CN107994807B - 基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，包括固定架，及固定在固定架内的第一级低频振子和第二级高频振子；第一级低频振子包括：第一端固定在固定架一侧，第二端为自由端的第一悬臂梁；位于第一悬臂梁第二端第一表面的永磁体；位于第一悬臂梁第二端第二表面或永磁体上表面的质量块；第二级高频振子包括：第一端固定在固定架另一侧，第二端为自由端的第二悬臂梁；位于第二悬臂梁第一表面的压电薄膜；其中，第一、第二悬臂梁为铁磁悬臂梁，且第一悬臂梁的第二端和第二悬臂梁的第二端之间设有预设距离。通过本发明所述的二级能量采集器，解决了现有技术中二级能量采集器功能单一、以及感应小振幅、低加速度振动效率低的问题。
Description
技术领域
本发明属于微机械传感器领域，特别是涉及一种基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器。
背景技术
目前，随着物联网技术的发展，越来越多的电子设备被接入网络中。而无线传感节点具有布设方便(便携性)、独立工作等优点，被广泛运用在可穿戴电子消费品、建筑物健康监控和智能城市等领域中，以获取关键监控信息或者海量的数据。
无线传感节点通常包含电源模块、控制器模块(MCU)、传感模块和无线通信模块，这些模块中控制器模块和传感模块需要频繁工作，才能降低遗漏监控信息的可能性，提高节点的可靠性，这就增加了电池的电能损耗。因此，电池寿命短、更换电池不便等问题是制约传统无线传感节点快速发展的重要原因。
随着器件功耗的不断降低，基于振动能量采集器的无源无线传感节点能够克服电池供电的许多问题，实现长期工作。这类传感节点中的能量采集器通过压电效应、电磁感应效应、静电感应或摩擦起电效应，把机械能转换成电能。但是，这类能量采集器普遍采用的线性悬臂梁结构，存在频率响应不够宽、低频特性不够好等问题。
为了克服能量采集器的低频宽带性能上的不足，能量采集器开始采用二级结构，其中第一级结构感应环境振动，通过接触或非接触的方法激发第二级结构振动，第二级结构具有发电功能。如中国专利中公开号为CN201310234498的专利，公开了一种二级振动式宽频带能量采集器，包括了两个尖端磁耦合的悬臂梁，利用非线性效应和两悬臂梁谐振频率的叠加，拓宽了频率响应范围；同时，该结构具有振动幅度阈值驱动发电的功能，只有外界振动幅度到达阈值，器件才能被触发，进入发电状态，否则处于休眠状态。其中，该阈值可以通过改变磁铁间距来设定。但是，通常环境的振动加速度小于1g(g＝9.8m/s2)，即振动阈值小于1g，例如手臂摆动和桥梁振动。在这样的应用中，二级能量采集器的磁铁相互耦合作用力不能太强，而两个磁铁间磁力相互作用减弱之后，磁力的空间变化变平缓，这就造成第二级悬臂梁在触发后谐振的效果不理想，发电效率较低。因此该结构不利于应用在小振幅、低阈值振动监控中，而且改变磁铁间距会影响耦合作用力的极值，使得不同振动阈值的能量输出变化较大。
鉴于此，有必要设计一种新的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器用以解决此问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，用于解决现有技术中二级能量采集器功能单一、以及感应小振幅、低加速度振动效率低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，所述二级能量采集器包括固定架，以及固定在所述固定架内的第一级低频振子和第二级高频振子；
所述第一级低频振子包括：
第一悬臂梁，所述第一悬臂梁的第一端固定在所述固定架的一侧，所述第一悬臂梁的第二端为自由端；
永磁体，所述永磁体位于所述第一悬臂梁第二端的第一表面；
质量块，所述质量块位于所述第一悬臂梁第二端的第二表面或所述永磁体的上表面；
