基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器的製造方法
2023-09-23 02:53:00
基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器的製造方法
【專利摘要】一種基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器，其結構為：所述能量採集器由底座、彈簧、撞擊質量塊、多個豎向懸臂梁、多個增幅質量塊、支撐柱、橫向懸臂梁和多個壓電片組成；多個豎向懸臂梁和橫向懸臂梁分別與多個增幅質量塊形成多個能量採集單元，彈簧和撞擊質量塊形成振動感應部，多個能量採集單元將振動感應部包圍在內，從而使能量採集器能夠對多方向的振動能量進行採集；本發明的有益技術效果是：本發明的能量採集器具備能量回收多向性的特點，同時還具備寬頻特性，能夠加有效地對外界振動能量進行採集，另外，本發明結構簡單，除了工作過程穩定可靠外，還十分利於裝置的小型化。
【專利說明】基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能量採集器，尤其涉及一種基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器。
【背景技術】
[0002]振動能量是環境中普遍存在的能源，包括人為的(如汽車、各種機械的振動等)和自然存在的振動(如風致振動等)；隨著微功率電子產品及微型無線傳感技術的發展，如何有效地將環境中的振動能量轉化為電能以滿足微型器件自供能需求，得到了廣泛的關注和研究。
[0003]現有的振動能量採集方式主要有三種，靜電式(electrostatic)、電磁式(electromagnetic)和壓電式(piezoelectric);其中，由於壓電振動能量採集裝置具有結構簡單，不發熱，無電磁幹擾，無汙染，易於加工製作和實現機構的微小化等諸多優點而備受關注。
[0004]現有的壓電振動能量採集裝置普遍存在頻帶較窄、能量回收方向單一的缺陷。
【發明內容】
[0005]針對【背景技術】中的問題，本發明提出了一種基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器，其結構為:所述能量採集器由底座、彈簧、撞擊質量塊、多個豎向懸臂梁、多個增幅質量塊、支撐柱、橫向懸臂梁和多個壓電片組成；
所述彈簧一端與底座連接，彈簧另一端與撞擊質量塊連接，靜止狀態下，彈簧能自然挺
立；
所述豎向懸臂梁的一端與底座連接，豎向懸臂梁的另一端形成自由端；豎向懸臂梁的軸向與靜止狀態下的彈簧互相平行；多個豎向懸臂梁沿彈簧固定位置處的周向分布；豎向懸臂梁與彈簧之間留有間隙；
所述支撐柱的一端與底座連接，支撐柱的另一端與橫向懸臂梁的一端連接，橫向懸臂梁的另一端延伸至撞擊質量塊上方；
每個豎向懸臂梁上均粘貼有一壓電片；橫向懸臂梁上粘貼有一壓電片；
每個豎向懸臂梁的自由端均設置有一增幅質量塊；橫向懸臂梁上設置有一增幅質量塊。
[0006]前述方案的原理是:由豎向懸臂梁、增幅質量塊和壓電片所組成的結構體即形成一個能量採集單元；橫向懸臂梁、增幅質量塊和壓電片也組成一能量採集單元；在外部振動作用下，彈簧就會晃動(撞擊質量塊對彈簧的晃動幅度具有增幅作用)，當彈簧的晃動幅度達到一定程度時，撞擊質量塊就會與豎向懸臂梁或橫向懸臂梁發生碰撞，豎向懸臂梁或/和橫向懸臂梁就會在撞擊作用下出現彈性振動，在振動作用下，梁身就會發生彎曲形變，粘貼在梁身上的壓電片也會隨之發生形變，從而產生電信號；由於彈簧被多個豎向懸臂梁和橫向懸臂梁所組成的多個能量採集單元所包圍，因此，無論彈簧向哪個方向運動，都能被能量採集單元採集到，使得能量採集裝置的能量回收方向具備多向性的特點；
彈簧和懸臂梁結構的碰撞可等效為雙懸臂梁碰撞模型，頻率低的懸臂梁記為懸臂梁a(即由彈簧所形成的懸臂梁)，頻率高的懸臂梁記為懸臂梁b(即由豎向懸臂梁或橫向懸臂梁所形成的懸臂梁);懸臂梁的固有頻率可通過調整質量塊的質量來進行調整);若兩根懸臂梁在η個激勵周期中碰撞了 P次則其碰撞振動形式為k=p/n型碰撞(簡稱k類型碰撞)；碰撞引起懸臂梁的彈性振動，彈性振動不僅影響系統的運動規律，而且影響撞擊力的變化，由於存在柔性效應，撞擊力出現高階振蕩，同時這種k類型碰撞還存在以下特點:一、當外界環境激勵作用於懸臂梁a時，隨著激勵頻率的增加，碰撞類型會強烈的依賴於激勵幅值，其微弱的變化會引起碰撞類型的本質變化，因此在碰撞過程中，可能存在多階頻率；二、當外界環境激勵頻率遠離頻率較低的懸臂梁a的第一階固有頻率時，受到微弱激勵的懸臂梁a經過一短暫弱碰撞後會產生不穩定運動，隨後很快與較高頻率的懸臂梁b同時鎖定到一強烈的穩定振動，這一過程類似於「頻率鎖定」行為，是一種非線性共振現象；三、兩懸臂梁同時存在性質相異的碰撞振動，如諧碰撞與混沌運動共存等等，由此可見碰撞導致系統呈現強非線性，由於該非線性的存在，使得懸臂梁較大形變能在較寬的外界激勵頻帶內得到保持，從而使該能量採集器具有寬頻特性。
