[發明專利]一種基于機械誘導的寬頻俘能器

在審

• 申請號: 201810018710.5
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN107959440A
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: 高仁璟;劉龍衛;劉書田;彭雅慧;王奇
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司21212
• 代理人: 趙淑梅,李洪福

技術領域

本發明屬于壓電振動能量收集領域，具體涉及一種基于機械誘導的寬頻俘能器。

背景技術

隨著信息時代的到來，MEMS、無線傳感網絡和植入式精密微器件等低功耗產品得到了大力發展，目前它們的供能方式主要是電池，但是電池供電存在諸多弊端，如電池壽命有限，需要及時更換，有時會受到使用環境的限制而造成電池更換困難。為了克服電池供電帶來的問題，一些研究提出能量收集技術，通過收集環境中耗散的能量為低耗能電子產品供電。環境中存在豐富的低頻振動能量，振動能量收集技術對適用環境要求低，能量密度高，能提供穩定的電能供給。由于壓電俘能技術能量轉化效率高，無需外界電源，不發熱、無電磁干擾、無污染和易于實現結構的小型化、集成化等優點，被廣泛應用于環境振動能量的收集。而傳統俘能結構存在工作頻帶較窄、能量收集效率低等問題，難以發揮壓電材料的壓電特性，發電效率較低難以滿足電子產品的供能需求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對傳統俘能結構存在的工作頻帶較窄、能量收集效率低等問題，提供了一種基于機械誘導的寬頻俘能器。本發明采用的技術手段如下：

一種基于機械誘導的寬頻俘能器，包括；基座，所述基座為框狀結構；

位于所述基座內的俘能機構和機械誘導機構；

所述俘能機構包括一端與所述基座內側壁固定連接、另一端自由的懸臂梁，所述懸臂梁的靠近其固定端的一側的上表面粘貼有壓電晶片，所述壓電晶片上表面與一正電極引線導通固連，所述懸臂梁的靠近其固定端的一側的下表面與一負電極引線導通固連；

所述機械誘導機構包括對稱設置在所述懸臂梁的自由端的兩側且軸線均垂直于所述懸臂梁的長度方向的上彈簧-阻尼機構和下彈簧-阻尼機構，所述上彈簧-阻尼機構位于所述懸臂梁的自由端上表面的正上方，所述下彈簧-阻尼機構位于所述懸臂梁的自由端下表面的正下方，所述上彈簧-阻尼機構和所述下彈簧-阻尼機構遠離所述懸臂梁的一端均與所述基座內側壁固定連接。

所述基座為長方形框狀結構，且垂直于地面放置；

所述懸臂梁的固定端與所述基座左內側壁或右內側壁固定連接；

所述上彈簧-阻尼機構的固定端與所述基座上內側壁固定連接；

所述下彈簧-阻尼機構的固定端與所述基座下內側壁固定連接；

所述懸臂梁為長方體板狀結構，其上表面和下表面為其最大面且與地面平行。

所述上彈簧-阻尼機構和所述下彈簧-阻尼機構均包括彈簧、質量塊和一端與所述基座內側壁固定連接的阻尼器；

所述彈簧嵌套在所述阻尼器外表面，且所述彈簧的兩端分別與所述阻尼器的兩端固定，所述質量塊固定于所述阻尼器的自由端的正中央。

所述質量塊為空心正方體結構，所述質量塊靠近所述懸臂梁的面與所述懸臂梁上表面平行，所述質量塊的邊長大于等于所述懸臂梁的寬度，所述質量塊的中心正對所述懸臂梁的自由端的中心；所述質量塊的材質為輕質金屬材料。

所述壓電晶片的截面為矩形，且與所述懸臂梁的寬度相等，且所述壓電晶片的長度小于所述懸臂梁的長度；所述壓電晶片的材質為壓電陶瓷、壓電纖維復合材料或壓電薄膜，所述懸臂梁的材質為金屬材料。

當所述基座受到外界振動激勵時，所述基座的振動將帶動所述懸臂梁振動，粘貼在所述懸臂梁上表面的所述壓電晶片隨之產生應變。所述壓電晶片產生的應變使得所述壓電晶片的上、下表面產生正、負電荷，電荷將通過正電極引線和負電極引線引出。

所述基座振動帶動所述懸臂梁振動，此時所述懸臂梁的自由端碰撞所述質量塊，從而帶動所述上彈簧-阻尼機構向上運動、所述下彈簧-阻尼機構向下運動，所述懸臂梁的自由端與所述機械誘導機構的機械碰撞，增加了所述懸臂梁的振動幅值，由于所述懸臂梁與所述機械誘導機構的持續碰撞，使所述懸臂梁的振動幅值持續增加，當所述上彈簧-阻尼機構和所述下彈簧-阻尼機構運動一定距離達到穩態時，所述懸臂梁進入恒定振幅的振動過程。

當外界因素導致所述懸臂梁的振動幅值改變時，所述上彈簧-阻尼機構和所述下彈簧-阻尼機構能自動協調達到新的穩定位置，所述懸臂梁在所述機械誘導機構的作用下仍可持續碰撞所述質量塊，從而穩定振幅。

與現有技術相比，本發明在相同激勵下可顯著增大懸臂梁的振幅，增大懸臂梁的俘能帶寬，從而輸出更多能量；當環境激勵頻率大于懸臂梁固有頻率時，本發明所具有的機械誘導機構能大大提升懸臂梁振動的幅值，從而使壓電晶片具有更寬的頻率響應范圍和更高的輸出功率；本發明結構簡單，實用性強，可廣泛應用于各類電子產品，通過收集環境中的振動能量，實現低功耗器件的自供能。