加了部分势能。此类结构就是典型的双稳态结构，当外界加速度比较大的时候，变截面梁末端的质量块很容易在两个势能最低点之间来回切换，进而增大了振幅，提高了压电元件的输出电压。
[0012]更进一步地，本发明技术方案采用的永磁体质量块相较于整个能量回收装置，应尽可能的大，这样可以有效地降低变截面梁结构的共振频率，增大结构在相同振幅下的应变，提高装置的能量密度。另外，磁体之间的互斥力也能进一步降低结构共振频率，提高结构的低频振动能量回收效率。
[0013]更进一步地，所述第一变截面梁、第二变截面梁的中性面可以呈任意夹角布置，此时整个发电装置可以收集二维平面内多个方向的振动能量。
[0014]有益效果
本发明的用于振动能量回收的压电振荡器结构具有以下有益效果:
(1)增加了限幅结构用于回收冲击振动能量，并能够保护内部的悬臂梁结构不会因为振幅过大而损坏，提尚了振动能量回收效率；
(2)第一、第二变截面梁是非对称结构。在确保其中性线(即悬臂梁中性面的对称线)处于同一条直线上后，梁的中性面可以呈任意角度设计。此时两个变截面梁的振动方向将不再一致，整个发电器结构因此能回收垂直于中性线的二维平面内的多方向上振动能量；
(3)各变截面梁为非对称非线性悬臂梁结构，成对布置，远比通过单个增加悬臂梁结构来增加工作频带要有效得多；<