CN103414379B

CN103414379B - 基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器

Info

Publication number: CN103414379B
Application number: CN201310382930.3A
Authority: CN
Inventors: 刘海利; 黄震宇; 佘寻峰
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: CN103414379A

Abstract

本发明公开了一种基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器，包括能量收集结构和能量收集电路，其中，能量收集结构包括压电悬臂梁、线性谐振器和非线性激振器。压电能量收集器在压电悬臂梁上附加一个线性谐振器，可以获得距离比较近的两个共振峰，通过设计线性谐振器与压电悬臂梁的质量比、频率比和位置比等参数可以进一步将能量收集器的反共振峰转移到两共振峰外，从而获得较宽的工作频带；非线性激振器的引入可以增加系统共振峰的数量，而且通过设计系统参数可以进一步拓宽系统的工作频带，或者可以提高两共振峰间峰谷处的性能。

Description

基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器

技术领域

本发明涉及振动能量收集器，尤其涉及一种基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器。

背景技术

近年来，随着低能耗电子技术的发展，一些无线传感器和便携式设备的能耗水平大幅降低，这使得收集环境中的能量为这些无线器件供电成为可能。振动能在路桥建筑、生产设备以及日常生活中广泛存在，收集环境中的振动能有望解决无线器件使用中的电池定期更换的问题，成为近年来人们关注的课题。在常见的机电换能机制中，压电材料具有易于集成、输出电压高、适用于低频能量收集等优点，因而压电能量收集器是环境能量收集的理想器件之一。

传统压电悬臂梁可以利用其一阶模态的弯曲振动放大压电材料的应变，并可以将其基频与环境中的一个激励频率匹配从而获得较高的能量收集效率。然而，传统压电悬臂梁的工作频带较窄不能有效收集环境中较宽频带上的振动能。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型宽频带压电能量收集器。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种宽频带压电能量收集器。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器，包括能量收集结构和能量收集电路，其中，能量收集结构包括压电悬臂梁、线性谐振器和非线性激振器，压电悬臂梁具有沿轴向粘贴的压电片，线性谐振器和非线性激振器均与压电悬臂梁连接，压电片平行于压电悬臂梁轴向的表面电极和能量收集电路连接；能量收集电路包括全桥整流电路和收集电容。压电悬臂梁轴向是指以经过压电悬臂梁固定端和自由端的方向。

进一步地，压电悬臂梁采用铜基层或铝基层。

进一步地，线性谐振器包括第一质量块和第一线性弹性元件，第一质量块通过第一线性弹性元件与压电悬臂梁连接。

进一步地，第一线性弹性元件为弹簧。

进一步地，线性谐振器与压电悬臂梁的质量比为0.1～5.5，质量比是指线性谐振器与压电悬臂梁的质量之比。

进一步地，线性谐振器与压电悬臂梁的频率比为0.1～1.3，频率比是指线性谐振器与压电悬臂梁的一阶共振频率之比。

进一步地，线性谐振器与压电悬臂梁的位置比为0.1～0.9，位置比是指线性谐振器相对压电悬臂梁固定端的长度与压电悬臂梁长度之比。

进一步地，非线性激振器包括谐振结构和非线性结构，谐振结构包括第二线性弹性元件和第二质量块，第二质量块与第二线性弹性元件连接，可通过第二线性弹性元件与振动结构相连；非线性结构具有第三质量块，非线性结构一端与谐振单元的第二质量块相互作用，另一端与压电悬臂梁相连。

进一步地，非线性激振器与压电悬臂梁的位置比为0.1～0.9，位置比是指非线性激振器相对压电悬臂梁固定端的长度与压电悬臂梁长度之比。

进一步地，非线性结构一端与谐振单元的第二质量块的相互作用是非线性力作用，另一端与压电悬臂梁相连。

进一步地，非线性结构一端与谐振单元的第二质量块采用非线性弹性元件连接，另一端与压电悬臂梁相连。

进一步地，非线性结构一端与谐振单元的第二质量块采用非线性弹簧连接，另一端与压电悬臂梁相连。

更进一步地，该非线性弹簧的初始长度为1～100mm，初始长度是指处于平衡位置处第二质量块和第三质量块间的距离。

进一步地，第二质量块和第三质量块为极性相同或相异的磁铁。

进一步地，第三质量块的质量可以为零，即非线性力直接作用在压电悬臂梁上。

进一步地，基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器还包括端部质量块，该端部质量块固定于压电悬臂梁的自由端，端部质量块与压电悬臂梁的质量比为0～6，质量比是指端部质量块与压电悬臂梁的质量之比。

