CN104158440B - 一种升频式振动能量采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升频式振动能量采集系统及采集方法，通过低频谐振结构感应环境振动频率，并通过低频谐振结构振动后与高频谐振结构的接触碰撞使得高频谐振结构实现自激振动，以达到升频的目的。通过高频谐振结构的高频率振动，使得高频振动梁上的压电材料层产生周期性拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化，兼顾高密度输出和低工作频率。低频谐振结构的振动梁具有较低的结构刚度与较大的谐振质量，可将共振频率降低到50Hz以下，对环境振动频率的感应灵敏，适用范围较广。

Description

一种升频式振动能量采集系统及采集方法

技术领域

本发明属于微能源采集技术领域，具体涉及一种升频式振动能量采集系统及采集方法。

背景技术

振动能以不同的形式、强度和频率广泛存在于桥梁、楼宇、船舶、车辆、机械设备、家用电器等各种生产和生活设备中。因此对振动能进行采集为无线传感网络、嵌入式系统等低功耗设备供电有着广泛的应用前景。例如，Perpetuum公司生产的振动能量采集器成功应用在火车车轮的轴承监测上；Ferro Solutions公司的振动能量采集器被应用于美国海军的轮船和潜艇的健康监测中。

为了实现高效能量采集，振动型能量采集器的设计需要其固有频率与环境振动源频率相匹配，同时要求有较宽的工作频带以适应振动源频率的随机变化。研究表明多数振动源的频率在200Hz以下，甚至低于50Hz。目前的微小型振动能量采集器往往无法同时兼顾高密度输出和低工作频率。具有较高能量输出的能量采集器件往往工作频率也较高，而在具备较低工作频率时又难以实现能量高密度输出。研究在低频率振动下的高效能量采集是当前微小型振动能量采集技术的关键瓶颈问题。

目前的微小型振动能量采集器在低频振动环境下电量输出很低，无法满足低功耗设备器件的供电需求。为实现低频振动的高密度输出，因此需要对原有的低频振动进行升频处理，现有的升频式能量采集器需要在低频和高频谐振结构中组装磁铁，通过磁铁吸引力或排斥力实现低频振动向高频振动的转换，但该结构中磁铁所占面积较大，结构较为复杂，这对于能量采集器的微型化和系统化集成提出巨大挑战。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的升频式能量采集系统，实现对低频振动的灵敏感应及高效转化，同时简化采集系统的结构，实现采集系统的微型化与集成化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种升频式振动能量采集系统及采集方法，通过低频谐振结构与高频谐振结构的接触碰撞，使得高频谐振结构实现自激振动达到升频的目的，且通过压电材料层的拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化。该采集系统的结构简单，有利于实现采集系统的微型化与集成化。

根据本发明的目的提出了一种升频式振动能量采集系统，包括高频谐振结构与低频谐振结构，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构依次间隔固定设置，所述高、低频谐振结构分别包括固定部件、质量块、以及连接固定部件与质量块的振动梁，高频振动梁表面依次设置有底部电极层、压电材料层与顶部电极层，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构间的间距小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值。

优选的，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构平行设置。

优选的，所述高频谐振结构的振动梁为硅基悬臂梁。

优选的，所述低频谐振结构的振动梁为硅基或聚合物悬臂梁。

优选的，所述低频谐振结构的振动梁为直梁、单S型或多S型悬臂梁。

优选的，所述高频谐振结构设置于所述低频谐振结构一侧，或对称设置于所述低频谐振结构的两侧。

优选的，所述压电材料层为压电薄膜或压电厚膜。

一种基于升频式振动能量采集系统的采集方法，具体步骤如下：

S1：高频谐振结构与低频谐振结构上下固定设置，高频谐振结构可设置于低频谐振结构上、下两侧或一侧，高频谐振结构与低频谐振结构间的间距小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值；

S2：初始接触，在外界振动激励下，低频谐振结构的振动梁发生摆动，自水平位置向上侧或下侧摆动，与高频谐振结构的振动梁产生接触；

S3：协同运动，低频与高频的振动梁接触耦合并一起运动至一侧最高位置处；

S4：非完全弹性释放，之后低频与高频的振动梁一起反向运动，高频的振动梁开始发生非完全弹性释放，产生自激振动，低频的振动梁继续运动与另一高频振动梁接触，通过接触实现另一高频振动梁的自激振动；

S5：高频振动梁的周期性往复运动会导致压电材料层的周期性拉伸与压缩，基于压电效应，实现振动能向电能的转化输出。

与现有技术相比，本发明公开的升频式振动能量采集系统及采集方法的优点是：通过低频谐振结构感应环境振动频率，并通过低频谐振结构振动后与高频谐振结构的接触碰撞使得高频谐振结构实现自激振动，以达到升频的目的。

