CN105119524A - 振动能量收集装置、终端设备及振动能量收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种振动能量收集装置、终端设备及振动能量收集方法，该装置包括：加速度传感器以及至少一个能量转换单元；能量转换单元包括：压电悬臂梁、步进电机和控制器；其中，压电悬臂梁包括基板，基板的夹持端与步进电机的转轴末端相啮合；步进电机连接至控制器；控制器用于根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及加速度传感器上报的振动信息，确定步进电机的转轴末端与夹持端之间的目标啮合位置，并将目标啮合位置发送给步进电机；步进电机，用于根据目标啮合位置调节步进电机的转轴的旋转角度，以使压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振；可使压电悬臂梁快速与当前所处振动环境谐振，产生最多的电能。

Description

振动能量收集装置、终端设备及振动能量收集方法

技术领域

本发明实施例涉及压电发电技术，尤其涉及一种振动能量收集装置、终端设备及振动能量收集方法。

背景技术

通常情况下，终端设备通过化学电池供电，该方式需要不定期给电池充电，不仅会给用户带来不便，并且每给电池充一次电便会缩短电池的使用寿命；而压电发电装置通过利用压电效应可将周围环境中振动的机械能转换成电能，以满足低耗能终端设备的电能需求，且其结构简单、无污染和成本低等优点，使得如何利用压电发电装置为终端设备供能已成为一个研究热点。

现有的压电发电装置，通过固定质量块和可动质量块相结合的方式，在一定范围内调节谐振频率；具体地，该压电发电装置的压电悬臂梁包括：可动质量块和固定质量块，其中，可动质量块是表面有螺纹的柱状体，固定质量块内部有与所述可动质量块表面螺纹相吻合的螺孔；通过拧动可动质量块使可动质量块在固定质量块中的位置发生变化，即调整了可动质量块的重心的位置，有效调整了压电悬臂梁的长度，从而调整了该装置的谐振频率。

可见，现有的压电发电装置需要通过手动方式多次调节压电悬臂梁的长度，时常存在调节不准确，从而无法使压电悬臂梁达到谐振。

发明内容

本发明实施例提供一种振动能量收集装置、终端设备及振动能量收集方法，可使压电悬臂梁快速与当前所处振动环境谐振，以产生最多的电能。

第一方面，本发明实施例提供一种振动能量收集装置，包括：加速度传感器以及至少一个能量转换单元；

所述能量转换单元，包括：压电悬臂梁、步进电机和控制器；

其中，所述压电悬臂梁包括基板，所述基板的夹持端与所述步进电机的转轴末端相啮合；所述步进电机连接至所述控制器；

所述加速度传感器，用于检测当前所处振动环境的振动信息，并将所述振动信息上报给所述控制器；

所述控制器用于根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定所述步进电机的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置，并将所述目标啮合位置发送给所述步进电机；

所述步进电机，用于根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度，以使所述压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振；

所述压电悬臂梁，用于将机械能转换为电能，并输出所述电能。

第二方面，本发明实施例提供一种终端设备，包括：如上述第一方面中所述的振动能量收集装置；其中，所述振动能量收集装置固定于所述终端设备上。

第三方面，本发明实施例提供一种振动能量收集方法，所述振动能量收集方法应用于如上述第二方面中所述的终端设备中，所述方法包括：

获取所述终端设备当前所处振动环境的振动信息；

根据所述振动信息调整步进电机的转轴末端与基板的夹持端之间的啮合位置，以使压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振。

本发明中提供的振动能量收集装置包括：用于检测当前所处振动环境的振动信息，并将所述振动信息上报给控制器的加速度传感器以及至少一个能量转换单元；所述能量转换单元包括：用于将机械能转换为电能，并输出所述电能的压电悬臂梁、步进电机和控制器；其中，所述压电悬臂梁包括基板，所述基板的夹持端与所述步进电机的转轴末端相啮合；所述步进电机连接至所述控制器；所述控制器用于根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定所述步进电机的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置，并将所述目标啮合位置发送给所述步进电机；所述步进电机用于根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度，使调整后的压电悬臂梁的长度等于所述振动环境的振动频率对应的压电悬臂梁的谐振长度，从而使所述压电悬臂梁快速与当前所处振动环境谐振，产生最多的电能。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为本发明振动能量收集装置实施例一的结构示意图；