所述第二级高频振子包括：
第二悬臂梁，所述第二悬臂梁的第一端固定在所述固定架的另一侧，所述第二悬臂梁的第二端为自由端；
压电薄膜，所述压电薄膜位于所述第二悬臂梁的第一表面；
其中，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁为铁磁材料悬臂梁，且所述第一悬臂梁的第二端和第二悬臂梁的第二端之间设有预设距离。
优选地，其能量来源于外界环境的振动；当外界环境的振动小于阈值加速度时，所述二级能量采集器处于休眠状态；当外界环境的振动大于或等于阈值加速度时，所述二级能量采集器被触发，进行谐振发电。
优选地，所述预设间距为0.1～0.5mm。
优选地，所述第一悬臂梁的厚度为10～100um，所述第二悬臂梁的厚度为10～100um。
优选地，所述第一级低频振子还包括垫片，所述垫片位于所述第一悬臂梁和永磁体之间。
优选地，所述垫片的厚度与所述二级能量采集器的阈值加速度正相关。
优选地，所述质量块的质量与所述第一级低频振子的谐振频率负相关。
优选地，所述压电薄膜包括下电极，位于所述下电极上表面的压电材料，以及位于所述压电材料上表面的上电极，其中，所述上、下电极通过导线和外接负载连接。
优选地，所述压电材料为PVDF或PZT。
优选地，所述第一级低频振子的谐振频率为10赫兹数级，所述第二级高频振子的谐振频率为100赫兹数级。
如上所述，本发明的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，具有以下有益效果：
1.本发明所述二级能量采集器通过第一悬臂梁上的永磁体磁化第二悬臂梁自由端的铁磁部分，使得两级悬臂梁之间产生磁力相互作用，实现当外界环境的振动小于阈值加速度时，所述二级能量采集器处于休眠状态；当外界环境的振动大于或等于阈值加速度时，所述二级能量采集器被触发，进行谐振发电；由此实现振动阈值监控和同步能量采集的双重功能，不仅提供电能，还充当了传感器。
2.本发明所述二级能量采集器通过磁场耦合作用将机械能从第一级低频振子传递到第二级高频振子，避免了第一悬臂梁和第二悬臂梁的相互碰撞，从而提高了器件的可靠性。
3.由于本发明所述二级能量采集器的铁磁悬臂梁的厚度较小，实现在较小的厚度范围内发生较强的磁化作用，使得磁力作用变化很剧烈，对第二悬臂梁的拨动触发效果较好，发电效率较高，而且还减小了封装器件的尺寸要求。
4.本发明所述二级能量采集器在第一、第二悬臂梁自由端预设间距不变的情况下，还可通过改变垫片的厚度设定该结构的阈值加速度，及通过改变质量块的质量设定第一级低频振子的谐振频率。
5.由于第一、第二悬臂梁自由端预设间距不变，具有不同阈值加速度的二级能量采集器的最大磁斥力相同，使得第一悬臂梁触发第二悬臂梁谐振发电的排斥力也相同，由此实现了本发明所述二级能量采集器具有较为平坦的能量输出响应。
附图说明
图1显示为本发明所述的二级能量采集器的结构示意图。
图2显示为本发明所述的二级能量采集器的第一平衡状态示意图。
图3显示为本发明所述的二级能量采集器的第二平衡状态示意图。
图4显示为本发明所述二级能量采集器输出电压前两次触发的放大图。
元件标号说明
1 二级能量采集器
11 固定架
12 第一级低频振子
121 第一悬臂梁
122 永磁体
123 质量块
124 垫片
13 第二级高频振子
131 第二悬臂梁
132 压电薄膜
1321 下电极
1322 薄膜材料
1323 上电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，所述二级能量采集器1包括固定架11，以及固定在所述固定架11内的第一级低频振子12和第二级高频振子13；
所述第一级低频振子12包括：
第一悬臂梁121，所述第一悬臂梁121的第一端固定在所述固定架11的一侧，所述第一悬臂梁121的第二端为自由端；
永磁体122，所述永磁体122位于所述第一悬臂梁121第二端的第一表面；
