[發明專利]一種具有聯動效應的多穩態能量俘獲裝置

在審

• 申請號: 201910235080.1
• 申請日: 2019-03-26
• 公開（公告）號: CN109889097A
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 梅旭濤;周生喜
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 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

本發明是一種具有聯動效應的多穩態能量俘獲裝置，其包括：能量俘獲裝置基座、彈簧、陣列能量俘獲裝置和電能儲存及管理系統。整體工作原理如附圖1所示，外界的振動激勵讓壓電懸臂梁產生形變，利用正壓電效應，壓電片將振動能量轉化為電能，然后輸送到電能儲存及管理系統，實現自供能傳感器。提出的具有聯動效應多穩態能量俘獲裝置，其優點具有：(1)采用了不同能量俘獲器的陣列布局，每個能量俘獲器具有不同固有頻率，可以在較大頻率范圍的高效能量回收；(2)采用彈簧把陣列能量回收器連接起來且端部磁鐵間的相符作用力，實現陣列的能量俘獲器聯動效應，整個裝置呈現多穩態效應，提高了能量俘獲效率。此外，相比此前的通過外部磁鐵磁耦合效應的多穩態能量俘獲器，此裝置的結構布局更簡單，可以實現小型化甚至微型化，為未來物聯網時代自供能傳感器提供電能。

技術領域

本發明是一種具有聯動效應的多穩態能量俘獲裝置，主要用了把環境中存在的振動能量轉為電能，然后給無線傳感器供能，實現自供能傳感器用于環境或結構健康監測。

背景技術

隨著微型電子設備的發展，低功耗的傳感器技術得到了十足進步，將來向著低功耗、微型化的方向發展，為物聯網快速發展奠定基礎。目前，傳感器主要用于環境或結構的實時健康監測，實現傳感器節點的數據采集與傳輸。

目前傳感器的供能方式主要有：有線供電和電池供電。然而面臨以下問題：特定環境中受空間限制或者環境影響，有線供電方式電線布局困難，電池供電需要定期更換等。滿足用于健康監測的傳感器的長久電能供給，因此人們提出了自供能傳感器技術。

自供能傳感器技術主要是降能量俘獲技術和無線傳感器技術相結合。能量俘獲技術主要是將環境中存在的能量通過電磁感應原理、正壓電效應和摩擦電原理等方法，將能量轉化為電能，然后供電給傳感器。

提高能量俘獲器的效率和有效頻率寬度成為了一個重要的研究課題。傳統的線性能量俘獲器只在共振頻率附近有較高的回收效率，然后或者中的振動頻率較寬且隨機振動，后來人們提出了非線性能量俘獲器，主要包括雙穩態、三穩態甚至多穩態，其主要是由非線性磁力的磁耦合來實現的不同穩態的能量俘獲器。

以上研究主要是集中于單自由度系統的多穩態效應，但是針對聯動效應的多自由度能量俘獲器研究較少。因此有本發明提出了一種具有聯動效應的多穩態能量俘獲裝置，具有較高的能量俘獲特性。

發明內容

本發明是一種具有聯動效應的多穩態能量俘獲裝置，該裝置通過彈簧把整列的能量俘獲器串聯起來，各個能量俘獲器具有不同的固有頻率，針對環境中振動頻率與強度的時變特性，有較好適用性。此外，各個能量回收器端部永磁鐵的相互作用力和連接彈簧作用，可以實現具有聯動效應的多穩態能量俘獲裝置。

本發明是一種具有聯動效應的多穩態能量俘獲裝置，見附圖2，所述的能量俘獲裝置包括：

能量俘獲裝置的基座，主要用于能量回收裝置的壓電懸臂梁的安裝。

彈簧，主要用于連接陣列的各個能量俘獲器，外界振動激勵源，讓其中一個能量俘獲器有效工作時，連接的彈簧可以帶動其余的能量俘獲器運動，形成具有聯動效應。

壓電片，其對稱固定在懸臂梁的與能量俘獲裝置的基座的固定末端，壓電片采用串聯方式連接，最后接入電能儲存及管理系統。壓電片主要是利用正壓電效應將振動能量轉化為電能，是此裝置的核心部分。

懸臂梁，其上用于固定壓電片的基體，端部用于固定永磁鐵，因此，單個能量俘獲器為懸臂梁結構。

永磁鐵，其固定在懸臂梁自由端的末端，陣列的能量俘獲器的永磁體間的非線性磁力相互作用，因此呈現了多穩態效應，通過提高單個能量俘能器的能量轉化效率來實現整個能量俘獲裝置的回收效率。

電能存儲及管理系統，其用于將回收的交流電轉化為直流電，然后存儲并供電給無線傳感器。