图1B为本发明振动能量收集装置的压电悬臂梁的一种结构示意图；

图2A为本发明振动能量收集装置实施例二的结构示意图；

图2B为本发明振动能量收集装置实施例三的结构示意图；

图2C为本发明振动能量收集装置实施例四的结构示意图；

图2D为本发明能量管理的电路示意图；

图2E为本发明整流电路的电路示意图；

图3为本发明能量转换单元的排列结构示意图；

图4为本发明振动能量收集方法实施例一的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

由于传统的化学电池存在需不定期充电，使用寿命比较有限等缺点，已经逐渐不能满足终端设备的供电要求；而压电发电装置通过利用压电效应可将周围环境中振动的机械能转换成电能，以满足低耗能终端设备的电能需求，并且其结构简单、无电磁干扰、无污染和成本低等优点，使得利用压电发电装置为终端设备供能已成为一个研究热点。本发明实施例中提供了一种振动能量收集装置，该装置可以有效地收集由振动环境中的机械能转换后的电能，以为终端设备供电。

图1A为本发明振动能量收集装置实施例一的结构示意图，如图1A所示，该振动能量收集装置包括：加速度传感器1以及至少一个能量转换单元2(可选地，图1A中以该振动能量收集装置包括一个能量转换单元2为例进行说明)；其中，能量转换单元2包括：压电悬臂梁21、步进电机22和控制器23；其中，所述压电悬臂梁21包括基板210，所述基板210的夹持端与所述步进电机22的转轴末端相啮合；所述步进电机22连接至所述控制器23；其中，所述加速度传感器1用于检测当前所处振动环境的振动信息，并将所述振动信息上报给所述控制器23；所述控制器23用于根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定所述步进电机22的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置，并将所述目标啮合位置发送给所述步进电机22；所述步进电机22用于根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度，以使所述压电悬臂梁21与当前所处振动环境谐振；所述压电悬臂梁21用于将机械能转换为电能，并输出所述电能。

本发明实施例中，该振动能量收集装置包括：用于检测当前所处振动环境的振动信息，并将所述振动信息上报给控制器的加速度传感器1以及至少一个能量转换单元2(可选地，该实施例中以该振动能量收集装置包括一个能量转换单元2为例进行说明)；所述能量转换单元2包括：用于将机械能转换为电能，并输出所述电能的压电悬臂梁21(所述压电悬臂梁21包括基板210，所述基板210的夹持端与所述步进电机22的转轴末端相啮合)、用于根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及加速度传感器1上报的所述振动信息，确定所述步进电机22的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置，并将所述目标啮合位置发送给所述步进电机22的控制器23和用于根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度，以使所述压电悬臂梁21与当前所处振动环境谐振的步进电机22；其中，所述步进电机连接至所述控制器。可选地，所述振动信息至少包括：振动频率。可选地，所述振动能量收集装置还包括用于固定加速度传感器1和步进电机22的基座(可选地，所述步进电机通过夹持装置固定于所述基座上)；当然，所述加速度传感器1和步进电机22还可通过其他方式进行固定，本发明实施例对此并不作限制。可选地，所述基板210的夹持端沿基板长度方向上设有至少两个预设间距的锯齿状突起，所述步进电机的转轴末端上设置有可与所述锯齿状突起相拟合的锯齿结构，从而基板210的夹持端与所述步进电机22的转轴末端之间通过相拟合的锯齿状突起和锯齿结构进行啮合。

