CN107872171B - 一种压电振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电振动能量采集装置。该装置包括压电振荡器、辅助振荡器、调节器以及基座。压电振荡器和辅助振荡器构成两自由度压电振荡器；通过调节器能够调节压电振荡器以及所述辅助振荡器的振荡幅度，使压电振荡器表现出线性或非线性振荡特性，产生单稳态、双稳态和多稳态的振动。相比于单自由度多稳态压电振动能量采集器，两自由度多稳态压电振荡器具有更宽、更浅的势能阱，能够扩宽压电振动能量采集器的工作频带，在环境激励强度较低的情况下，压电振动能量采集器也可以轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术领域，特别是涉及一种压电振动能量采集装置。
背景技术
压电振动能量采集器是一种新型机电能量转换器件，可以用于对无线传感器网络节点的供电。国内外涉及压电振动能量采集器的专利申请很多，但这些采集器的压电振子大都是线性的，且工作频带比较窄，能量转换效率偏低。双稳态压电振动能量采集器具有双势能阱特性，可以极大改善线性压电振动能量采集器的输出性能。
目前研制的多稳态压电振动能量采集器均为单自由度***，通常由末端带磁铁的压电悬臂梁和多个外部磁铁组成。单自由度多稳态压电振动能量采集器的输出性能依然严重依赖外部环境中的振动强度；当环境振动强度足够大时，多稳态振动被激发产生大的转换输出；当环境振动强度较小，多稳态压电振动能量采集器作阱内的小幅值单稳态振动，这使压电振动能量采集器的输出大大降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电振动能量采集装置，能够扩宽压电振动能量采集器的工作频带，在环境激励强度较低的情况下，压电振动能量采集器也可以轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种压电振动能量采集装置，包括压电振荡器、辅助振荡器、调节器以及基座；
所述压电振荡器固定在所述基座上，所述压电振荡器用于振动产生并采集能量；
所述辅助振荡器与所述压电振荡器连接，所述辅助振荡器用于辅助所述压电振荡器振动；
所述调节器固定在所述基座上，所述调节器用于调节所述压电振荡器以及所述辅助振荡器的振荡幅度。
可选的，所述压电振荡器包括压电双晶悬臂梁、金属块、第一磁块、第二磁块、第三磁块以及第四磁块；所述压电双晶悬臂梁固定在所述基座的第一壁板的中间位置上；所述金属块的一侧设置在所述压电双晶悬臂梁的末端；所述第一磁块和所述第二磁块分别设置在所述金属块的第一表面和第二表面；所述第三磁块设置在所述基座的第二壁板上，所述第三磁块与所述第一磁块相对，所述第一磁块与所述第三磁块的相向面磁性相同；所述第四磁块设置在所述基座的第三壁板上，所述第四磁块与所述第二磁块相对，所述第二磁块与所述第四磁块的相向面磁性相同；所述金属块、所述第一磁块、所述第二磁块、所述第三磁块以及所述第四磁块设置在同一垂直方向上。
可选的，所述辅助振荡器包括金属悬臂梁、第五磁块以及第六磁块；所述金属悬臂梁的一端与所述金属块连接；所述第五磁块设置在所述金属悬臂梁的另一端；所述第六磁块设置在所述基座的第四壁板上，所述第六磁块与所述第五磁块相对，所述第五磁块与所述第六磁块的相向面磁性相同；所述第五磁块以及第六磁块的中心点位于同一轴线上。
可选的，所述调节器包括第一子调节器、第二子调节器以及第三子调节器；所述第一子调节器与所述第三磁块连接，所述第一子调节器用于调整所述第一磁块与所述第三磁块的间距；所述第二子调节器与所述第四磁块连接，所述第二子调节器用于调整所述第二磁块与所述第四磁块的间距；所述第三子调节器与所述第六磁块连接，所述第三子调节器用于调整所述第五磁块与所述第六磁块的间距。
可选的，所述压电双晶悬臂梁包括两片压电陶瓷和金属基板；两片压电陶瓷的大小相同、极化方向相反，且各所述压电陶瓷分别设置在所述金属基板的上表面、下表面。
可选的，所述压电振荡器还包括第一粘结层以及第二粘结层，所述第一粘结层以及第二粘结层为环氧胶材料制成；所述第一粘结层设置在所述第一磁块与所述金属块的第一表面之间；所述第二粘结层设置在所述第二磁块与所述金属块的第二表面之间。
可选的，所述辅助振荡器还包括第三粘结层，所述第三粘结层为环氧胶材料制成，所述第三粘结层设置在所述第五磁块与所述金属悬臂梁中间。
可选的，所述第一子调节器、第二子调节器以及第三子调节器分别设置在所述基座的第二壁板、第三壁板以及第四壁板上；所述基座的第二壁板、第三壁板以及第四壁板上均设有螺纹口；所述第一子调节器、第二子调节器以及第三子调节器上均设有螺纹，所述螺纹口与所述螺纹相匹配
