CN109889097A - 一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，其包括：能量俘获装置基座、弹簧、阵列能量俘获装置和电能储存及管理***。整体工作原理如附图1所示，外界的振动激励让压电悬臂梁产生形变，利用正压电效应，压电片将振动能量转化为电能，然后输送到电能储存及管理***，实现自供能传感器。提出的具有联动效应多稳态能量俘获装置，其优点具有：(1)采用了不同能量俘获器的阵列布局，每个能量俘获器具有不同固有频率，可以在较大频率范围的高效能量回收；(2)采用弹簧把阵列能量回收器连接起来且端部磁铁间的相符作用力，实现阵列的能量俘获器联动效应，整个装置呈现多稳态效应，提高了能量俘获效率。此外，相比此前的通过外部磁铁磁耦合效应的多稳态能量俘获器，此装置的结构布局更简单，可以实现小型化甚至微型化，为未来物联网时代自供能传感器提供电能。

Description

一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置

技术领域

本发明是一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，主要用了把环境中存在的振动能量转为电能，然后给无线传感器供能，实现自供能传感器用于环境或结构健康监测。

背景技术

随着微型电子设备的发展，低功耗的传感器技术得到了十足进步，将来向着低功耗、微型化的方向发展，为物联网快速发展奠定基础。目前，传感器主要用于环境或结构的实时健康监测，实现传感器节点的数据采集与传输。

目前传感器的供能方式主要有：有线供电和电池供电。然而面临以下问题：特定环境中受空间限制或者环境影响，有线供电方式电线布局困难，电池供电需要定期更换等。满足用于健康监测的传感器的长久电能供给，因此人们提出了自供能传感器技术。

自供能传感器技术主要是降能量俘获技术和无线传感器技术相结合。能量俘获技术主要是将环境中存在的能量通过电磁感应原理、正压电效应和摩擦电原理等方法，将能量转化为电能，然后供电给传感器。

提高能量俘获器的效率和有效频率宽度成为了一个重要的研究课题。传统的线性能量俘获器只在共振频率附近有较高的回收效率，然后或者中的振动频率较宽且随机振动，后来人们提出了非线性能量俘获器，主要包括双稳态、三稳态甚至多稳态，其主要是由非线性磁力的磁耦合来实现的不同稳态的能量俘获器。

以上研究主要是集中于单自由度***的多稳态效应，但是针对联动效应的多自由度能量俘获器研究较少。因此有本发明提出了一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，具有较高的能量俘获特性。

发明内容

本发明是一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，该装置通过弹簧把整列的能量俘获器串联起来，各个能量俘获器具有不同的固有频率，针对环境中振动频率与强度的时变特性，有较好适用性。此外，各个能量回收器端部永磁铁的相互作用力和连接弹簧作用，可以实现具有联动效应的多稳态能量俘获装置。

本发明是一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，见附图2，所述的能量俘获装置包括：

能量俘获装置的基座，主要用于能量回收装置的压电悬臂梁的安装。

弹簧，主要用于连接阵列的各个能量俘获器，外界振动激励源，让其中一个能量俘获器有效工作时，连接的弹簧可以带动其余的能量俘获器运动，形成具有联动效应。

压电片，其对称固定在悬臂梁的与能量俘获装置的基座的固定末端，压电片采用串联方式连接，最后接入电能储存及管理***。压电片主要是利用正压电效应将振动能量转化为电能，是此装置的核心部分。

悬臂梁，其上用于固定压电片的基体，端部用于固定永磁铁，因此，单个能量俘获器为悬臂梁结构。

永磁铁，其固定在悬臂梁自由端的末端，阵列的能量俘获器的永磁体间的非线性磁力相互作用，因此呈现了多稳态效应，通过提高单个能量俘能器的能量转化效率来实现整个能量俘获装置的回收效率。

电能存储及管理***，其用于将回收的交流电转化为直流电，然后存储并供电给无线传感器。

无线传感器，非此发明具有联动效应的多稳态能量俘获装置部分，是本发明装置的回收电能的应用对象，利用本发明实现了自供能的无感传感器，用于环境或结构的健康监测。

本发明的特点与优点为：将传统的线性能量俘获器通过阵列方式布局，再通过弹簧连接，形成了具有联动效应的多稳态能量俘获装置，提高了在宽频环境振动源中的利用可行性，同时此装置的整体能量转化效率较高，可以用于小型或者微型(MEMS)能量回收器的设计和制作，为未来无线传感器的实现提供了可行性。

