[發(fā)明專利]基于碰撞機理的寬頻多維能量采集器

有效

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• 申請日: 2013-11-01
• 公開（公告）號: CN103532434A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊進;余強模;文玉梅;李平;岳喜海
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務(wù)所 50215
• 代理人: 侯懋琪;侯春樂

技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明涉及一種能量采集器，尤其涉及一種基于碰撞機理的寬頻多維能量采集器。

背景技術(shù)

振動能量是環(huán)境中普遍存在的能源，包括人為的（如汽車、各種機械的振動等）和自然存在的振動（如風致振動等）；隨著微功率電子產(chǎn)品及微型無線傳感技術(shù)的發(fā)展，如何有效地將環(huán)境中的振動能量轉(zhuǎn)化為電能以滿足微型器件自供能需求，得到了廣泛的關(guān)注和研究。

現(xiàn)有的振動能量采集方式主要有三種，靜電式(electrostatic)、電磁式(electromagnetic)和壓電式(piezoelectric）；其中，由于壓電振動能量采集裝置具有結(jié)構(gòu)簡單,?不發(fā)熱,?無電磁干擾,?無污染,易于加工制作和實現(xiàn)機構(gòu)的微小化等諸多優(yōu)點而備受關(guān)注。

現(xiàn)有的壓電振動能量采集裝置普遍存在頻帶較窄、能量回收方向單一的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

針對背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出了一種基于碰撞機理的寬頻多維能量采集器，其結(jié)構(gòu)為：所述能量采集器由底座、彈簧、撞擊質(zhì)量塊、多個豎向懸臂梁、多個增幅質(zhì)量塊、支撐柱、橫向懸臂梁和多個壓電片組成；

所述彈簧一端與底座連接，彈簧另一端與撞擊質(zhì)量塊連接，靜止狀態(tài)下，彈簧能自然挺立；

所述豎向懸臂梁的一端與底座連接，豎向懸臂梁的另一端形成自由端；豎向懸臂梁的軸向與靜止狀態(tài)下的彈簧互相平行；多個豎向懸臂梁沿彈簧固定位置處的周向分布；豎向懸臂梁與彈簧之間留有間隙；

所述支撐柱的一端與底座連接，支撐柱的另一端與橫向懸臂梁的一端連接，橫向懸臂梁的另一端延伸至撞擊質(zhì)量塊上方；

每個豎向懸臂梁上均粘貼有一壓電片；橫向懸臂梁上粘貼有一壓電片；

每個豎向懸臂梁的自由端均設(shè)置有一增幅質(zhì)量塊；橫向懸臂梁上設(shè)置有一增幅質(zhì)量塊。

前述方案的原理是：由豎向懸臂梁、增幅質(zhì)量塊和壓電片所組成的結(jié)構(gòu)體即形成一個能量采集單元；橫向懸臂梁、增幅質(zhì)量塊和壓電片也組成一能量采集單元；在外部振動作用下，彈簧就會晃動（撞擊質(zhì)量塊對彈簧的晃動幅度具有增幅作用），當彈簧的晃動幅度達到一定程度時，撞擊質(zhì)量塊就會與豎向懸臂梁或橫向懸臂梁發(fā)生碰撞，豎向懸臂梁或/和橫向懸臂梁就會在撞擊作用下出現(xiàn)彈性振動，在振動作用下，梁身就會發(fā)生彎曲形變，粘貼在梁身上的壓電片也會隨之發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電信號；由于彈簧被多個豎向懸臂梁和橫向懸臂梁所組成的多個能量采集單元所包圍，因此，無論彈簧向哪個方向運動，都能被能量采集單元采集到，使得能量采集裝置的能量回收方向具備多向性的特點；

彈簧和懸臂梁結(jié)構(gòu)的碰撞可等效為雙懸臂梁碰撞模型，頻率低的懸臂梁記為懸臂梁a（即由彈簧所形成的懸臂梁）,頻率高的懸臂梁記為懸臂梁b（即由豎向懸臂梁或橫向懸臂梁所形成的懸臂梁）；懸臂梁的固有頻率可通過調(diào)整質(zhì)量塊的質(zhì)量來進行調(diào)整）；若兩根懸臂梁在n個激勵周期中碰撞了p次則其碰撞振動形式為k=p/n型碰撞（簡稱k類型碰撞）；碰撞引起懸臂梁的彈性振動，彈性振動不僅影響系統(tǒng)的運動規(guī)律，而且影響撞擊力的變化，由于存在柔性效應(yīng)，撞擊力出現(xiàn)高階振蕩，同時這種k類型碰撞還存在以下特點：一、當外界環(huán)境激勵作用于懸臂梁a時，隨著激勵頻率的增加，碰撞類型會強烈的依賴于激勵幅值，其微弱的變化會引起碰撞類型的本質(zhì)變化，因此在碰撞過程中，可能存在多階頻率；二、當外界環(huán)境激勵頻率遠離頻率較低的懸臂梁a的第一階固有頻率時，受到微弱激勵的懸臂梁a經(jīng)過一短暫弱碰撞后會產(chǎn)生不穩(wěn)定運動，隨后很快與較高頻率的懸臂梁b同時鎖定到一強烈的穩(wěn)定振動，這一過程類似于“頻率鎖定”行為，是一種非線性共振現(xiàn)象；三、兩懸臂梁同時存在性質(zhì)相異的碰撞振動，如諧碰撞與混沌運動共存等等，由此可見碰撞導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)強非線性，由于該非線性的存在，使得懸臂梁較大形變能在較寬的外界激勵頻帶內(nèi)得到保持，從而使該能量采集器具有寬頻特性。

基于懸臂梁的振動特性，梁身的形變最大位置處靠近其固定端，故，優(yōu)選地，所述豎向懸臂梁上的壓電片設(shè)置于豎向懸臂梁上靠近底座的位置處；同理，所述橫向懸臂梁上的壓電片設(shè)置于橫向懸臂梁上靠近支撐柱的位置處。

為了橫向懸臂梁能更加有效地與撞擊質(zhì)量塊發(fā)生碰撞，優(yōu)選地，所述橫向懸臂梁上的增幅質(zhì)量塊位于靜止狀態(tài)下的彈簧正上方。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：本發(fā)明的能量采集器具備能量回收多向性的特點，同時還具備寬頻特性，能夠加有效地對外界振動能量進行采集，另外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，除了工作過程穩(wěn)定可靠外，還十分利于裝置的小型化。

附圖說明

圖1、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖一；