CN103532434B - 基于碰撞机理的宽频多维能量采集器 - Google Patents

Abstract

一种基于碰撞机理的宽频多维能量采集器，其结构为：所述能量采集器由底座、弹簧、撞击质量块、多个竖向悬臂梁、多个增幅质量块、支撑柱、横向悬臂梁和多个压电片组成；多个竖向悬臂梁和横向悬臂梁分别与多个增幅质量块形成多个能量采集单元，弹簧和撞击质量块形成振动感应部，多个能量采集单元将振动感应部包围在内，从而使能量采集器能够对多方向的振动能量进行采集；本发明的有益技术效果是：本发明的能量采集器具备能量回收多向性的特点，同时还具备宽频特性，能够加有效地对外界振动能量进行采集，另外，本发明结构简单，除了工作过程稳定可靠外，还十分利于装置的小型化。

Description

基于碰撞机理的宽频多维能量采集器

技术领域

    本发明涉及一种能量采集器，尤其涉及一种基于碰撞机理的宽频多维能量采集器。

背景技术

振动能量是环境中普遍存在的能源，包括人为的（如汽车、各种机械的振动等）和自然存在的振动（如风致振动等）；随着微功率电子产品及微型无线传感技术的发展，如何有效地将环境中的振动能量转化为电能以满足微型器件自供能需求，得到了广泛的关注和研究。

现有的振动能量采集方式主要有三种，静电式(electrostatic)、电磁式(electromagnetic)和压电式(piezoelectric）；其中，由于压电振动能量采集装置具有结构简单, 不发热, 无电磁干扰, 无污染,易于加工制作和实现机构的微小化等诸多优点而备受关注。

现有的压电振动能量采集装置普遍存在频带较窄、能量回收方向单一的缺陷。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于碰撞机理的宽频多维能量采集器，其结构为：所述能量采集器由底座、弹簧、撞击质量块、多个竖向悬臂梁、多个增幅质量块、支撑柱、横向悬臂梁和多个压电片组成；

所述弹簧一端与底座连接，弹簧另一端与撞击质量块连接，静止状态下，弹簧能自然挺立；

所述竖向悬臂梁的一端与底座连接，竖向悬臂梁的另一端形成自由端；竖向悬臂梁的轴向与静止状态下的弹簧互相平行；多个竖向悬臂梁沿弹簧固定位置处的周向分布；竖向悬臂梁与弹簧之间留有间隙；

所述支撑柱的一端与底座连接，支撑柱的另一端与横向悬臂梁的一端连接，横向悬臂梁的另一端延伸至撞击质量块上方；

每个竖向悬臂梁上均粘贴有一压电片；横向悬臂梁上粘贴有一压电片；

每个竖向悬臂梁的自由端均设置有一增幅质量块；横向悬臂梁上设置有一增幅质量块。

前述方案的原理是：由竖向悬臂梁、增幅质量块和压电片所组成的结构体即形成一个能量采集单元；横向悬臂梁、增幅质量块和压电片也组成一能量采集单元；在外部振动作用下，弹簧就会晃动（撞击质量块对弹簧的晃动幅度具有增幅作用），当弹簧的晃动幅度达到一定程度时，撞击质量块就会与竖向悬臂梁或横向悬臂梁发生碰撞，竖向悬臂梁或/和横向悬臂梁就会在撞击作用下出现弹性振动，在振动作用下，梁身就会发生弯曲形变，粘贴在梁身上的压电片也会随之发生形变，从而产生电信号；由于弹簧被多个竖向悬臂梁和横向悬臂梁所组成的多个能量采集单元所包围，因此，无论弹簧向哪个方向运动，都能被能量采集单元采集到，使得能量采集装置的能量回收方向具备多向性的特点；

弹簧和悬臂梁结构的碰撞可等效为双悬臂梁碰撞模型，频率低的悬臂梁记为悬臂梁a（即由弹簧所形成的悬臂梁）,频率高的悬臂梁记为悬臂梁b（即由竖向悬臂梁或横向悬臂梁所形成的悬臂梁）；悬臂梁的固有频率可通过调整质量块的质量来进行调整）；若两根悬臂梁在n个激励周期中碰撞了p次则其碰撞振动形式为k=p/n型碰撞（简称k类型碰撞）；碰撞引起悬臂梁的弹性振动，弹性振动不仅影响系统的运动规律，而且影响撞击力的变化，由于存在柔性效应，撞击力出现高阶振荡，同时这种k类型碰撞还存在以下特点：一、当外界环境激励作用于悬臂梁a时，随着激励频率的增加，碰撞类型会强烈的依赖于激励幅值，其微弱的变化会引起碰撞类型的本质变化，因此在碰撞过程中，可能存在多阶频率；二、当外界环境激励频率远离频率较低的悬臂梁a的第一阶固有频率时，受到微弱激励的悬臂梁a经过一短暂弱碰撞后会产生不稳定运动，随后很快与较高频率的悬臂梁b同时锁定到一强烈的稳定振动，这一过程类似于“频率锁定”行为，是一种非线性共振现象；三、两悬臂梁同时存在性质相异的碰撞振动，如谐碰撞与混沌运动共存等等，由此可见碰撞导致系统呈现强非线性，由于该非线性的存在，使得悬臂梁较大形变能在较宽的外界激励频带内得到保持，从而使该能量采集器具有宽频特性。