本发明装置通过对多个能量俘获器整列方式，且相邻两个能量俘获器通过弹簧连接，每个能量俘获器的固有频率不一样(通过调整悬臂梁的长度和永磁铁的质量来实现)。根据环境振动源的主要频率范围，设计每个的固有频率，然后在振动源激励下每个能量俘获器形成联动效应，端部永磁铁的非线性磁力相互作用，使此装置呈现多稳态效应，从而提高了此装置在环境振动源中的能量回收效率。

附图说明

为了更加清楚说明本发明专利中的技术方案，同时让相关领域技术人员更好的了解本能量俘获装置，下面对本发明中关键部件及其组合附图做简单介绍和说明。以下附图仅旨在对本发明做示意性说明与解释。

图1为本发明一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置的工作原理示意图。

图2为本发明一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置的三维模型图。

图3为本发明一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置中单个能量俘获器的结构示意图。

图4为本发明一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置中具有联动效应的多稳态原理说明示意图。

组件符号说明：

1……能量俘获装置基座 2……弹簧

3……能量俘获器 4……电能储存及管理***

5……传感器

31……压电片 32……悬臂梁

33……永磁铁

具体实施方案

下面结合本发明中的实施例中附图，对其技术方案做清楚详尽描述。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而非全部实施例。本发明中实施例，本领域普通技术人员在没有做出创新型成果情况下所取得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

实施例1

如图1所示，本发明一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置的工作原理示意图。此多稳态能量俘获装置包括：能量俘获装置基座1、弹簧2、能量俘获器3、电能存储及管理***4。此发明装置将环境中的振动能量通过正压电效应转化为电能，经过电能存储及管理***4，然后对传感器5供能，实现对环境或结构的实时健康监测。

如图2所示，此装置的整体三维结构示意图。各个能量俘获器3通过弹簧2相连，然后整列排布在能量俘获装置基座1上。能量俘获器3主要由压电片31、悬臂梁32和永磁铁33构成，其工作原理将在图3中详细说明。

如图3所示，单个能量俘获器的结构示意图。悬臂梁32一端固定在能量俘获装置基座1上，在悬臂梁32的固定端对称布局压电片31形成压电悬臂梁，压电片通过串联方式连接，经过外加电阻R，然后接入电路储存及管理***4。外界振动激励会引起能量俘获装置基座1的振动位移，压电悬臂梁自由端的永磁体33会在平衡点附近振动，端部粘贴的压电片31会有较大的形变应力，在正压电效应的作用下，将振动能量转化为电能。

如图4所示，此发明装置中具有联动效应的多稳态原理说明示意图。各个能量俘获器3通过弹簧2连接，并阵列在能量俘获装置基座1上。此发明装置由多个不同能量俘获器3和弹簧2组成，为了说明其联动效应多稳态原来，图示选取了能量俘获器i、能量俘获器j和能量俘获器k，及弹簧n和弹簧m为分析对象。当外界振动激励发生时，其频率在能量俘获器j的有效工作频率范围内，因此能量俘获器j端部永磁铁33有较大的位移，其联动的效应主要表现在以下两方面综合作用。

能量俘获器j端部永磁铁33的运动，会让能量俘获器i、j和k间的非线性磁力变化，带动能量俘获器i和能量俘获器k的永磁铁振动，各个能量俘获器有各自的稳态，因此阵列的能量俘获器3会呈现多稳态效应。同时，不同能量俘获器3通过弹簧2相连，因此在外界激励作用时，会有联动效应。两者综合作用，让本发明装置呈现具有联动效应的多稳态能量俘获装置。

当外界激励源可以让能量俘获器i或者k有效工作时，他们间相互作用原理同上，相互作用形成了具有联动作用的多稳态能量俘获装置。

实施例2

本发明是一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，具体的实施操作如下：

将压电片31粘贴在悬臂梁32上，压电片通过串联方式连接，然后在悬臂梁32的自由端端部固定永磁铁33，固定弹簧2在悬臂梁上。同样的方法制作其余阵列的能量俘获器3，最后将其固定在能量俘获装置基座1上。

