CN103296923B - 免磁铁双稳态压电换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种免磁铁双稳态压电换能器，包括：具备由压电材料制成的压电换能单元；夹持所述压电换能单元以向所述压电换能单元提供轴向压缩力的夹具，所述压电换能单元的轴向尺寸大于所述夹具的两夹臂之间的距离；以及用于将所述压电换能单元形变所产生的电能输出并且能将来自外部电源的电能输入至所述压电换能单元的传输单元。该免磁铁双稳态压电换能器不仅可以用于振动能量的收集，还可以作为驱动器实现电驱动和开关控制的功能。

Description

免磁铁双稳态压电换能器

技术领域

本发明属于压电材料与器件和新型能源技术领域，具体地，涉及一种免磁铁双稳态压电换能器，这种压电换能器可以利用环境的振动能进行发电，也可以在电场的驱动下进行大幅度振动，实现开关、驱动等功能。

背景技术

压电材料是一种可以在机械应力作用下产生电场的功能材料，这种在机械应力作用下产生电场的效应称为压电效应。此外，压电材料也具有逆压电效应，即在电场的作用下产生机械应力或机械应变的特性。根据美国电气和电子工程师协会颁布的标准（IEEE标准176-1978），以下的公式（1）是压电材料的本构方程，可以用来表征压电效应和逆压电效应。在该公式（1）中，S和T分别表示机械应变和机械应力；E和D分别表示电场强度和电位移；S^E表示电场不变或等于零的条件下的机械弹性柔性系数，ε^T表示机械应力不变或等于零的条件下的介电常数，d是表征压电性能强弱的压电应变系数：

。

从1880年居里兄弟发现压电效应以来一百多年来，人们已经利用压电材料研制出了各种压电器件，包括各种谐振器、换能器、滤波器、制动器、声表面波器件、电光器件、磁电器件等，这些压电器件广泛应用于信息、能源、环境等各个领域，在高技术发展中有着不可替代的重要作用。

近些年来随着微机电技术和集成电路的发展，电子电路的能耗越来越低，有些电子器件的能耗已经降低到微瓦量级，比如心脏起搏器，微纳米传感器，电子标签等等。因此利用环境能源实现低功耗电子器件免电池自供能工作的研究成为近些年来的一个热点。对于一些特殊应用领域实现电子器件的自供能具有紧迫性和显著的意义。比如在物联网领域，无线传感器节点数以万计，使用传统电池供电存在诸多问题，例如电池体积大、寿命短、难以反复充电等，特别是在建筑物墙体内的无线传感器节点实现传统电池的更换和充电几乎是不可能的。

而收集环境能源进行发电的技术，目前主要有光伏发电技术，热电转化技术，风能发电等，他们分别利用了环境中的太阳能、温差能、风能。环境中还有一种分布广泛的能源，即振动能，近些年来逐渐受到研究者的重视，成为一大研究热点。利用压电材料的压电效应进行振动能量收集是一种比较有效的振动能量收集方式。压电能量收集器具有机电转换效率高、输出电压高、结构简单、体积小、易于满足集成化要求等特点，并且无需外加偏置电场，不受电磁干扰，所以压电能量收集器受到了越来越多的关注。

压电能量收集器虽然具有如上所述的一系列优点，但是距离完全满足实际应用要求还有一定距离。限制压电能量收集器实际应用的问题主要有频带窄、谐振频率高、能量采集效率低、理论模型不完善等。但是近来发展起来的非线性压电能量收集技术在一定程度上解决了这些问题，推进了压电能量收集器的实际应用进程。非线性压电能量收集技术主要体现在结构设计方面和能量采集电路方面。前者如美国专利US20110095648A1中公开的双稳态压电能量收集器等，后者如PCT申请WO/2007/063194公开的同步电荷提取电路等。

上述双稳态结构压电能量收集器是非线性技术在压电能量收集领域应用的一个例证。采用这种结构不仅可以增加带宽，降低频率，还可以有效提高输出，增加能量转化效率。但是目前双稳态结构的实现都要通过磁铁的相互作用实现能态之间的跳跃，磁铁在振动能量收集过程中不仅易受周围磁场的影响，同时它本身产生的磁场也会对附近的电子器件产生影响，这与压电能量收集器不受电磁干扰的特性相矛盾。因此设计免磁铁的压电能量收集器件结构就显得格外重要和迫切。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种免磁铁双稳态压电换能器，该免磁铁双稳态压电换能器不仅可以用于振动能量的收集，还可以作为驱动器实现电驱动和开关控制的功能。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种免磁铁双稳态压电换能器，包括：具备由压电材料制成的压电换能单元；夹持所述压电换能单元以向所述压电换能单元提供轴向压缩力的夹具，所述压电换能单元的轴向尺寸大于所述夹具的两夹臂之间的距离；以及用于将所述压电换能单元形变所产生的电能输出并且能将来自外部电源的电能输入至所述压电换能单元的传输单元。