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：压电振荡器和辅助振荡器构成两自由度压电振荡器；通过调节器能够调节压电振荡器以及所述辅助振荡器的振荡幅度，使压电振荡器表现出线性或非线性振荡特性，产生单稳态、双稳态和多稳态的振动。相比于单自由度多稳态压电振动能量采集器，两自由度多稳态压电振荡器具有更宽、更浅的势能阱，能够扩宽压电振动能量采集器的工作频带，在环境激励强度较低的情况下，压电振动能量采集器也可以轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种压电振动能量采集装置的示意图；
图2为d1改变时压电振荡器由单稳态振动模式转变为双稳态振动模式的势能图；
图3为d1改变时压电振荡器由双稳态振动模式转变为三稳态振动模式的势能图；
图4为d2改变时压电振荡器由双稳态振动模式转变为三稳态振动模式的势能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种压电振动能量采集装置，能够扩宽压电振动能量采集器的工作频带，在环境激励强度较低的情况下，压电振动能量采集器也可以轻松作大幅值的周期振动，实现宽频、高效的环境振动能量采集。
压电振动能量采集装置包括压电振荡器、辅助振荡器、调节器以及基座。
所述压电振荡器固定在所述基座上，所述压电振荡器用于振动产生并采集能量；
所述辅助振荡器与所述压电振荡器连接，所述辅助振荡器用于辅助所述压电振荡器振动；
所述调节器固定在所述基座上，所述调节器用于调节所述压电振荡器以及所述辅助振荡器的振荡幅度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，所述压电振荡器包括压电双晶悬臂梁101、金属块102、第一磁块103、第二磁块104、第三磁块105以及第四磁块106。所述压电双晶悬臂梁101固定在所述基座3的第一壁板的中间位置上；所述压电双晶悬臂梁101包括两片压电陶瓷和金属基板；两片压电陶瓷的大小相同、极化方向相反，且各所述压电陶瓷分别设置在所述金属基板的上表面、下表面。所述金属块102的一侧设置在所述压电双晶悬臂梁101的末端；所述第一磁块103和所述第二磁块104分别设置在所述金属块102的第一表面和第二表面。所述第一磁块103与所述金属块102的第一表面之间设置有第一粘结层；所述第二磁块104与所述金属块102的第二表面之间设置有第二粘结层，所述第一粘结层以及第二粘结层为环氧胶材料制成。所述第三磁块105设置在所述基座3的第二壁板上，所述第三磁块105与所述第一磁块103相对，且第一磁块103与所述第三磁块105的相向面磁性相同。所述第四磁块106设置在所述基座3的第三壁板上，所述第四磁块106与所述第二磁块104相对，且第二磁块104与所述第四磁块106的相向面磁性相同。所述金属块102、所述第一磁块103、所述第二磁块104、所述第三磁块105以及所述第四磁块106设置在同一垂直方向上。
所述辅助振荡器包括金属悬臂梁201、第五磁块202以及第六磁块203。所述金属悬臂梁201的一端通过螺钉与所述金属块102连接。所述第五磁块202设置在所述金属悬臂梁201的另一端；所述第五磁块202与所述金属悬臂梁201中间设置有第三粘结层，第三粘结层为环氧胶材料制成。第六磁块203设置在所述基座3的第四壁板上。所述第六磁块203与所述第五磁块202相对，且所述第五磁块202与所述第六磁块203的相向面磁性相同；所述第五磁块202以及第六磁块203的中心点位于同一轴线上。
所述调节器包括第一子调节器301、第二子调节器302以及第三子调节器303。所述第一子调节器301与所述第三磁块105连接，所述第一子调节器301用于调整所述第一磁块103与所述第三磁块105的间距d1。所述第二子调节器302与所述第四磁块106连接，所述第二子调节器302用于调整所述第二磁块104与所述第四磁块106的间距d1。所述第三子调节器303与所述第六磁块203连接，所述第三子调节器303用于调整所述第五磁块202与所述第六磁块203的间距d2。
所述第一子调节器301、第二子调节器302以及第三子调节器303分别设置在所述基座3的第二壁板、第三壁板以及第四壁板上。所述基座的第二壁板、第三壁板以及第四壁板上均设有螺纹口；所述第一子调节器301、第二子调节器303以及第三子调节器304上均设有螺纹，所述螺纹口与所述螺纹相匹配。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：压电振荡器和辅助振荡器构成两自由度压电振荡器；通过调节器能够调节间距d1和d2，进而改变主双稳态压电振荡器和辅助双稳态金属振荡器末端受到的非线性磁场排斥力，使***表现出线性或非线性振荡特性，产生单稳态、双稳态和多稳态的振动，实现宽频、高效的能量采集。
图2所示是d2＝51mm，d1＝30、26、24.5和23mm，分别对应无量纲化参数r2＝0.5，r1＝0.7、1.2、1.6和2.0时，压电振荡器的势能变化曲线。可以发现，随着磁铁间距d1的逐渐减小，压电振荡器从单稳态振动模式逐渐变成双稳态振动模式，如图2箭头所示。双稳态振动模式中磁铁间距d1的逐渐减小，两个势能阱A、B之间的间距也逐渐增大，这有利于增加压电振荡器的输出位移和能量采集效率。