通常情况下，振动环境的振动频率是变化的，并且由于一定长度的压电悬臂梁结构对应一个机械谐振频率(即压电悬臂梁的谐振长度与谐振频率一一相对应)；本发明实施例中，所述控制器23根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定与所述振动环境的振动频率对应的压电悬臂梁的谐振长度，进一步地，确定出所述步进电机的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置(若所述步进电机的转轴末端与所述夹持端的啮合位置达到该目标啮合位置，则能使所述压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振)，并将所述目标啮合位置发送给所述步进电机；进一步地，所述步进电机22根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度，以使所述步进电机的转轴末端与所述夹持端的啮合位置达到该目标啮合位置，即调整了压电悬臂梁21的长度(其中，一定长度的压电悬臂梁21具有一定的机械谐振频率)，使调整后的压电悬臂梁21的长度等于所述振动环境的振动频率对应的压电悬臂梁的谐振长度，从而使所述压电悬臂梁21与当前所处振动环境谐振，即压电悬臂梁21的自由端的振动幅度保持最大，压电悬臂梁21中的压电片根部受到最大的应力及产生最大的应变，从而产生最多的电能。

可选地，所述控制器可以为所述振动能量收集装置内部的控制器，也可以为所述振动能量收集装置外部的控制器，如包含所述振动能量收集装置的终端设备中的控制器；本发明对控制器的设置方式并不作限制。

本发明实施例中提供的振动能量收集装置包括：用于检测当前所处振动环境的振动信息，并将所述振动信息上报给控制器的加速度传感器，以及至少一个能量转换单元；所述能量转换单元包括：用于将机械能转换为电能，并输出所述电能的压电悬臂梁、步进电机和与所述步进电机相连接的控制器；其中，所述压电悬臂梁包括基板，所述基板的夹持端与所述步进电机的转轴末端相啮合；所述控制器用于根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定所述步进电机的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置，并将所述目标啮合位置发送给所述步进电机；所述步进电机用于根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度，使调整后的压电悬臂梁21的长度等于所述振动环境的振动频率对应的压电悬臂梁的谐振长度，从而使所述压电悬臂梁21快速与当前所处振动环境谐振，产生最多的电能。

图1B为本发明振动能量收集装置的压电悬臂梁的一种结构示意图。如图1B所示，可选地，压电悬臂梁21包括：基板210、设置在所述基板210的自由端的质量块211、贴合在所述基板上的压电片212；可选地，基板210采用磷青铜材料，所述质量块211可为不锈钢材质的，压电片212可通过导电胶贴合于基板210上，所述压电片212可以为一定厚度的压电陶瓷材料，如PZT-5H。

可选地，所述步进电机22包括：驱动电路；所述步进电机22的驱动电路连接至所述控制器23，对应地，所述控制器23将所述目标啮合位置发送给所述步进电机的驱动电路，所述步进电机的驱动电路根据所述目标啮合位置发出步进电机控制脉冲信号，调节所述步进电机22的转轴的旋转角度，以使所述压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振。

为了将所述振动能量收集装置收集到的电能供给需要自供电的终端设备，可选地，在上述实施例的基础上，该振动能量收集装置还包括：与所述压电悬臂梁的电能输出端连接的能量管理电路；所述能量管理电路用于将所述压电悬臂梁输出的电能传输至负载。

可选地，作为一种可实施的方式，图2A为本发明振动能量收集装置实施例二的结构示意图。如图2A所示，在图1A和图1B所示的实施方式的基础上，所述压电悬臂梁21的基板210的上表面贴合一压电片212a，所述压电片212a上引出第一电极A1，所述压电悬臂梁21的基板210的夹持端引出第二电极A2；所述第一电极A1和第二电极A2与所述能量管理电路的两个输入端对应连接。可选地，所述压电片212a通过导电胶贴合在所述基板210上，且所述压电片212a的外表面敷设一层银电极(如第一电极A1)，可在该银电极的末端引出用于连接能量管理电路的导线。

可选地，作为另一种可实施的方式，图2B为本发明振动能量收集装置实施例三的结构示意图。如图2B所示，在图1A和图1B所示的实施方式的基础上，所述压电悬臂梁21的基板210的上表面贴合第一压电片212b，所述基板210的下表面贴合第二压电片212c，所述第一压电片212b上引出第一电极A3，所述第二压电片212c上引出第二电极A4，所述压电悬臂梁21的基板210的夹持端引出第三电极A5，所述第一压电片212b与所述第二压电片212c的极化方向相同；所述第一电极A3和所述第二电极A4连接至所述能量管理电路的同一输入端，所述第三电极A5连接至所述能量管理电路的另一输入端。可选地，所述第一电极A3、所述第二电极A4和所述第三电极A5的设置方式可与上述第一电极A1的设置方式一样，此处不再赘述。