根据本发明，通过夹具夹持压电换能单元以向该压电换能单元提供轴向压缩力，并且由于压电换能单元的轴向尺寸略大于夹具的两夹臂之间的距离，可以使压电换能单元产生弯曲，形成上凸和下凹两个稳定状态，即形成双稳态压电换能器。也就是说、本发明的免磁铁双稳态压电换能器的双稳态结构由受轴向压缩的压电换能单元本身的压缩势能和弯曲势能形成，而不需要磁铁的相互作用来形成双稳态。

由此，本发明所采用的由轴向压缩和弯曲两部分势能之和形成的双稳态结构，免除了传统双稳态结构采用磁铁带来的体积大、结构不紧凑、磁场干扰等问题，同时具有宽频带，低频率，高输出和高效率，不受电磁干扰等优点。本发明的免磁铁双稳态压电换能器通过上述传输单元不仅可以应用于环境中振动能量的收集；也可以在电场的控制下实现驱动和开关的功能。即，可以在电场激励下通过双稳态之间的跳跃起到驱动作用，作为压电驱动器件；还可以在电场激励下通过双稳态之间的跳跃起到开关作用，作为压电开关器件。

又，在本发明中，该免磁铁双稳态压电换能器还可以包括设置于所述压电换能单元上对其提供惯性激励力以使其产生形变的质量块。

根据该配置，免磁铁双稳态压电换能器在进行振动能量收集时可以在压电换能单元上安装质量块，通过该质量块主要是在机械振动激励下为压电换能单元施加双稳态跳跃所需的惯性力，从而可以更有效地实现利用该免磁铁双稳态压电换能器进行振动能量的收集。此外，该质量块的材料可以为金属材料、无机材料、有机高分子材料等，其几何形状也可以为圆柱形、立方体形等各种形状。

又，在本发明中，所述夹具可以为U形夹具，在所述夹具的两夹臂的相对的内侧表面上分别对称地设置有用于夹持所述压电换能单元的凹槽，所述压电换能单元的轴向尺寸大于所述凹槽之间的距离。

根据该配置，压电换能单元的两端由U形夹具的凹槽夹持，并且，由于压电换能单元的轴向尺寸比两凹槽之间的距离稍大，在将压电换能单元嵌入于U形夹具的两凹槽中后，U形夹具的两夹臂对压电换能单元有轴向的压缩作用，因此压电换能单元就会产生向上或向下的弯曲，以此该免磁铁双稳态压电换能器有效地形成向上弯曲及向下弯曲的稳态结构。

又，在本发明中，所述压电换能单元可以为双晶片压电换能器件、单晶片压电换能器件、叠层压电换能器件、V形弯张压电换能器件。

根据该配置，采用双晶片压电换能器件、单晶片压电换能器件、叠层压电换能器件、V形弯张压电换能器件等均可以有效地构成本发明的免磁铁双稳态压电换能器的压电换能单元。其适用范围广泛，结构简单，易于制造。

又，在本发明中，所述压电换能单元可以为由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电换能器件。

根据该配置，在采用该由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电换能器件作为压电换能单元时，磁场激励可以使所述免磁铁双稳态压电换能器发生能态之间的跳跃。从而也可以在磁场的激励下实现磁场的能量收集，磁场驱动和磁控制开关。

在上述结构中，所述传输单元可以包括连接于所述压电换能单元的电极导线。

根据该配置，本发明的免磁铁双稳态压电换能器的压电换能单元由于其压电材料的压电效应而产生的电能可以通过该电极导线输出，从而可由外部的电能采集装置收集。此外，外部电源也可以通过该电极导线对该压电换能单元中的压电材料作用电场，从而由于逆压电效应，压电换能单元中的压电材料会在外部电源的电场作用下产生形变，带动压电换能单元发生轴向伸缩变化和弯曲挠度的变化，从而在两个势阱之间跳跃，达到电压开关控制的作用；也可以直接用这种跳跃作用为***设备提供机械力，驱动***设备工作，可以用于精密控制和微纳米加工领域。

