[發(fā)明專利]振幅放大疊加振動(dòng)能量采集裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611024248.7
• 申請(qǐng)日: 2016-11-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106712575B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-05-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張文明;鄒鴻翔;魏克湘;孟光
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/18
• 分類號(hào): H02N2/18
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種振幅放大疊加振動(dòng)能量采集裝置，包括：兩個(gè)設(shè)置于基座上的振動(dòng)組件以及檢測(cè)電路，其中：第一振動(dòng)組件一端與基座彈性連接且中部設(shè)置于基座上，第二振動(dòng)組件與基座固定連接且正對(duì)第一振動(dòng)組件的另一端，檢測(cè)電路與該第一振動(dòng)組件的另一端相連。本發(fā)明克服了現(xiàn)有壓電振動(dòng)能量采集裝置應(yīng)用頻域窄、能量密度低的問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種微電子領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種振幅放大疊加振動(dòng)能量采集裝置。

背景技術(shù)

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微電子器件工作需要的能源更少,這使得采集自然環(huán)境下的能量為微電子器件供電成為可能。采集自然環(huán)境下的能量為微電子器件供電，不僅節(jié)能，而且不依賴外部電源更加便捷可靠，尤其在一些不方便進(jìn)行外部供電或更換電池的工作環(huán)境中更是如此。機(jī)械振動(dòng)是最普遍的可以采集的能量。目前振動(dòng)能量采集技術(shù)主要分為三種類型：(1)利用電磁換能裝置將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的電磁式；(2)利用靜電發(fā)生器將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的靜電式；(3)利用壓電材料的壓電效應(yīng)將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的壓電式。通過(guò)比較壓電式、電磁式和靜電式等俘能方法的能量密度，發(fā)現(xiàn)壓電式具有更大的功率密度。而且，壓電式能量采集裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于系統(tǒng)模塊化、集成化和微型化，有利應(yīng)用于工程實(shí)踐。但是，壓電振動(dòng)能量采集面臨的兩個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題是比較窄的工作頻帶和比較低的能量密度。

能量采集裝置的工作頻率與其自然頻率匹配可以產(chǎn)生共振以獲得最大的能量輸出。為此，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多結(jié)構(gòu)。因?yàn)樽匀画h(huán)境下振動(dòng)頻率一般較低，很多研究者通過(guò)降低振動(dòng)壓電能量采集裝置的固有頻率以使之更容易在自然環(huán)境下共振從而提高俘能效率，設(shè)計(jì)了基于彈簧的振動(dòng)能量采集結(jié)構(gòu)、基于高分子聚合物的振動(dòng)能量采集結(jié)構(gòu)等。很多研究者設(shè)計(jì)了懸臂壓電梁陣列的能量采集裝置等，以匹配不同的環(huán)境頻率。很多研究者設(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)頻的振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，通過(guò)主動(dòng)控制改變裝置的自然頻率以匹配工作頻率。由于非線性系統(tǒng)具有更寬的頻域響應(yīng)，所以很多研究者提出要充分利用振動(dòng)能量采集裝置的非線性用于寬頻的能量采集。其中尤其是雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)，通過(guò)突跳產(chǎn)生大的變形可以顯著提高能量輸出。

盡管如此，這些振動(dòng)能量采集裝置適用的頻域也很有限，而且這些寬頻振動(dòng)能量采集裝置都是利用d31模式發(fā)電，并不能顯著提高能量密度，而具有更高等效壓電系數(shù)的伸張結(jié)構(gòu)式壓電單元并不能在微弱振動(dòng)環(huán)境中使用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種振幅放大疊加振動(dòng)能量采集裝置，克服了現(xiàn)有壓電振動(dòng)能量采集裝置應(yīng)用頻域窄、能量密度低的問(wèn)題。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：兩個(gè)設(shè)置于基座上的振動(dòng)組件以及檢測(cè)電路，其中：第一振動(dòng)組件一端與基座彈性連接且中部設(shè)置于基座上，第二振動(dòng)組件與基座固定連接且正對(duì)第一振動(dòng)組件的另一端，檢測(cè)電路與該第一振動(dòng)組件的另一端相連。

所述的第一振動(dòng)組件包括：彈簧和質(zhì)量塊組成的單自由度彈簧振子、剛性梁、伸張結(jié)構(gòu)式壓電單元，其中：質(zhì)量塊通過(guò)第一軸與剛性梁連接，剛性梁通過(guò)第二軸與支撐座連接組成杠桿機(jī)構(gòu)，帶有第一永磁鐵的伸張結(jié)構(gòu)式壓電單元設(shè)置于剛性梁的末端。

所述的第二振動(dòng)組件包括：懸臂彈性梁以及設(shè)置于懸臂彈性梁末端的第二永磁鐵，其中：第一永磁鐵與第二永磁鐵的磁極相對(duì)，伸張結(jié)構(gòu)式壓電單元與檢測(cè)電路相連接。

技術(shù)效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)新穎、簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，通過(guò)第一振動(dòng)組件的杠桿機(jī)構(gòu)放大受迫振動(dòng)的振幅，并與第二振動(dòng)組件的受迫振動(dòng)疊加，從而增加懸臂梁末端固定的磁鐵與伸展結(jié)構(gòu)式壓電單元固定的磁鐵的相對(duì)位移，而且磁力作用使系統(tǒng)成為雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)，這些優(yōu)點(diǎn)使之可以具有更寬的工作頻寬；尤其，通過(guò)這種方式使得在微弱振動(dòng)環(huán)境下可以采用伸張結(jié)構(gòu)式壓電單元，壓電系數(shù)可以被放大100倍以上，能量俘獲密度更高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；