图3所示是d2＝36mm，d1＝30、26、24和23mm,分别对应无量纲化参数r2＝2，r1＝0.7、1.2、1.8和2.0时，压电振荡器由双稳态振动模式逐渐转变成三稳态振动模式的势能变化曲线。可以发现，随着磁铁间距d1的逐渐减小，压电振荡器从双稳态振动模式逐渐变成三稳态振动模式，如图3箭头所示。在双稳态振动模式中，两个势能阱A、B之间的间距较小，且势能阱深度较大，不利于采集器的输出性能提高。在三稳态振动模式中，三个势能阱C、D、E之间的间距逐渐增大，且势能阱深度逐渐减小，这可以使压电振荡器在较小的外部激励振动条件下，轻松作大幅值的高能轨道运动，从而提高采集器的输出性能。
图4所示是d1＝23mm，d2＝100、38、34和32mm,分别对应无量纲化参数r1＝2，r2＝0、1.5、2.5和3.0时，压电振荡器由双稳态振动模式逐渐转变成三稳态振动模式的势能变化曲线。可以发现，随着磁铁间距d2的逐渐减小，压电振荡器从双稳态振动模式逐渐变成三稳态振动模式，如图4箭头所示。在双稳态振动模式中，两个势能阱A、B之间的间距较小，且势能阱深度较大，不利于采集器的输出性能提高。在三稳态振动模式中，三个势能阱C、D、E之间的间距逐渐增大，且势能阱深度逐渐减小，这可以使压电振荡器在较小的外部激励振动条件下，轻松作大幅值的高能轨道运动，从而提高采集器的输出性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种压电振动能量采集装置，其特征在于，包括压电振荡器、辅助振荡器、调节器以及基座；
所述压电振荡器固定在所述基座上，所述压电振荡器用于振动产生并采集能量；
所述辅助振荡器与所述压电振荡器连接，所述辅助振荡器用于辅助所述压电振荡器振动；
所述调节器固定在所述基座上，所述调节器用于调节所述压电振荡器以及所述辅助振荡器的振荡幅度；
所述压电振荡器包括压电双晶悬臂梁、金属块、第一磁块、第二磁块、第三磁块以及第四磁块；所述压电双晶悬臂梁固定在所述基座的第一壁板的中间位置上；所述金属块的一侧设置在所述压电双晶悬臂梁的末端；所述第一磁块和所述第二磁块分别设置在所述金属块的第一表面和第二表面；所述第三磁块设置在所述基座的第二壁板上，所述第三磁块与所述第一磁块相对，所述第一磁块与所述第三磁块的相向面磁性相同；所述第四磁块设置在所述基座的第三壁板上，所述第四磁块与所述第二磁块相对，所述第二磁块与所述第四磁块的相向面磁性相同；所述金属块、所述第一磁块、所述第二磁块、所述第三磁块以及所述第四磁块设置在同一垂直方向上；
所述辅助振荡器包括金属悬臂梁、第五磁块以及第六磁块；所述金属悬臂梁的一端与所述金属块连接；所述第五磁块设置在所述金属悬臂梁的另一端；所述第六磁块设置在所述基座的第四壁板上，所述第六磁块与所述第五磁块相对，所述第五磁块与所述第六磁块的相向面磁性相同；所述第五磁块以及第六磁块的中心点位于同一轴线上；
所述调节器包括第一子调节器、第二子调节器以及第三子调节器；所述第一子调节器与所述第三磁块连接，所述第一子调节器用于调整所述第一磁块与所述第三磁块的间距；所述第二子调节器与所述第四磁块连接，所述第二子调节器用于调整所述第二磁块与所述第四磁块的间距；所述第三子调节器与所述第六磁块连接，所述第三子调节器用于调整所述第五磁块与所述第六磁块的间距。
2.根据权利要求1所述的一种压电振动能量采集装置，其特征在于，所述压电双晶悬臂梁包括两片压电陶瓷和金属基板；两片压电陶瓷的大小相同、极化方向相反，且各所述压电陶瓷分别设置在所述金属基板的上表面、下表面。
3.根据权利要求1所述的一种压电振动能量采集装置，其特征在于，所述压电振荡器还包括第一粘结层以及第二粘结层，所述第一粘结层设置在所述第一磁块与所述金属块的第一表面之间；所述第二粘结层设置在所述第二磁块与所述金属块的第二表面之间。
4.根据权利要求3所述的一种压电振动能量采集装置，其特征在于，所述第一粘结层以及第二粘结层为环氧胶材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种压电振动能量采集装置，其特征在于，所述辅助振荡器还包括第三粘结层，所述第三粘结层设置在所述第五磁块与所述金属悬臂梁中间。
6.根据权利要求5所述的一种压电振动能量采集装置，其特征在于，所述第三粘结层为环氧胶材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种压电振动能量采集装置，其特征在于，所述第一子调节器、第二子调节器以及第三子调节器分别设置在所述基座的第二壁板、第三壁板以及第四壁板上；所述基座的第二壁板、第三壁板以及第四壁板上均设有螺纹口；所述第一子调节器、第二子调节器以及第三子调节器上均设有螺纹，所述螺纹口与所述螺纹相匹配。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190712 Termination date: 20191213 |