可选地，作为另一种可实施的方式，图2C为本发明振动能量收集装置实施例四的结构示意图。如图2C所示，在图1A和图1B所示的实施方式的基础上，所述压电悬臂梁21的基板210的上表面贴合第一压电片212d，所述基板210的下表面贴合第二压电片212e，所述第一压电片212d上引出第一电极A6，所述第二压电片212e上引出第二电极A7，所述第一压电片212d与所述第二压电片212e的极化方向相反；所述第一电极A6和所述第二电极A7与所述能量管理电路的两个输入端对应连接。可选地，所述第一电极A6和所述第二电极A7的设置方式可与上述第一电极A1的设置方式一样，此处不再赘述。

可选地，本发明实施例中的压电悬臂梁的压电片工作于d31模式，即应力与电荷产生方向是互相垂直，压电片极化方向是沿厚度方向的。

由于振动能量收集装置的输出为交流电，需要先通过整流电路将所述交流电转换成直流电，其次，将所述直流电存储于超级电容中；由于超级电容的供电电压存在一定波动且供电电流较小，因此，一般不能直接提供给负载使用，需经过BUCK型DC-DC转换电路降压升流处理后再提供给负载使用。

可选地，作为另一种可实施的方式，图2D为本发明能量管理的电路示意图，如图2D所示，所述能量管理电路包括：整流电路41、超级电容42、DC-DC降压电路43及滤波电容44；其中，所述能量管理电路的第一输入端I1与所述整流电路41的第一输入端41I1连接，所述整流电路41的第一输出端41O1与所述超级电容42的正极及所述DC-DC降压电路43的第一输入端连接，所述能量管理电路的第二输入端I2与所述整流电路41的第二输入端41I2连接，所述整流电路41的第二输出端41O2与所述超级电容42的负极及所述DC-DC降压电路43的第二输入端连接，所述DC-DC降压电路43的第一输出端与所述滤波电容44的正极连接至所述能量管理电路的第一输出端O1，所述DC-DC降压电路43的第二输出端与所述滤波电容44的负极连接至所述能量管理电路的第二输出端O2；其中，所述能量管理电路的第一输出端O1用于连接至所述负载的第一输入端，所述能量管理电路的第二输出端O2用于连接至所述负载的第二输入端，从而将所述压电悬臂梁输出的电能传输至负载，供负载使用，可选地，所述负载可以为所述终端设备中的任意器件。当然，所述能量管理电路还可采用其它电路形式，只要可实现将所述压电悬臂梁输出的电能传输至负载的电路功能即可，本发明对此并不作限制。

可选地，作为一种可实施的方式，图2E为本发明整流电路的电路示意图。如图2E所示，在图2D所示的实施方式的基础上，所述整流电路41由四个二极管组成；其中，第一二极管41a的负极连接第二二极管41b的正极，第三二极管41c的负极连接第四二极管41d的正极，第一二极管41a的正极和第三二极管41c的正极连接至所述整流电路的第二输出端41O2，第二二极管41b的负极和第四二极管41d的负极连接至所述整流电路的第一输出端41O1；所述第一二极管41a的负极连接至所述整流电路的第一输入端41I1，所述第三二极管41c的负极连接至所述整流电路的第二输入端41I2。当然，所述整流电路还可采用其它电路形式，只要可实现交流转换为直流的电路功能即可，本发明对此并不作限制。