将所有阵列的能量俘获器3的回收电电能部分接入电能储存及管理***4。整个发明装置安装在有振动的环境中，给无线传感器供能，用于环境或结构的健康监测。

本发明装置，通过弹簧2连接不同的能量俘获器3，然后阵列在能量俘获装置基座1上，形成了具有联动效应的多稳态能量俘获装置。可以通过工作环境中振动激励的频率来设计阵列的各个能量俘获器3，每个的固有频率不一样(通过设计悬臂梁的长度和自由端端部永磁铁33的质量来实现)，实现了此装置在环境振动源中有较高的能量俘获效率。

本发明具有联动效应的多稳态能量俘获装置的特点与优点为：将传统的线性能量俘获器通过阵列方式布局，已经有专利和文献显示此研究，但是具有联动效应的多稳态能量俘获装置研究尚不足，此次提出了此发明装置，可以用于小型或者微型(MEMS)能量回收器的设计和制作，为未来无线传感器的实现提供了可行性。

本发明实施例中应用了具体实施例对本发明具有联动效应的多稳态能量俘获装置组成、工作原理以及实施方案进行了论述，以上实施例说明只是用于帮助理解本发明实验装置的实验方法和操作过程。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思路，在具体实施方式及应用范围和材料均会有改变之处。综上所述，其发明内容不应理解为本发明的研制。

Claims (7)

1.一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，其由多个阵列能量俘获装置通过弹簧连接构成，其特征在于，所述装置包括：

(1)能量俘获装置基座，主要用于安装各个能量俘获器的压电悬臂梁；

(2)悬臂梁，此为固定压电片的基体，一端与能量俘获装置基座相连，自由端末端位置布局永磁铁；

(3)压电片，其为此能量俘获装置的关键部件。外界激励导致压电片产生形变，利用正压电效应，将振动能量转化为电能；

(4)端部磁铁，其为永磁体，端部磁铁间的相互作用力使每个能量俘获器呈现非线性特性，用于扩大能量俘获的频宽；

(5)弹簧，其用于每个能量俘获器的连接，实现其阵列能量俘获器的联动运动；

(6)阵列能量俘获装置，其由多个能量俘获器阵列组成，每个能量俘获器的固有频率不一样(主要由压电悬臂梁长度和端部磁铁质量决定)，阵列固定在能量俘获装置的基座上，通过弹簧连接，实现了具有联动效应的多稳态能量俘获装置；

(7)电能储存及管理***，用于储存能量俘获装置回收电能的储存和管理，为传感器供电，实现自供能无线传感器。

2.如权利要求1所述的一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，其特征在于，所述的阵列能量俘获器通过弹簧串联起来，然后布局在能量俘获装置的基座上。当外界有振动激励时，阵列能量俘获器实现联动运动，利用正压电效应，把振动能量回收为电能。

3.如权利要求1所述的一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，其特征在于，所述的阵列能量俘获器，压电悬臂梁的长度和端部磁铁的质量不同，使其固有频率各不相同，具有各自的有效工作频段，通过弹簧串联后，实现联动效应，实现具有联动效应的多稳态能量俘获装置。

4.如权利要求1所述的一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，其特征在于，所述的弹簧主要是用于各个能量俘获器的串联连接，实现各个能量俘获器的联动，使能量俘获装置达到多稳态且宽频效果，提高能量俘获效率。

5.如权利要求1所述的一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，其特征在于，所述的端部永磁铁，位于压电悬臂梁的自由端末端，各个能量俘获器的端部磁铁间的相互作用力，使各个能量俘获器具有非线性特征。

6.如权利要求1所述的一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，其特征在于，所述的压电片，固定在悬臂梁的固定端末端，对称布局在悬臂梁的末端，利用正压电效应，将振动能量转化为电能，电能输入到电能储存及管理***。

7.如权利要求1所述的一种具有联动效应的多稳态能量俘获装置，其特征在于，所述的电能储存及管理***，主要用于收集压电片转化的电能并存储，然后用于给无线传感器供能，实现自供能的无线传感器。