又，在本发明中，所述夹具以固支边界条件或简支边界条件夹持所述压电换能单元。

根据该配置，所述双稳态压电换能器中夹具对压电换能单元的夹持边界条件可以是固支边界条件，也可以是简支边界条件，以此可以使夹具有效地对压电换能单元提供轴向压缩力。并且，该夹具的功能主要是对压电换能单元提供轴向的压缩力和夹持边界条件，其几何形状、所用材料、夹持方式等以具有该功能为准，不受以上所述的限制。

又，在本发明中，所述压电材料可以是有机压电材料、压电陶瓷材料、压电单晶材料、或无铅压电材料。其中，该有机压电材料可以例如是PVDF（聚偏二氟乙烯）系列有机压电材料等；该压电陶瓷材料可以例如是PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷等；该压电单晶材料可以例如是PMNT（铌镁酸铅-钛酸铅）压电晶体、PZNT（铌锌酸铅-钛酸铅）压电晶体、石英晶体等；该无铅压电材料例如可以是NBBT（钛酸铋钠-钛酸钡）晶体或陶瓷。

根据该配置，可以采用多种压电材料构成本发明的免磁铁双稳态压电换能器的压电换能单元，其选择范围广，易于制造和实现。

又，在上述由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电换能器件作为压电换能单元的结构中，所述磁致伸缩材料可以是Terfenol-D（铽镝铁）磁致伸缩材料或Metglass（金属玻璃）磁致伸缩材料。

根据该配置，可以采用上述Terfenol-D（铽镝铁）磁致伸缩材料、Metglass（金属玻璃）磁致伸缩材料等磁致伸缩材料有效地制成由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电换能器件，以利于其在磁场激励下的作用。

根据下述具体实施方式并参考附图，本发明的上述及其他目的、特征和优点将更加清晰。

附图说明

图1示出了根据本发明的第一实施例的免磁铁双稳态压电换能器的结构的分解示意图；

图2示出了根据图1的免磁铁双稳态压电换能器的向上弯曲的稳态图；

图3示出了根据图1的免磁铁双稳态压电换能器的向下弯曲的稳态图；

图4示出了根据图1的免磁铁双稳态压电换能器中压电换能单元的势能图；

图5示出了根据图1的免磁铁双稳态压电换能器的用于振动能量收集的示意图；

图6示出了根据图1的免磁铁双稳态压电换能器的用于电驱动和开关作用的示意图；

图7示出了根据本发明的第二实施例的免磁铁双稳态压电换能器中的压电换能单元的结构示意图；

图8示出了根据本发明的第三实施例的免磁铁双稳态压电换能器中的压电换能单元的结构示意图；

图9示出了根据本发明的第四实施例的免磁铁双稳态压电换能器中的压电换能单元的结构示意图；

图10示出了根据本发明的第五实施例的免磁铁双稳态压电换能器的结构示意图；

图11示出了根据本发明的第六实施例的免磁铁双稳态压电换能器的结构示意图。

具体实施方式

通过以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，可更好地理解本发明的目的、特征和优点。

本发明提供了一种免磁铁双稳态压电换能器，包括：具备由压电材料制成的压电换能单元；夹持所述压电换能单元以向所述压电换能单元提供轴向压缩力的夹具，所述压电换能单元的轴向尺寸大于所述夹具的两夹臂之间的距离；以及用于将所述压电换能单元形变所产生的电能输出并且能将来自外部电源的电能输入至所述压电换能单元的传输单元。

根据本发明，通过夹具夹持压电换能单元以向该压电换能单元提供轴向压缩力，并且由于压电换能单元的轴向尺寸略大于夹具的两夹臂之间的距离，可以使压电换能单元产生弯曲，形成具备上凸和下凹两个稳定状态的双稳态压电换能器，而不需要磁铁的相互作用来形成双稳态。免除了传统双稳态结构采用磁铁带来的体积大、结构不紧凑、磁场干扰等问题，同时具有宽频带，低频率，高输出和高效率，不受电磁干扰等优点。