进一步地，为了提高振动能量收集装置的电能收集能力，所述振动能量收集装置包含的至少一个能量转换单元可按阵列式排列。可选地，作为一种可实施的方式，本发明实施例中以所述振动能量收集装置包括5个能量转换单元为例进行说明，图3为本发明能量转换单元的排列结构示意图。如图3所示，在图1A所示的实施方式的基础上，该振动能量收集装置包括5个能量转换单元，所述5个能量转换单元设置在基座上，每个能量转换单元都包括：压电悬臂梁、步进电机和控制器(图中未画)，具体结构详见本发明上述实施例中关于能量转换单元的描述，此处不再赘述；可选地，所述5个能量转换单元可共用同一控制器，对应地，所述5个能量转换单元中某个能量转换单元中需要包括控制器，其它剩余的4个能量转换单元中只需包括：压电悬臂梁和步进电机即可，其结构与本发明上述实施例中关于压电悬臂梁和步进电机的描述类似，此处不再赘述。每个能量转换单元与能量管理电路的连接方式亦可参见本发明上述关于能量转换单元与能量管理电路的连接方式的描述，此处不再赘述；可选地，每个能量转换单元亦可先单独接到整流电路，通过整流电路的交直流转换后，都连接至同一超级电容的两端，即将每个能量转换单元产生的电能都存储至该超级电容中，进一步地，通过DC-DC降压电路降压升流后传输至负载。具体的实现方式如下：设置在基座上的加速度传感器检测当前所述振动环境，并将检测到的振动环境信息上报给控制器，控制器根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定所述每个能量转换单元中步进电机的转轴末端与该能量转换单元中基板夹持端之间的目标啮合位置，并将所述目标啮合位置发送给所述步进电机，进一步地，所述每个能量转换单元中的步进电机根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度，以使所述压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振，从而使5个能量转换单元中的压电悬臂梁与当前所处振动环境都达到谐振，提高了电能收集能力。

本发明提供一种终端设备，该终端设备包括振动能量收集装置，其中，所述振动能量收集装置固定于所述终端设备上，所述振动能量收集装置的结构详见本发明上述实施例中相应部分，此处不再赘述；该终端设备可实现自供电。

图4为本发明振动能量收集方法实施例一的流程示意图。所述振动能量收集方法可应用于上述实施例中包括振动能量收集装置的终端设备中，本实施例的执行主体可以为所述振动能量收集装置中的控制器，该控制器可以通过软件和/或硬件实现。如图4所示，该方法包括：

S401、获取所述终端设备当前所处振动环境的振动信息。

本发明实施例中，该终端设备中配置有所述振动能量收集装置，该振动能量收集装置包括：加速度传感器以及至少一个能量转换单元；所述能量转换单元包括：压电悬臂梁、步进电机和与所述步进电机相连接的控制器；其中，所述压电悬臂梁包括基板，所述基板的夹持端与所述步进电机的转轴末端相啮合；所述加速度传感器，用于检测当前所处振动环境的振动信息，并将所述振动信息上报给所述控制器；所述控制器用于根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定所述步进电机的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置，并将所述目标啮合位置发送给所述步进电机；所述步进电机，用于根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度，以使所述压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振；所述压电悬臂梁，用于将机械能转换为电能，并输出所述电能；其他结构详见本发明上述振动能量收集装置实施例中，此处不再赘述。

本发明实施例中，可选地，通过获取加速度传感器上报的所述终端设备当前所处振动环境的振动信息，其中，所述振动信息为所述加速度传感器检测到的所述终端设备当前所处振动环境的振动信息，可选地，所述振动信息至少包括：振动频率。

S402、根据所述振动信息调整步进电机的转轴末端与基板的夹持端之间的啮合位置，以使压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振。

通常情况下，振动环境的振动频率是变化的，并且由于一定长度的压电悬臂梁结构对应一个机械谐振频率(即压电悬臂梁的谐振长度与谐振频率一一相对应)。本发明实施例中，根据所述振动信息调整步进电机的转轴末端与基板的夹持端之间的啮合位置，使所述压电悬臂梁的长度快速准确地达到谐振长度，快速地实现所述压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振。

可选地，步骤S402包括：根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定所述振动环境的振动频率对应的压电悬臂梁的谐振长度以及所述步进电机的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置；将所述目标啮合位置发送给所述步进电机，以使所述步进电机根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度。