质量块123，所述质量块123位于所述第一悬臂梁121第二端的第二表面或所述永磁体122的上表面；
所述第二级高频振子13包括：
第二悬臂梁131，所述第二悬臂梁131的第一端固定在所述固定架11的另一侧，所述第二悬臂梁131的第二端为自由端；
压电薄膜132，所述压电薄膜132位于所述第二悬臂梁131的第一表面；
其中，所述第一悬臂梁121和第二悬臂梁131为铁磁材料悬臂梁，且所述第一悬臂梁121的第二端和第二悬臂梁131的第二端之间设有预设距离。
具体的，所述第一悬臂梁121的厚度为10～100um，所述第二悬臂梁131的厚度为10～100um。
优选地，所述第一悬臂梁121的厚度为30～100um，所述第二悬臂梁131的厚度为30～100um；进一步优选地，在本实施例中，所述第一、第二悬臂梁的厚度均为60um。当然，在其它实施例中，所述第一、第二悬臂梁的厚度还可以为30、40、50、70、80、90或100um等。
优选地，在本实施例中，所述第一悬臂梁121的长度为13.0mm，宽度为1.9mm；所述第二悬臂梁131的长度为11.3mm，宽度为4.0mm。
优选地，在本实施例中，所述第一、第二悬臂梁为不锈钢悬臂梁，当然，在其它实施例中，所述第一、第二悬臂梁还可以为其它铁磁材料悬臂梁。
具体的，所述预设间距为0.1～0.5mm。优选地，在本实施例中，所述预设间距为0.27mm；当然，在其它实施例中，所述预设间距还可以为0.1、0.2、0.3、0.4或0.5mm等。
优选地，在本实施例中，所述永磁体122的质量为20mg，其磁铁剩磁约为1T，其厚度为0.5mm。
具体的，所述第一级低频振子12还包括垫片124，所述垫片124位于所述第一悬臂梁121和永磁体122之间；其中，所述垫片124的厚度与所述二级能量采集器1的阈值加速度正相关，即所述垫片124的厚度增加，所述二级能量采集器1的阈值加速度随之增加。
需要说明的是，阈值加速度是第一级低频振子12从第一平衡状态运动到第二平衡状态时，外界环境振动所需要的最小加速度。
具体的，所述第一级低频振子12还包括一压电薄膜，该压电薄膜位于所述第一悬臂梁121第一端的上表面。
需要说明的是，当所述第一悬臂梁121上设置有压电薄膜时，所述第一级低频振子12和第二级高频振子13都可以将机械能转化成电能并进行输出；当所述第一悬臂梁121上没有设置压电薄膜时，所述第二级高频振子13则将机械能转化成电能并进行输出。
具体的，所述质量块123的质量与所述第一级低频振子12的谐振频率负相关，即质量块123的质量增加，所述第一级低频振子12的谐振频率随之减小。
优选地，所述质量块123的质量为60～150mg；进一步优选地，在本实施例中，所述质量块123的质量为74mg。当然，在其它实施例中，所述质量块123的质量还可以为60、70、80、90、100、110、120、130、140或150mg等。
需要说明的是，通过改变质量块123的质量，使得第一级低频振子12的谐振频率和外界环境的振动频率保持一致，进而使第一悬臂梁121和外界环境发生共振，由此提高第一级低频振子12采集吸收机械能的效率。
具体的，所述压电薄膜132包括下电极1321，位于所述下电极1321上表面的压电材料，1322以及位于所述压电材料1322上表面的上电极1323，其中，所述上、下电极通过导线和外接负载连接；其中，所述压电材料1322为PVDF(聚偏氟乙烯)或PZT(锆钛酸铅)。
需要说明的是，所述二级能量采集器1的发电效率与压电薄膜132长度和第二悬臂梁长度的比例相关，即发电效率随该比例的增加先增大再减小。优选地，压电薄膜132长度与第二悬臂梁131长度的比例为1/3～2/3。优选地，在本实施例中，所述压电薄膜132的厚度约为30um。