针对环境中最广泛存在的微幅、宽频的振动，本发明提出了一种基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器，是一种可以在微幅激励下保持较宽的工作频带的、高效的压电能量收集器。该压电能量收集器在压电悬臂梁上附加一个线性谐振器，可以获得距离比较近的两个共振峰，通过设计线性谐振器与压电悬臂梁的质量比、频率比和位置比等参数可以进一步将能量收集器的反共振峰转移到两共振峰外，从而获得较宽的工作频带；本发明提出的基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器具有非线性激振器，该非线性激振器由非线性结构，质量块和弹性元件组成，其中弹性元件和质量块组成谐振单元，该谐振单元的弹性元件与振动结构相连，非线性结构一端与谐振单元的质量块相连，另一端与压电悬臂梁相连；当谐振单元发生共振时，其质量块会产生大幅度的位移，从而通过非线性结构对压电悬臂梁产生激励作用。非线性激振器的引入可以增加系统共振峰的数量，而且通过设计系统参数可以进一步拓宽系统的工作频带，或者可以提高两共振峰间峰谷处的性能。在压电悬臂梁的一阶振动模态中，压电悬臂梁在振动方向的位移从其固支端到自由端从零逐渐增加到最大；而非线力在距离远时较弱距离近时较强，因而通过对非线性激振器放置位置以及非线性弹簧初始长度等结构参数的设计，可以使压电悬臂梁发生共振时，第三质量块即受动质量块只在非线性力较小的区域运动，使得非线性激振器对其影响较小从而能保持较高的效率；当非线性激振器中谐振单元发生共振时，第二质量块即激励质量块的大幅运动能进入与压电悬臂梁作用力较强的区域，从而对压电悬臂梁产生较强激励，在该频率处获得较高的效率。

压电悬臂梁在具有线性谐振器的基础上，将非线性激振器的共振频率设计在两个共振峰的一侧，利用其大幅运动产生的激励可以拓宽系统的工作频带；将非线性激振器的共振频率设计在两个共振峰中间的峰谷处则能提高峰谷的性能，同时由于压电悬臂梁共振时离固支端较近的位置处的幅值较小，受动质量块处于非线性力较弱的区域因而耦合作用较小仍能保持原来的性能。本发明提供的压电能量收集器用非线性激振器提高两个共振峰间的峰谷的性能，而且增加线性谐振器可以大大地提高系统的工作带宽。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器的示意图；

图2是本发明的另一个较佳实施例的基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器的示意图。

具体实施方式

实施例1

图1是本发明的一个较佳实施例的基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器的示意图。图中各符号分别表示，l—压电悬臂梁长；k_a—线性谐振器的刚度；c_a—线性谐振器的阻尼常数；m_a—线性谐振器的质量；m_t—端部质量块的质量；m_Ｓ—非线性激振器中第二质量块即激励质量块质量；m_Ｎ—非线性激振器中第三质量块即受动质量块质量；v—非线性激振器中两质量块的初始距离；(x_m,0)—非线性激振器的位置；(x_a,0)—线性谐振器的位置；k_m—非线性激振器中谐振单元的刚度；c_m—非线性激振器中谐振单元的阻尼常数；c_r—能量收集电路电容；R_L—能量收集电路电阻；1、2、3、4分别表示第一质量块、第二质量块、第三质量块、端部质量块。如图1所示，在本实施例中，基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器包括能量收集结构和能量收集电路，其中，能量收集结构包括压电悬臂梁、线性谐振器和非线性激振器，压电悬臂梁具有基层和沿轴向粘贴的压电片，线性谐振器和非线性激振器位于压电悬臂梁同侧，均与压电悬臂梁连接，压电片平行于压电悬臂梁轴向的两表面和能量收集电路连接；能量收集电路包括全桥整流电路和收集电容。压电悬臂梁采用铜基层并在双侧粘贴压电片的配置；线性谐振器包括第一质量块和第一线性弹性元件，第一质量块通过第一线性弹性元件与压电悬臂梁连接；非线性激振器包括谐振结构和非线性结构，谐振结构包括第二线性弹性元件和第二质量块，第二质量块与第二线性弹性元件连接，可通过第二线性弹性元件与振动结构相连；非线性结构具有第三质量块，非线性结构一端与谐振单元相互作用，另一端与压电悬臂梁相连，在本实施例中，第二弹性元件和第二质量块即激励质量块组成谐振单元，第二弹性元件可与振动结构相连，非线性结构的第三质量块即受动质量块一端与谐振单元的第二质量块通过非线性弹簧相连，另一端与压电悬臂梁相连，非线性弹簧使得谐振结构的第二质量块做大幅振动时，可以对压电悬臂梁产生较大的激励。基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器还包括端部质量块，该端部质量块固定于压电悬臂梁的自由端。