图1示出了根据本发明的第一实施例的免磁铁双稳态压电换能器的结构的分解示意图，而图2和图3分别示出了图1的免磁铁双稳态压电换能器7装配后的向上弯曲及向下弯曲的稳态图。图1所示的实施例是以具备“U”形夹具6和作为压电换能单元4的双晶片压电换能器件的免磁铁双稳态压电换能器为例进行详细阐述的，所述夹具和双晶片压电换能器件只是用于说明具体实施例，本发明并不受此限制。

在如图1所示的第一实施例中，本发明的免磁铁双稳态压电换能器具备压电换能单元4和夹持该压电换能单元4的两端以向该压电换能单元4提供轴向压缩力的夹具6。在本实施例中，该压电换能单元4由双晶片压电换能器件构成。

具体地，如图1所示，该双晶片压电换能器件包括两片压电材料1以及夹持于该两片压电材料1之间的弹性金属片2。在一实施例中，该两片压电材料1是尺寸为46mm×20mm×0.2mm的PZT-5H压电材料，而该片弹性金属片2是尺寸为46.60mm×20mm×0.2mm的铍铜片。该压电材料1与铍铜片通过例如环氧树脂（环氧树脂LER0350+固化剂593）的粘接构成如图1所示的压电换能单元4。该压电材料1在粘接之前在厚度方向进行极化处理，作为双晶片的两片压电材料1进行并联连接，并分别在金属片2和其中一个压电材料1上引出电极导线3，以与外部电气装置相连。

此外，“U”形夹具6如图1所示，在所述夹具6的两夹臂的相对的内侧表面上分别对称地设置有起夹持作用的凹槽5。在本发明的一实施例中，该凹槽5的上下高度约为0.7mm，两凹槽5之间的距离（即，两个凹槽5的开口深度处相对的表面之间的距离）为46.58mm。如图1中虚线所示，压电换能单元4的尺寸比两凹槽5之间的距离稍大。

按图1中箭头所示方向，把压电换能单元4的两端分别嵌入“U”形夹具6的两凹槽5之中。在本实施例中，由于压电换能单元4的两端由“U”形夹具6的凹槽5夹持，因而凹槽5对压电换能单元的夹持边界条件形成为简支边界条件。

并且，由于压电换能单元4的尺寸比两凹槽5之间的距离稍大，在将压电换能单元4嵌入于“U”形夹具6的两凹槽5中后，“U”形夹具6的两夹臂对压电换能单元4有轴向的压缩作用（如图2和图3的横向箭头所示），因此压电换能单元4就会产生向上或向下的弯曲，如图2和图3所示，以此该免磁铁双稳态压电换能器7形成向上弯曲及向下弯曲的双稳态结构。

在上述免磁铁双稳态压电换能器7的向上弯曲及向下弯曲的双稳态结构中，压电换能单元4弯曲的挠度w曲线可以用公式（2）的微分方程近似求解，公式（3）是根据公式（2）解得的压电换能单元4弯曲的挠度曲线：

；

其中E是压电换能单元4的杨氏模量，I为压电换能单元4的截面惯性矩，F为轴向力，l为两凹槽5之间的距离，c₀表示压电换能单元4的中间点的静态弯曲挠度。

此外，压电换能单元4弯曲时的总势能U（z）可以用公式（4）近似表示：

；

其中z是压电换能单元4的中间点的上下振动位移，A是压电换能单元4的横截面积。

图4示出了根据图1的免磁铁双稳态压电换能器中压电换能单元的势能图。如图4所示，为压电换能单元4弯曲时的总势能U（z）与压电换能单元4的中间点的上下振动位移z的关系曲线，随着该振动位移z的变化，该压电换能单元4有两个稳定位置，并且在振动能量大于中间的势垒时，可以实现在两个势阱之间的跳跃，表现出混沌运动。因此这种结构的压电换能器也具有双稳态的特性，并且这种双稳态的实现是依靠压电换能单元4本身的弯曲势能和压缩势能此消彼长的关系实现，免去了传统双稳态结构依靠磁铁相互作用产生双势阱的缺点。因此，固定两凹槽5之间的距离，通过调节压电换能单元4的长度或c₀的大小，就可以实现势垒高低调节，从而改变所述免磁铁双稳态压电换能器7在此双势阱之间跳跃的难易程度。

本发明的免磁铁双稳态压电换能器7不仅可以应用于环境中振动能量的收集；也可以在电场的控制下实现驱动和开关的功能。即，可以在电场激励下通过双稳态之间的跳跃起到驱动作用，作为压电驱动器件；还可以在电场激励下通过双稳态之间的跳跃起到开关作用，作为压电开关器件。