如图1所示，所述第一悬臂梁121用于感应外界环境的振动并获取机械能，通过永磁体122磁化第一悬臂梁121的第二端和第二悬臂梁131的第二端，并通过第一悬臂梁121与第二悬臂梁131之间的磁斥力驱动，将第一级低频振子12的机械能传递到第二级高频振子13；第二悬臂梁131因磁斥力会发生弯曲，并在压电薄膜132上产生应力，根据正压电效应，该应力使压电材料两端产生电荷，即把第一悬臂梁121通过磁场耦合作用传递到第二悬臂梁131的机械能转化成电能。
需要说明的是，由于第一悬臂梁121和第二悬臂梁131受到竖直方向的磁斥力分量的作用，相互远离，并稳定在第一平衡状态上；当外界环境的振动在竖直方向的振动幅度大于或等于阈值加速度时，第一悬臂梁121的惯性力大于第一、第二悬臂梁之间的最大磁斥力，激发第二级高频振子13进入高频谐振发电状态，而且此时的发电效率较高；当外界环境的振动在竖直方向的振动幅度小于阈值加速度时，第一、第二悬臂梁在第一平衡状态上作小幅度振动，此时第二级高频振子13的发电效率较低，即所述二级能量采集器1处于休眠状态。
需要说明的是，由于第一级低频振子12是用来感应外界环境的振动，故其谐振频率较低，为10赫兹数级；而第二级高频振子13用于谐振发电，需要有较高的谐振频率，以获得较高的发电效率，故第二级高频振子13的谐振频率为100赫兹数级。
如图2所示，图2表示为本发明所述二级能量采集器在外界环境没有振动的情况下的初始状态，即第一平衡状态。在第一平衡状态下，永磁体磁化第一、第二悬臂梁的第二端，第一、第二悬臂梁之间产生磁力相互作用，由于该磁力存在竖直分量，第一、第二悬臂梁在该磁力竖直分量的影响下相互远离，并最终稳定在第一平衡状态上。当外界环境的振动小于阈值加速度时，第一、第二悬臂梁会在第一平衡状态上作小幅度振动，此时第二级高频振子的发电效率较低，即所述二级能量采集器处于休眠状态。
如图3所示，图3表示为本发明所述二级能量采集器在外界环境的振动大于或等于阈值加速度时，第一悬臂梁越过第二悬臂梁后达到新的平衡状态，即第二平衡状态。当外界环境的振动大于或等于阈值加速度时，第一、第二悬臂梁就会从第一平衡状态运动到第二平衡状态，并在第二平衡状态下，第二级高频振子进入高频谐振发电状态，此时压电薄膜输出的为交流电，交流电的频率等于第二级高频振子的谐振频率。
需要说明的是，由于第一平衡状态比第二平衡状态稳定，即第一平衡状态比第二平衡状态系统的势能低，故在受外界环境振动的影响下，第二平衡状态容易转变到第一平衡状态。
如图4所示，为本实施例中所述二级能量采集器输出电压前两次触发的放大图。从图中可以看出，0.3秒之前，外界环境振动激励的加速度(0.20g)低于阈值加速度，输出电压为低频交流电，其频率等于激励振动的频率(44.5Hz)，电压幅值较低(小于25mV)；在0.3秒之后，激励振动的加速度增加到0.23g，刚好超过阈值加速度，此时触发发生，第一级低频振子和第二级高频振子完成了从第一平衡状态到第二平衡状态的转变，即从图2到图3的转变，输出电压幅值较高(约为100mV)，其频率为第二级高频振子的谐振频率(375.1Hz)。由于所述二级能量采集器在第一平衡状态时势能低，所以第一次触发后很快从第二平衡状态回到第一平衡状态，即完成从图3到图2的转变。此后所述二级能量采集器积累能量，等待下一次触发。
综上所述，本发明的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，具有以下有益效果：
1.本发明所述二级能量采集器通过第一悬臂梁上的永磁体磁化第二悬臂梁自由端的铁磁部分，使得两级悬臂梁之间产生磁力相互作用，实现当外界环境的振动小于阈值加速度时，所述二级能量采集器处于休眠状态；当外界环境的振动大于或等于阈值加速度时，所述二级能量采集器被触发，进行谐振发电；由此实现振动阈值监控和同步能量采集的双重功能，不仅提供电能，还充当了传感器。
2.本发明所述二级能量采集器通过磁场耦合作用将机械能从第一级低频振子传递到第二级高频振子，避免了第一悬臂梁和第二悬臂梁的相互碰撞，从而提高了器件的可靠性。