在压电悬臂梁上附加一个线性谐振器从而获得两个距离比较近的共振峰，通过设计线性谐振器与压电悬臂梁的质量比、频率比和位置比等参数将能量收集器的反共振峰转移到两共振峰外，从而获得较宽的工作频带。其中的非线性激振器中的谐振结构的共振频率略低于压电悬臂梁附加线性谐振器后的组合结构的共振频率，这样可以拓宽能量收集器的工作频带。在本实施例中，非线性激振器中的谐振结构的共振频率低于压电悬臂梁附加线性谐振器后的组合结构的共振频率1Hz。

定义压电悬臂梁的质量为m_b，其一阶共振频率为ω₁；线性谐振器的共振频率为非线性激振器中的谐振结构的共振频率为将线性谐振器、非线性激振器以及端部质量块的相关参数归一化，定义线性谐振器的质量比，位置比，频率比和阻尼比分别为：

μ_a=m_a/m_b,

p_a=x_a/l,

g_a=ω_a/ω₁,

ζ_a=c_a/2m_aω_a.

同样，定义非线性激振器质量比，位置比，频率比和阻尼比分别为：

μ_S=m_S/m_b,

p_m=x_m/l,

g_m=ω_m/ω₁,

ζ_m=c_m/2m_Sω_m.

定义端部质量块质量比：

μ_t=m_t/m_b.

非线性激振器第三质量块即受动质量块的质量比：

μ_N=m_N/m_b.

结构参数设置为：压电悬臂梁长度l为62.5mm、压电悬臂梁宽为20mm、铜基层厚为0.5mm、线性谐振器质量比为5.4、线性谐振器频率比为0.32、线性谐振器位置比为0.24、非线性激振器质量比为5.1、非线性激振器频率比为0.25、非线性激振器位置比为0.505、受动质量块的质量比为1.2、端部质量块质量比为3.1、非线性激振器中连接谐振结构和非线性结构的非线性弹簧初始长度为40mm。采用这种参数设置可以获得较宽的工作频带。

实施例2

图2是本发明的另一个较佳实施例的基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器的示意图。图中各符号分别表示：k_a—线性谐振器的刚度；c_a—线性谐振器的阻尼常数；m_a—线性谐振器的质量；m_t—端部质量块的质量；m_Ｓ—非线性激振器中激励质量块质量；m_Ｎ—非线性激振器中受动质量块质量；k_m—非线性激振器中谐振单元的刚度；c_m—非线性激振器中谐振单元的阻尼常数；c_r—能量收集电路电容；1、2、3、4分别表示第一质量块、第二质量块、第三质量块、端部质量块。在本实施例中，基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器包括能量收集结构和能量收集电路，其中，能量收集结构包括压电悬臂梁、线性谐振器和非线性激振器，压电悬臂梁具有基层和沿轴向粘贴的压电片，线性谐振器和非线性激振器位于压电悬臂梁同侧，均与压电悬臂梁连接，压电片平行于压电悬臂梁轴向的两表面和能量收集电路连接；能量收集电路包括全桥整流电路和收集电容。压电悬臂梁采用铜基层并在单侧粘贴压电片的配置；线性谐振器包括第一质量块和第一线性弹性元件，第一质量块通过第一线性弹性元件与压电悬臂梁连接；非线性激振器包括谐振结构和非线性结构，谐振结构包括第二线性弹性元件和第二质量块，第二质量块与第二线性弹性元件连接，可通过第二线性弹性元件与振动结构相连；非线性结构具有第三质量块，非线性结构一端与谐振单元相互作用，另一端与压电悬臂梁相连，基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器还包括端部质量块，该端部质量块固定于压电悬臂梁的自由端。

在本实施例中，压电悬臂梁采用铜基层并在单侧粘贴压电片的配置；非线性激振器采用两块永磁铁作为第二质量块即激励质量块和第三质量块即受动质量块，由于磁场力的大小与两磁对的距离之间不是等比的关系，从而构成了一种非线性力。这使得非线性激振器中的谐振结构的第二质量块即激励质量块做大幅振动时，可以对压电悬臂梁产生较大的激励。

在本实施例中，第二质量块即激励质量块和第三质量块即受动质量块采用永磁铁，并将二者配置为相互吸引。

结构参数设置为：压电悬臂梁长度l为62.5mm、压电悬臂梁宽为20mm、铜基层厚为0.58mm、压电片厚为0.508mm、线性谐振器质量比为5.4、线性谐振器频率比为0.32、线性谐振器位置比为0.24、非线性激振器质量比为5.1、非线性激振器频率比为0.25、非线性激振器位置比为0.5、受动质量块的质量比为1.2、端部质量块质量比为3.2、非线性激振器中谐振结构的第二质量块和非线性结构的第三质量块间的初始距离为40mm，初始距离是指平衡时第二质量块和第三质量块间的距离。采用这种参数设置可以获得较宽的工作频带。