具体地，为了实现振动能量的收集，如图5所示，可以在免磁铁双稳态压电换能器7的压电换能单元4上安装质量块8，并给予免磁铁双稳态压电换能器7一定的机械振动Fsinωt，质量块8由于惯性作用就会把这种机械振动传递给压电换能单元4。当机械振动强度F达到一定值时，该免磁铁双稳态压电换能器7就可以在两个势阱之间跳跃，带动压电换能单元4中的压电材料1产生形变，压电材料1就会由于压电效应而在电极导线3两端输出电压或电能。还如图5所示，该免磁铁双稳态压电换能器7经电极导线3输出的电压或电能由电能采集端9收集。由于双稳态的非线性效应，这种免磁铁双稳态压电换能器7可以比传统线性压电能量收集器有更大的带宽，更低的频率，更高的输出电能和机电转化效率。

此外，为了实现电场驱动或开关作用，如图6所示，可以直接在免磁铁双稳态压电换能器7的电极导线3的两端施加一定的控制电压10。由于逆压电效应，压电换能单元4中的压电材料会在控制电压10的电场作用下产生形变，带动压电换能单元4发生轴向伸缩变化和弯曲挠度的变化，从而在两个势阱之间跳跃，达到电压开关控制的作用；也可以直接用这种跳跃作用为***设备提供机械力，驱动***设备工作，可以用于精密控制和微纳米加工领域。

以上详细说明了本发明免磁铁双稳态压电换能器的一个实施例，但本发明并不限于此。例如，在本发明的其他实施例中，该免磁铁双稳态压电换能器的压电换能单元也可以是单晶片压电换能器件、叠层压电换能器件、V形弯张压电换能器件等。

图7至图9分别示出了根据本发明的第二实施例至第四实施例的免磁铁双稳态压电换能器中的压电换能单元的结构示意图。如图7至图9所示，在根据本发明的第二实施例至第四实施例的免磁铁双稳态压电换能器中，压电换能单元分别采用单晶片压电换能器件、叠层压电换能器件、V形弯张压电换能器件的结构。

具体地，图7所示的压电换能单元由单晶片压电换能器件11构成，其具备相互粘接在一起的压电材料1和弹性金属片2。类似于上述第一实施例中的双晶片压电换能器件，该单晶片压电换能器件11也可以由“U”形夹具夹持，以形成上述双稳态结构。并且，类似于第一实施例，在该单晶片压电换能器件11的压电材料1和弹性金属片2上可分别引出电极导线（图示省略）以与外部电气装置相连，从而可经该电极导线输出由该单晶片压电换能器件11的压电效应所产生的电压或电能，或者通过该电极导线对该单晶片压电换能器件11施加控制电压。

又，图8所示的压电换能单元由叠层压电换能器件12构成，其具备弹性金属片2以及分别粘接在该弹性金属片2的两侧上的多个叠层的压电材料1。类似于上述第一实施例中的双晶片压电换能器件，该叠层压电换能器件12也可以由“U”形夹具夹持，以形成上述双稳态结构。并且，类似于第一实施例，在该叠层压电换能器件12的弹性金属片2和其中一个压电材料1上可分别引出电极导线（图示省略）以与外部电气装置相连，而该多个叠层的压电材料1并联连接。

又，图9所示的压电换能单元由V形弯张压电换能器件13构成，其具备压电材料1以及分别设置于该压电材料1的两侧上的“铙钹形”的弹性金属片2。类似于上述第一实施例中的双晶片压电换能器件，该V形弯张压电换能器件13也可以由“U”形夹具夹持，以形成上述双稳态结构。并且，类似于第一实施例，在V形弯张压电换能器件13的压电材料1和其中一个弹性金属片2上可分别引出电极导线（图示省略）以与外部电气装置相连，而两侧的弹性金属片2并联连接。

又，本发明的另外的实施例中，该压电换能单元也可以是由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电换能器件，例如参照图11。图11所示的压电换能单元由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电换能器件16构成，其具备磁致伸缩材料15以及分别粘接在该磁致伸缩材料15的两侧上的压电材料1。类似于上述第一实施例中的双晶片压电换能器件，该由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电换能器件16也可以由“U”形夹具夹持，以形成上述双稳态结构。并且，类似于第一实施例，在该由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电换能器件16的磁致伸缩材料15和其中一个压电材料1上可分别引出电极导线（图示省略）以与外部电气装置相连，而两侧的压电材料1并联连接。