本发明实施例中，根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定与所述振动环境的振动频率对应的压电悬臂梁的谐振长度，并确定出所述步进电机的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置，进一步地，将所述目标啮合位置发送给所述步进电机，以使所述步进电机根据所述目标啮合位置在所述压电悬臂梁的初始长度基础上调节所述步进电机的转轴的旋转角度(即调节了步进电机的转轴末端与基板夹持端之间的啮合位置)，使所述压电悬臂梁的长度快速准确地达到所述谐振长度，快速地实现所述压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振，从而产生最多的电能。

本发明实施例中，通过获取所述终端设备当前所处振动环境的振动信息，根据所述振动信息调整步进电机的转轴末端与基板的夹持端之间的啮合位置，以使压电悬臂梁快速与当前所处振动环境谐振，产生最多的电能。

可选地，所述控制器可以为所述振动能量收集装置内部的控制器，也可以为所述振动能量收集装置外部的控制器，如包含所述振动能量收集装置的终端设备中的控制器；本发明对控制器的设置方式并不作限制。

可选地，作为一种可选的方案，步骤S402之后还包括：将所述压电悬臂梁输出的电能传输至负载

本发明实施例中，通过能量管理电路将所述压电悬臂梁输出的电能传输至负载，以供负载使用。

为了提高电能收集能力，可选地，步骤S402之前还包括：

将所述振动环境的加速度与预设加速度门限值进行对比；

确定所述加速度高于所述预设加速度门限值。

可选地，该方法还包括：若确定所述加速度低于所述预设加速度门限值，则控制所述步进电机转轴不能自由转动，以固定所述压电悬臂梁的长度。

本发明实施例中，可选地，在步骤S402之前，首先将加速度传感器上报的所述振动环境的加速度与预设加速度门限值进行对比(可选地，所述振动信息还包括：加速度)；若确定所述加速度高于所述预设加速度门限值，则根据所述振动信息调整步进电机的转轴末端与基板的夹持端之间的啮合位置，以使压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振；若确定所述加速度低于所述预设加速度门限值，则控制所述步进电机转轴不能自由转动，以固定所述压电悬臂梁的长度，可选地，通过向步进电机的驱动电路发送锁定波形，用于控制所述步进电机转轴不能自由转动，以固定所述压电悬臂梁的长度。

可选地，单压电片压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系如下述部分：

谐振角频率 ${\mathrm{\ω}}_r=\sqrt{K/M}---\left(1\right)$

K＝(Amo×Ep×Wi×h3)/(4L3(1-a+a×r))(2)

M＝0.243Wi×L×(ps×hs+pp×hp)(3)

Amo＝a4(1-r)2-2a(2a2-3a+2)(1-r)+1(4)

r＝Em/Ep(5)

a＝hs/h(6)

h＝hs+hp(7)

Wi＝f(ws,wp)(8)

L＝f(ls,lp)(9)

其中，K为等效刚度；M为等效质量；ls为压电悬臂梁长度；ws为压电悬臂梁宽度；hs为压电悬臂梁厚度；lp为压电片长度；wp为压电片宽度；hp为压电片厚度；ps为压电悬臂梁的密度；pp为压电片的材料密度；Em为压电悬臂梁材料的杨氏模量；Ep为压电片材料的杨氏模量；Wi是压电悬臂梁及压电片的宽度函数；L是压电悬臂梁及压电片的长度函数。

可选地，双压电片压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系与上述单压电片压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系类似，此处不再赘述。

通常情况下，终端设备当前所处振动环境的常见振动频率在120Hz以下，压电悬臂梁需要据此设定一个初始的谐振长度。可选地，步骤S401之前，还包括：设置压电悬臂梁的初始长度，如10Hz对应的悬臂梁谐振长度值为L0，以便于后续在初始长度的基础上调节悬臂梁的长度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种振动能量收集装置，其特征在于，包括：加速度传感器以及至少一个能量转换单元；