实施例3

在本实施例中，基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器包括能量收集结构和能量收集电路，其中，能量收集结构包括压电悬臂梁、线性谐振器和非线性激振器，压电悬臂梁具有基层和沿轴向粘贴的压电片，线性谐振器和非线性激振器位于压电悬臂梁同侧，均与压电悬臂梁连接，压电片平行于压电悬臂梁轴向的两表面和能量收集电路连接；能量收集电路包括全桥整流电路和收集电容。压电悬臂梁采用铜基层并在单侧粘贴压电片的配置；线性谐振器包括第一质量块和第一线性弹性元件，第一质量块通过第一线性弹性元件与压电悬臂梁连接；非线性激振器包括谐振结构和非线性结构，谐振结构包括第二线性弹性元件和第二质量块，第二质量块与第二线性弹性元件连接，可通过第二线性弹性元件与振动结构相连；非线性结构具有第三质量块，非线性结构一端与谐振单元相互作用，另一端与压电悬臂梁相连，基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器还包括端部质量块，该端部质量块固定于压电悬臂梁的自由端。

在本实施例中，第二质量块和第三质量块采用永磁铁。与实施例2不同，本实施例将两磁块配置为相互排斥。

结构参数设置为：压电悬臂梁长度l为62.5mm、压电悬臂梁宽为20mm、铜基层厚为0.58mm、压电片厚为0.508mm、线性谐振器质量比为5.4、线性谐振器频率比为0.32、线性谐振器位置比为0.23、非线性激振器质量比为5.1、非线性激振器频率比为0.3、非线性激振器位置比为0.5、受动质量块的质量比为1.2、端部质量块质量比为2.8、非线性激振器中谐振结构的第二质量块和非线性结构的第三质量块间的初始距离为30mm，初始距离是指平衡时第二质量块和第三质量块间的距离。采用这种参数设置可以获得较宽的工作频带。

本实施例中，首先在压电悬臂梁上附加一个线性谐振器从而获得两个距离比较近的共振峰，通过设计线性谐振器与压电悬臂梁的质量比、频率比和位置比等参数将能量收集器的反共振峰转移到两共振峰外，从而获得较宽的工作频带。将非线性器件中的两磁块设置为排斥，并将其中谐振元件的共振频率在两共振峰间，这样可以提高峰谷处的性能，在整个工作频带获得较高的能量收集效率

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于线性谐振器和非线性激振器的压电能量收集器，包括能量收集结构和能量收集电路，其特征在于，能量收集结构包括压电悬臂梁、线性谐振器和非线性激振器，压电悬臂梁具有沿轴向粘贴的压电片，线性谐振器和非线性激振器均与压电悬臂梁连接，所述压电片的表面电极和能量收集电路连接；能量收集电路包括全桥整流电路和存储电容；

非线性激振器包括谐振结构和非线性结构，谐振结构包括第二线性弹性元件和第二质量块，第二质量块与第二线性弹性元件连接，通过第二线性弹性元件与振动结构相连；非线性结构具有第三质量块，非线性结构一端与谐振单元的第二质量块相互作用，另一端与压电悬臂梁相连。

2.如权利要求1所述的压电能量收集器，其特征在于，所述线性谐振器包括第一质量块和第一线性弹性元件，第一质量块通过第一线性弹性元件与压电悬臂梁连接。

3.如权利要求1所述的压电能量收集器，其特征在于，线性谐振器与压电悬臂梁的质量比为0.1～5.5。

4.如权利要求1所述的压电能量收集器，其特征在于，线性谐振器与压电悬臂梁的频率比为0.1～1.3，频率比是指线性谐振器与压电悬臂梁的一阶共振频率之比。

5.如权利要求1所述的压电能量收集器，其特征在于，线性谐振器与压电悬臂梁的位置比为0.1～0.9，位置比是指线性谐振器相对压电悬臂梁固定端的长度与压电悬臂梁长度之比。

6.如权利要求1所述的压电能量收集器，其特征在于，非线性激振器与压电悬臂梁的位置比为0.1～0.9，位置比是指非线性激振器相对压电悬臂梁固定端的长度与压电悬臂梁长度之比。

7.如权利要求1所述的压电能量收集器，其特征在于，非线性结构一端与谐振单元的第二质量块的相互作用是非线性力作用，另一端与压电悬臂梁相连。

8.如权利要求1或7所述的压电能量收集器，其特征在于，非线性结构一端与谐振单元的第二质量块采用非线性弹性元件连接，另一端与压电悬臂梁相连。

9.如权利要求1所述的压电能量收集器，其特征在于，第二质量块和第三质量块为极性相同或相异的磁铁。