此时，磁场激励可以使该双稳态压电换能器发生能态之间的跳跃。从而也可以在磁场的激励下实现磁场的能量收集，磁场驱动和磁控制开关。其中，该磁致伸缩材料可以是Terfenol-D（铽镝铁）磁致伸缩材料，Metglass（金属玻璃）磁致伸缩材料等。

又，在本发明的其他实施例中，夹具也可以固支边界条件夹持压电换能单元。图10示出了根据本发明的第五实施例的免磁铁双稳态压电换能器14的结构示意图，其中，采用压电换能单元4两端三个自由度完全受限的固支边界条件。且由于夹具的功能主要对压电换能单元提供轴向的压缩力和夹持边界条件，因此其几何形状、所用材料、夹持方式等以具有该功能为准，不受以上所述限制，只要使夹具能够有效地对压电换能单元提供轴向压缩力即可。

此外，在本发明的免磁铁双稳态压电换能器的各实施例中，压电材料可以是有机压电材料，如PVDF（聚偏二氟乙烯）系列有机压电材料等；也可以是压电陶瓷材料，如PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷等；也可以是压电单晶材料，如PMNT（铌镁酸铅-钛酸铅）压电晶体、PZNT（铌锌酸铅-钛酸铅）压电晶体、石英晶体等；也可以是各类无铅压电材料，如NBBT（钛酸铋钠-钛酸钡）晶体或陶瓷。该压电材料选择范围广，易于制造和实现。

另外，上述压电换能单元的几何形状可以圆柱形，也可以是长方体形等其他形状，有具体使用条件和所用压电材料等因素决定。

上述说明是以特定的实施例对本发明进行的阐述，但是本发明不限于上述实施例的特定参数、特定材料和特定几何形状，该实施例仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的技术人员在本发明技术方案的启示下，按照本发明的技术原理，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做很多变形，诸如采用其他类型的压电换能单元或磁电复合换能器，或者改变压电换能单元或磁电复合换能器的材料、尺寸、几何形状、势垒的高低、压电材料的串并联模式、压电换能单元或磁电复合换能器夹持边界条件等，这些均在本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，包括：

由压电材料制成的压电换能单元；

夹持所述压电换能单元以向所述压电换能单元提供轴向压缩力的夹具，所述压电换能单元的轴向尺寸大于所述夹具的两夹臂之间的距离，所述压电换能单元受到所述夹具所提供的轴向压缩力而形成向上弯曲及向下弯曲的双稳态结构；以及

用于将所述压电换能单元形变所产生的电能输出并且能将来自外部电源的电能输入至所述压电换能单元的传输单元。

2.根据权利要求1所述的免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，还包括设置于所述压电换能单元上对其提供惯性激励力以使其产生形变的质量块。

3.根据权利要求1所述的免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，所述夹具为U形夹具，在所述夹具的两夹臂的相对的内侧表面上分别对称地设置有用于夹持所述压电换能单元的凹槽，所述压电换能单元的轴向尺寸大于所述凹槽之间的距离。

4.根据权利要求2所述的免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，所述夹具为U形夹具，在所述夹具的两夹臂的相对的内侧表面上分别对称地设置有用于夹持所述压电换能单元的凹槽，所述压电换能单元的轴向尺寸大于所述凹槽之间的距离。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，所述压电换能单元为双晶片压电换能器件、单晶片压电换能器件、叠层压电换能器件、V形弯张压电换能器件。

6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，所述压电换能单元为由压电材料和磁致伸缩材料组成的复合磁电换能器件。

7.根据前述权利要求1至4中任一项所述的免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，所述传输单元包括连接于所述压电换能单元的电极导线。

8.根据前述权利要求1至4中任一项所述的免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，所述夹具以固支边界条件或简支边界条件夹持所述压电换能单元。

9.根据前述权利要求1至4中任一项所述的免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，所述压电材料是有机压电材料、压电陶瓷材料、压电单晶材料、或无铅压电材料。

10.根据权利要求6所述的免磁铁双稳态压电换能器，其特征在于，所述磁致伸缩材料是铽镝铁磁致伸缩材料或金属玻璃磁致伸缩材料。