基于悬臂梁的振动特性，梁身的形变最大位置处靠近其固定端，故，优选地，所述竖向悬臂梁上的压电片设置于竖向悬臂梁上靠近底座的位置处；同理，所述横向悬臂梁上的压电片设置于横向悬臂梁上靠近支撑柱的位置处。

为了横向悬臂梁能更加有效地与撞击质量块发生碰撞，优选地，所述横向悬臂梁上的增幅质量块位于静止状态下的弹簧正上方。

本发明的有益技术效果是：本发明的能量采集器具备能量回收多向性的特点，同时还具备宽频特性，能够加有效地对外界振动能量进行采集，另外，本发明结构简单，除了工作过程稳定可靠外，还十分利于装置的小型化。

附图说明

图1、本发明的结构示意图一；

图2、本发明的结构示意图二；

图中各个标记所对应的部件分别为：底座1、弹簧2、撞击质量块3、多个竖向悬臂梁4、多个增幅质量块5、支撑柱6、横向悬臂梁7、多个压电片8。

具体实施方式

一种基于碰撞机理的宽频多维能量采集器，其结构为：所述能量采集器由底座1、弹簧2、撞击质量块3、多个竖向悬臂梁4、多个增幅质量块5、支撑柱6、横向悬臂梁7和多个压电片8组成；

所述弹簧2一端与底座1连接，弹簧2另一端与撞击质量块3连接，静止状态下，弹簧2能自然挺立；

所述竖向悬臂梁4的一端与底座1连接，竖向悬臂梁4的另一端形成自由端；竖向悬臂梁4的轴向与静止状态下的弹簧2互相平行；多个竖向悬臂梁4沿弹簧2固定位置处的周向分布；竖向悬臂梁4与弹簧2之间留有间隙；

所述支撑柱6的一端与底座1连接，支撑柱6的另一端与横向悬臂梁7的一端连接，横向悬臂梁7的另一端延伸至撞击质量块3上方；

每个竖向悬臂梁4上均粘贴有一压电片8；横向悬臂梁7上粘贴有一压电片8；

每个竖向悬臂梁4的自由端均设置有一增幅质量块5；横向悬臂梁7上设置有一增幅质量块5。

进一步地，所述竖向悬臂梁4上的压电片8设置于竖向悬臂梁4上靠近底座1的位置处。

进一步地，所述横向悬臂梁7上的压电片8设置于横向悬臂梁7上靠近支撑柱6的位置处。

    进一步地，所述横向悬臂梁7上的增幅质量块5位于静止状态下的弹簧2正上方。

Claims (4)

1.一种基于碰撞机理的宽频多维能量采集器，其特征在于：所述能量采集器由底座（1）、弹簧（2）、撞击质量块（3）、多个竖向悬臂梁（4）、多个增幅质量块（5）、支撑柱（6）、横向悬臂梁（7）和多个压电片（8）组成；

所述弹簧（2）一端与底座（1）连接，弹簧（2）另一端与撞击质量块（3）连接，静止状态下，弹簧（2）能自然挺立；

所述竖向悬臂梁（4）的一端与底座（1）连接，竖向悬臂梁（4）的另一端形成自由端；竖向悬臂梁（4）的轴向与静止状态下的弹簧（2）互相平行；多个竖向悬臂梁（4）沿弹簧（2）固定位置处的周向分布；所述多个竖向悬臂梁（4）均与弹簧（2）之间留有间隙；

所述支撑柱（6）的一端与底座（1）连接，支撑柱（6）的另一端与横向悬臂梁（7）的一端连接，横向悬臂梁（7）的另一端延伸至撞击质量块（3）上方；

每个竖向悬臂梁（4）上均粘贴有一压电片（8）；横向悬臂梁（7）上粘贴有一压电片（8）；

每个竖向悬臂梁（4）的自由端均设置有一增幅质量块（5）；横向悬臂梁（7）上设置有一增幅质量块（5）。

2.根据权利要求1所述的基于碰撞机理的宽频多维能量采集器，其特征在于：所述竖向悬臂梁（4）上的压电片（8）设置于竖向悬臂梁（4）上靠近底座（1）的位置处。

3.根据权利要求1所述的基于碰撞机理的宽频多维能量采集器，其特征在于：所述横向悬臂梁（7）上的压电片（8）设置于横向悬臂梁（7）上靠近支撑柱（6）的位置处。

4.根据权利要求1所述的基于碰撞机理的宽频多维能量采集器，其特征在于：所述横向悬臂梁（7）上的增幅质量块（5）位于静止状态下的弹簧（2）正上方。