通过高频谐振结构的高频率振动，使得高频振动梁上的压电材料层产生周期性拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化，兼顾高密度输出和低工作频率。

低频谐振结构的振动梁具有较低的结构刚度与较大的谐振质量，可将共振频率降低到50Hz以下，对环境振动频率的感应灵敏，适用范围较广。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为高频谐振结构的结构示意图。

图2为高频谐振结构的截面图。

图3为本发明公开的低频谐振结构的结构示意图。

图4为振动能量采集系统的结构示意图。

图5为初始碰撞状态图。

图6为协同运动状态图。

图7为非完全弹性释放状态图。

图8为高频谐振结构的电压输出波形图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、高频谐振结构 2、低频谐振机构 3、固定部件 4、振动梁 5、质量块 11、底部电极层 12、压电材料层 13、顶部电极层

具体实施方式

目前的微小型振动能量采集器在低频振动环境下电量输出很低，无法满足低功耗设备器件的供电需求。为实现低频振动的高密度输出，因此需要对原有的低频振动进行升频处理，现有的升频式能量采集器需要在低频和高频谐振结构中组装磁铁，通过磁铁吸引力或排斥力实现低频振动向高频振动的转换，但该结构中磁铁所占面积较大，结构较为复杂，这对于能量采集器的微型化和系统化集成提出巨大挑战。

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种升频式振动能量采集系统及采集方法，通过低频谐振结构与高频谐振结构的接触碰撞，使得高频谐振结构实现自激振动以达到升频的目的，且通过压电材料层的拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化，该采集系统的结构简单，实现采集系统的微型化与集成化。

下面将通过具体实施方式对本发明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作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。

请一并参见图1至图7，一种升频式振动能量采集系统，包括高频谐振结构1与低频谐振结构2，高频谐振结构1与低频谐振结构2依次间隔固定设置，高频谐振结构平行且对称的设置于低频谐振结构的上下侧，且高频谐振结构与低频谐振结构间的间距小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值。低频谐振结构可感应外部环境的振动频率，并随其产生共振，通过低频谐振结构与高频谐振结构间接触将振动传递给高频谐振结构，高频谐振结构实现自激振动，达到升频的目的。其中高频谐振结构可以设置于低频谐振结构的任一侧或对称设置于两侧，具体方式不做限制。

高、低频谐振结构分别包括固定部件3，质量块5，以及连接固定部件与质量块的振动梁4，高频谐振结构的振动梁表面依次设置有底部电极层11、压电材料层12与顶部电极层13，通过在高频振动梁的表面镀有压电材料层，高频振动梁的周期性往复运动会导致压电材料层的周期性拉伸与压缩，基于压电效应，可实现机械能转化向电能有效转化，兼顾低工作频率与高密度输出的优点。

高频谐振结构1为硅基悬臂梁。其中，压电材料层可为压电薄膜或压电厚膜。通过压电薄膜与振动梁的配合实现振动能量的采集，有效的简化了采集系统的结构，有利于采集系统的微型化与集成度。

低频谐振结构的振动梁为聚合物材料双S型悬臂梁。该悬臂梁具有较低的结构刚度和较大的谐振质量，便于响应低频环境的振动，并随外部环境的振动发生共振，共振频率可降低至50Hz以下，对环境振动频率的感应灵敏，适用范围较广。高频谐振结构与低频谐振机构均可采用微加工手段制备。

其中聚合物材料可为橡胶、树脂或塑料等，如聚酰亚胺(Polymide)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚对二甲苯(Parylene)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。低频谐振结构的振动梁还可采用硅基材料制备。低频振动梁的结构形状及材料可根据待采集振动频率值进行选择，一般可为直梁、单S型或多S型悬臂梁等，具体结构不做限制。

一种基于升频式振动能量采集系统的采集方法，具体步骤如下：

S1：高频谐振结构与低频谐振结构上下固定设置，高频谐振结构可设置于低频谐振结构上、下两侧或一侧，高频谐振结构与低频谐振结构间的间距小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值；

S2：初始接触，在外界振动激励下，低频谐振结构的振动梁发生摆动，自水平位置向上侧或下侧摆动，与高频谐振结构的振动梁产生接触；

S3：协同运动，低频与高频的振动梁接触耦合并一起运动至一侧最高位置处；

S4：非完全弹性释放，之后低频与高频的振动梁一起反向运动，高频的振动梁开始发生非完全弹性释放，产生自激振动，低频的振动梁继续运动与另一高频振动梁接触，通过接触实现另一高频振动梁的自激振动；