所述能量转换单元，包括：压电悬臂梁、步进电机和控制器；

其中，所述压电悬臂梁包括基板，所述基板的夹持端与所述步进电机的转轴末端相啮合；所述步进电机连接至所述控制器；

所述加速度传感器，用于检测当前所处振动环境的振动信息，并将所述振动信息上报给所述控制器；

所述控制器用于根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定所述步进电机的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置，并将所述目标啮合位置发送给所述步进电机；

所述步进电机，用于根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度，以使所述压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振；

所述压电悬臂梁，用于将机械能转换为电能，并输出所述电能。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹持端沿基板长度方向上设有至少两个预设间距的锯齿状突起，所述步进电机的转轴末端上设置有可与所述锯齿状突起相拟合的锯齿结构。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括：与所述压电悬臂梁的电能输出端连接的能量管理电路；

所述能量管理电路，用于将所述压电悬臂梁输出的电能传输至负载。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述压电悬臂梁的基板的上表面贴合一压电片，所述压电片上引出第一电极，所述压电悬臂梁的基板的夹持端引出第二电极；所述第一电极和第二电极与所述能量管理电路的两个输入端对应连接。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述压电悬臂梁的基板的上表面贴合第一压电片，所述基板的下表面贴合第二压电片，所述第一压电片上引出第一电极，所述第二压电片上引出第二电极，所述压电悬臂梁的基板的夹持端引出第三电极，所述第一压电片与所述第二压电片的极化方向相同；所述第一电极和所述第二电极连接至所述能量管理电路的同一输入端，所述第三电极连接至所述能量管理电路的另一输入端。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述压电悬臂梁的基板的上表面贴合第一压电片，所述基板的下表面贴合第二压电片，所述第一压电片上引出第一电极，所述第二压电片上引出第二电极，所述第一压电片与所述第二压电片的极化方向相反；所述第一电极和所述第二电极与所述能量管理电路的两个输入端对应连接。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述能量管理电路包括：整流电路、超级电容、DC-DC降压电路及滤波电容；其中，所述能量管理电路的第一输入端与所述整流电路的第一输入端连接，所述整流电路的第一输出端与所述超级电容的正极及所述DC-DC降压电路的第一输入端连接，所述能量管理电路的第二输入端与所述整流电路的第二输入端连接，所述整流电路的第二输出端与所述超级电容的负极及所述DC-DC降压电路的第二输入端连接，所述DC-DC降压电路的第一输出端与所述滤波电容的正极连接至所述能量管理电路的第一输出端，所述DC-DC降压电路的第二输出端与所述滤波电容的负极连接至所述能量管理电路的第二输出端；其中，所述能量管理电路的第一输出端用于连接至所述负载的第一输入端，所述能量管理电路的第二输出端用于连接至所述负载的第二输入端。

8.一种终端设备，其特征在于，包括：如权利要求1-7中任一项所述的振动能量收集装置；其中，所述振动能量收集装置固定于所述终端设备上。

9.一种振动能量收集方法，其特征在于，所述振动能量收集方法应用于如权利要求8所述的终端设备中，所述方法包括：

获取所述终端设备当前所处振动环境的振动信息；

根据所述振动信息调整步进电机的转轴末端与基板的夹持端之间的啮合位置，以使压电悬臂梁与当前所处振动环境谐振。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述获取所述终端设备当前所处振动环境的振动信息，包括：

获取加速度传感器上报的所述终端设备当前所处振动环境的振动信息。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述振动信息调整步进电机的转轴末端与基板的夹持端之间的啮合位置，包括：

根据预设的压电悬臂梁谐振频率与压电悬臂梁长度的对应关系以及所述振动信息，确定所述振动环境的振动频率对应的压电悬臂梁的谐振长度以及所述步进电机的转轴末端与所述夹持端之间的目标啮合位置；

将所述目标啮合位置发送给所述步进电机，以使所述步进电机根据所述目标啮合位置调节所述步进电机的转轴的旋转角度。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据所述振动信息调整步进电机的转轴末端与基板的夹持端之间的啮合位置之前，还包括：

将所述振动环境的加速度与预设加速度门限值进行对比；

确定所述加速度高于所述预设加速度门限值。