[0007]基於懸臂梁的振動特性，梁身的形變最大位置處靠近其固定端，故，優選地，所述豎向懸臂梁上的壓電片設置於豎向懸臂梁上靠近底座的位置處；同理，所述橫向懸臂梁上的壓電片設置於橫向懸臂梁上靠近支撐柱的位置處。
[0008]為了橫向懸臂梁能更加有效地與撞擊質量塊發生碰撞，優選地，所述橫向懸臂梁上的增幅質量塊位於靜止狀態下的彈簧正上方。
[0009]本發明的有益技術效果是:本發明的能量採集器具備能量回收多向性的特點，同時還具備寬頻特性，能夠加有效地對外界振動能量進行採集，另外，本發明結構簡單，除了工作過程穩定可靠外，還十分利於裝置的小型化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1、本發明的結構示意圖一；
圖2、本發明的結構示意圖二；
圖中各個標記所對應的部件分別為:底座1、彈簧2、撞擊質量塊3、多個豎向懸臂梁4、多個增幅質量塊5、支撐柱6、橫向懸臂梁7、多個壓電片8。
【具體實施方式】
[0011]一種基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器，其結構為:所述能量採集器由底座1、彈簧2、撞擊質量塊3、多個豎向懸臂梁4、多個增幅質量塊5、支撐柱6、橫向懸臂梁7和多個壓電片8組成；
所述彈簧2 —端與底座I連接，彈簧2另一端與撞擊質量塊3連接，靜止狀態下，彈簧2能自然挺立；
所述豎向懸臂梁4的一端與底座I連接，豎向懸臂梁4的另一端形成自由端；豎向懸臂梁4的軸向與靜止狀態下的彈簧2互相平行；多個豎向懸臂梁4沿彈簧2固定位置處的周向分布；豎向懸臂梁4與彈簧2之間留有間隙； 所述支撐柱6的一端與底座I連接，支撐柱6的另一端與橫向懸臂梁7的一端連接，橫向懸臂梁7的另一端延伸至撞擊質量塊3上方；
每個豎向懸臂梁4上均粘貼有一壓電片8 ;橫向懸臂梁7上粘貼有一壓電片8 ；
每個豎向懸臂梁4的自由端均設置有一增幅質量塊5 ;橫向懸臂梁7上設置有一增幅質量塊5。
[0012]進一步地，所述豎向懸臂梁4上的壓電片8設置於豎向懸臂梁4上靠近底座I的位置處。
[0013]進一步地，所述橫向懸臂梁7上的壓電片8設置於橫向懸臂梁7上靠近支撐柱6的位置處。
[0014]進一步地，所述橫向懸臂梁7上的增幅質量塊5位於靜止狀態下的彈簧2正上方。
【權利要求】
1.一種基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器，其特徵在於:所述能量採集器由底座(I)、彈簧(2)、撞擊質量塊(3)、多個豎向懸臂梁(4)、多個增幅質量塊(5)、支撐柱(6)、橫向懸臂梁(7)和多個壓電片(8)組成； 所述彈簧(2 ) —端與底座(I)連接，彈簧(2 )另一端與撞擊質量塊(3 )連接，靜止狀態下，彈簧(2)能自然挺立； 所述豎向懸臂梁(4)的一端與底座(I)連接，豎向懸臂梁(4)的另一端形成自由端；豎向懸臂梁(4)的軸向與靜止狀態下的彈簧(2)互相平行；多個豎向懸臂梁(4)沿彈簧(2)固定位置處的周向分布；豎向懸臂梁(4)與彈簧(2)之間留有間隙； 所述支撐柱(6)的一端與底座(I)連接，支撐柱(6)的另一端與橫向懸臂梁(7)的一端連接，橫向懸臂梁(7 )的另一端延伸至撞擊質量塊(3 )上方； 每個豎向懸臂梁(4)上均粘貼有一壓電片(8);橫向懸臂梁(7)上粘貼有一壓電片(8); 每個豎向懸臂梁(4)的自由端均設置有一增幅質量塊(5);橫向懸臂梁(7)上設置有一增幅質量塊(5)。
2.根據權利要求1所述的基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器，其特徵在於:所述豎向懸臂梁(4)上的壓電片(8)設置於豎向懸臂梁(4)上靠近底座(I)的位置處。
3.根據權利要求1所述的基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器，其特徵在於:所述橫向懸臂梁(7)上的壓電片(8)設置於橫向懸臂梁(7)上靠近支撐柱(6)的位置處。
4.根據權利要求1所述的基於碰撞機理的寬頻多維能量採集器，其特徵在於:所述橫向懸臂梁(7)上的增幅質量塊(5)位於靜止狀態下的彈簧(2)正上方。
【文檔編號】H02N2/18GK103532434SQ201310530589
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年11月1日 優先權日:2013年11月1日
【發明者】楊進, 餘強模, 文玉梅, 李平, 嶽喜海 申請人:重慶大學