S5：高频振动梁的周期性往复运动会导致压电材料层的周期性拉伸与压缩，基于压电效应，实现振动能向电能的转化输出。

请参见图5至图7，升频原理如下：

系统中的低频谐振结构具有较低的结构刚度和较大的谐振质量。高频谐振结构在低频谐振结构的上下两端或一端，具有较高的结构刚度和较小的谐振质量。组装要精确控制高、低频谐振结构间隙小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值。以一个低频振动梁的半个谐振周期为例，低频和高频振动梁的碰撞过程经历了初始接触(图5)、协同运动(图6)和非完全弹性释放(图7)过程。在外界振动激励下，低频振动梁从位置1运动到位置2时开始接触碰撞到上端的高频振动梁(图5)。自此，低频与高频振动梁接触耦合并一起从位置2运动到最高位置3(图6)，然后一起向下运动到位置4。此时，开始发生非完全弹性释放，低频振动梁将继续向下运动到位置1，而被释放的高频振动梁则开始在其共振频率下自激振动(图7)。当低频振动梁继续运动到位置1时，开始接触碰撞到下端的高频振动梁。同理，通过接触碰撞实现下端高频振动梁的自激振动。此方法基于碰撞作用下实现了能量采集器在低频环境振动到高频系统自激振动的有效转化。

实施例

在前期工作中对基于碰撞升频机制的压电能量采集系统做了实验工作，通过MEMS硅基工艺制备了低频和高频压电微结构梁。实验中的高、低频谐振梁芯片尺寸均为5.2mm*4.2mm*0.4mm。低频振动梁采用双S型设计可将共振频率降低到20Hz。高频振动梁共振频率为127Hz，表面镀有压电薄膜层，可通过压电效应将机械能转换为电能输出。图8为高低频谐振结构的电压输出波形图的测试结果，由图可见高频谐振梁(127Hz)的电压输出远远高于低频谐振梁(20Hz)的电压输出，有效实现低频率高输出的目的。

本发明公开了一种升频式振动能量采集系统及采集方法，通过低频谐振结构感应环境振动频率，并通过低频谐振结构振动后与高频谐振结构的接触碰撞使得高频谐振结构实现自激振动，以达到升频的目的。

通过高频谐振结构的高频率振动，使得高频振动梁上的压电材料层产生周期性拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化，兼顾高密度输出和低工作频率。

低频谐振结构的振动梁具有较低的结构刚度与较大的谐振质量，可将共振频率降低到50Hz以下，对环境振动频率的感应灵敏，适用范围较广。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种升频式振动能量采集系统，其特征在于，包括高频谐振结构与低频谐振结构，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构依次间隔固定设置，所述高、低频谐振结构分别包括固定部件、质量块、以及连接固定部件与质量块的振动梁，高频振动梁表面依次设置有底部电极层、压电材料层与顶部电极层，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构间的间距小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值。

2.如权利要求1所述的升频式振动能量采集系统，其特征在于，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构平行设置。

3.如权利要求1所述的升频式振动能量采集系统，其特征在于，所述高频谐振结构的振动梁为硅基悬臂梁。

4.如权利要求1所述的升频式振动能量采集系统，其特征在于，所述低频谐振结构的振动梁为硅基或聚合物悬臂梁。

5.如权利要求4所述的升频式振动能量采集系统，其特征在于，所述低频谐振结构的振动梁为直梁、单S型或多S型悬臂梁。

6.如权利要求1所述的升频式振动能量采集系统，其特征在于，所述高频谐振结构设置于所述低频谐振结构一侧，或对称设置于所述低频谐振结构的两侧。

7.如权利要求1所述的升频式振动能量采集系统，其特征在于，所述压电材料层为压电薄膜或压电厚膜。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的升频式振动能量采集系统的采集方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1：高频谐振结构与低频谐振结构上下固定设置，高频谐振结构可设置于低频谐振结构上、下两侧或一侧，高频谐振结构与低频谐振结构间的间距小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值；

S2：初始接触，在外界振动激励下，低频谐振结构的振动梁发生摆动，自水平位置向上侧或下侧摆动，与高频谐振结构的振动梁产生接触；

S3：协同运动，低频与高频的振动梁接触耦合并一起运动至一侧最高位置处；

S4：非完全弹性释放，之后低频与高频的振动梁一起反向运动，高频的振动梁开始发生非完全弹性释放，产生自激振动，低频的振动梁继续运动与另一高频振动梁接触，通过接触实现另一高频振动梁的自激振动；

S5：高频振动梁的周期性往复运动会导致压电材料层的周期性拉伸与压缩，基于压电效应，实现振动能向电能的转化输出。