[實用新型]一種帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器

有效

• 申請號: 201320020661.1
• 申請日: 2013-01-11
• 公開（公告）號: CN203219211U
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 王光慶
• 申請（專利權）人: 浙江工商大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型屬于新能源和發電技術領域，具體涉及一種帶有彈性放大器的高效寬頻帶振動能量采集器，用于放大基座的振動位移的幅度，提高壓電振子的發電能量和轉換效率，實現高效、寬頻帶的能量采集與轉換。

背景技術

為解決小尺寸、低成本、低功耗的無線傳感器網絡節點和電子設備的自供電問題，減少廢棄電化學電池對環境的污染，基于壓電、靜電、磁電等原理的微能量采集技術已成為國內外研究的熱點。作為人類日常生活中一種特有的能量形式，振動能量采集由于其成本低、能量密度大等優勢受到廣泛的關注和研究。基于壓電轉換原理的振動能量采集器由于具有結構簡單、易于制作、易于小型化和集成化、且能量轉換密度高等優點，具有廣泛的應用前景，目前已逐步代替電化學電池用于無線傳感器網絡、結構在線健康檢測以及RFID等領域。

國內外有較多的專利申請涉及壓電振動能量采集器，典型的壓電能量采集器結構主要是懸臂梁式、圓盤式和疊堆式壓電振子，這些壓電振子結構的諧振頻帶比較窄，能量轉換效率不高。為提高壓電能量采集器的能量轉換效率、增加壓電能量采集器的有效頻帶寬度，目前出現了寬頻壓電振子構成能量采集器，如，中國發明專利200910195782.8提出了基于雙穩態升頻結構的MEMS寬頻壓電能量采集器，可實現較寬的環境振動頻率范圍內較大的輸出功率；中國發明專利201110109272.1提出了一種基于二自由度壓電振子的環境振動能量采集裝置，其振動機構由兩個上下平行固定于基座的單自由度懸臂梁結構和一根垂直連接振子質量塊的彈簧構成，兩振子的梁厚與質量塊重量均不同，形成一階與二階諧振頻率相鄰的寬頻諧振二自由系統。中國發明專利200810233113.0提出一種采用壓磁/壓電復合換能結構的振動壓電能量采集器，等等。通常僅當壓電振子諧振頻率與環境振動頻率一致時壓電能量采集器的發電能力和能量轉換效率達到最大，但事實上壓電振子的諧振頻帶通常比較窄，因此，直接利用壓電振子采集環境振動能量的效果并不顯著。正如上述實用新型專利所述，為提高壓電振子的諧振頻帶寬度常用的方法是改變傳統單懸臂梁壓電振子結構，采用復合壓電振子結構，如多懸臂梁壓電振子結構、L型壓電振子結構等，該方法雖在一定程度上可以拓寬能量采集器的諧振頻帶，但結構復雜；另外，當外界振動比較微弱時，復合壓電振子結構的能量采集和轉換能力并不顯著。可見，工作頻帶窄、能量采集和轉換效率低依然是現有壓電振動能量采集器的主要技術瓶頸。

實用新型內容

本實用新型公布一種帶有彈性放大機構的高效寬頻帶振動能量采集器，以解決現有壓電能量采集器工作頻帶窄、能量轉換效率低，特別是在外界振動比較微弱時發電能力低的問題。

本實用新型采用的實施方案是：所述的振動能量采集器振動能量采集器由殼體、彈性放大機構、懸臂梁壓電振子和彈簧-質量系統組成；所述的殼體由4塊輕質金屬板用螺釘固定在上端蓋、下端蓋之間形成一個四面體，所述的輕質金屬板設有用于固定懸臂梁壓電振子的U型連接座；所述的彈性放大機構由彈簧元件和阻尼元件組成，彈性放大機構通過螺釘固定在基座與殼體之間；所述的懸臂梁壓電振子是由上壓電陶瓷晶片、下壓電陶瓷晶片、金屬基板和磁鐵組成，金屬基板的頂部粘接有上壓電陶瓷晶片、底部粘接有下壓電陶瓷晶片，金屬基板的一端用螺釘固定在U型連接座上，另一端安裝有磁鐵；所述的彈簧-質量系統由拉簧、壓簧和質量塊構成，所述的拉簧的一端與上端蓋底面連接，所述的壓簧的一端與下端蓋頂面連接，所述的拉簧和壓簧的另一端分別與質量塊連接，所述質量塊的四周鑲嵌磁鐵；所述壓電振子端部的磁鐵與鑲嵌在質量塊四周的磁鐵的反性磁極相對安裝。

本實用新型實施方式中，固定于殼體金屬板連接座上的壓電振子的數量有4個，每個壓電振子由上壓電陶瓷晶片、下壓電陶瓷晶片金屬基板和磁鐵組成，金屬基板的頂部粘接有上壓電陶瓷晶片、底部粘接有下壓電陶瓷晶片；所述的上壓電陶瓷晶片與下壓電陶瓷晶片在電學上可以串聯連接，也可以是并聯連接。

本實用新型實施方式中，彈性放大機構的彈性元件的剛度和阻尼元件的阻尼系數均也可以改變，通過改變彈性元件的剛度和阻尼元件的阻尼系數使彈性放大機構、懸臂梁壓電振子與彈簧-質量形成一階與二階諧振頻率相鄰的寬頻諧振二自由度系統；此外，通過改變彈性元件的剛度和阻尼元件的阻尼可以放大基座的振動位移的幅度，使懸臂梁壓電振子的振動變形增大，從而提高能量采集器的轉換效率。