3.由于本发明所述二级能量采集器的铁磁悬臂梁的厚度较小，实现在较小的厚度范围内发生较强的磁化作用，使得磁力作用变化很剧烈，对第二悬臂梁的拨动触发效果较好，发电效率较高，而且还减小了封装器件的尺寸要求。
4.本发明所述二级能量采集器在第一、第二悬臂梁自由端预设间距不变的情况下，还可通过改变垫片的厚度设定该结构的阈值加速度，及通过改变质量块的质量设定第一级低频振子的谐振频率。
5.由于第一、第二悬臂梁自由端预设间距不变，具有不同阈值加速度的二级能量采集器的最大磁斥力相同，使得第一悬臂梁触发第二悬臂梁谐振发电的排斥力也相同，由此实现了本发明所述二级能量采集器具有较为平坦的能量输出响应。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，其特征在于，所述二级能量采集器包括固定架，以及固定在所述固定架内的第一级低频振子和第二级高频振子；
所述第一级低频振子包括：
第一悬臂梁，所述第一悬臂梁的第一端固定在所述固定架的一侧，所述第一悬臂梁的第二端为自由端；
永磁体，所述永磁体位于所述第一悬臂梁第二端的第一表面；
质量块，所述质量块位于所述第一悬臂梁第二端的第二表面或所述永磁体的上表面；
所述第二级高频振子包括：
第二悬臂梁，所述第二悬臂梁的第一端固定在所述固定架的另一侧，所述第二悬臂梁的第二端为自由端；
压电薄膜，所述压电薄膜位于所述第二悬臂梁的第一表面；
其中，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁为铁磁材料悬臂梁，且所述第一悬臂梁的第二端和第二悬臂梁的第二端之间的预设距离为0.1～0.5mm，以实现阈值加速度小于1g的低振动阈值监控。
2.根据权利要求1所述的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，其特征在于，其能量来源于外界环境的振动；当外界环境的振动小于阈值加速度时，所述二级能量采集器处于休眠状态；当外界环境的振动大于或等于阈值加速度时，所述二级能量采集器被触发，进行谐振发电。
3.根据权利要求1所述的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，其特征在于，所述第一悬臂梁的厚度为10～100um，所述第二悬臂梁的厚度为10～100um。
4.根据权利要求1所述的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，其特征在于，所述第一级低频振子还包括垫片，所述垫片位于所述第一悬臂梁和永磁体之间。
5.根据权利要求4所述的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，其特征在于，所述垫片的厚度与所述二级能量采集器的阈值加速度正相关。
6.根据权利要求1所述的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，其特征在于，所述质量块的质量与所述第一级低频振子的谐振频率负相关。
7.根据权利要求1所述的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，其特征在于，所述压电薄膜包括下电极，位于所述下电极上表面的压电材料，以及位于所述压电材料上表面的上电极，其中，所述上、下电极通过导线和外接负载连接。
8.根据权利要求7所述的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，其特征在于，所述压电材料为PVDF或PZT。
9.根据权利要求1所述的基于铁磁悬臂梁的低振动阈值监控二级能量采集器，其特征在于，所述第一级低频振子的谐振频率为10赫兹数级，所述第二级高频振子的谐振频率为100赫兹数级。
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