CN109306945B - 一种刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置 - Google Patents

一种刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，包括底盘、重力摆，重力摆与底盘上端通过轴承连接；重力摆上设有第一滑槽，该第一滑槽内设有位置可调的挡柱，重力摆下端设有第一条形磁铁，底盘底部正中间设有第三条形磁铁；底盘上对称设有两个第二滑槽，每个第二滑槽上均设置有一位置可调的第四条形磁铁；重力摆与底盘之间还设有刚性薄片，该刚性薄片上还设有两个俘能器，底盘背部安装有充电电池；刚性薄片上端固定于底盘，下端被挡柱挡住。本发明利用重力摆挤压刚性薄片变形，当变形量达到一定程度后薄片释放并自由振动实现升频。本发明同时可以实现重力摆周期可调、刚性薄片弯曲量可调以及降低重力摆与刚性薄片碰撞能量损失。

Description

一种刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置
技术领域
本发明属于振动能量收集技术领域，具体涉及一种刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置。
背景技术
近些年，微电子机械系统及集成电路超低功耗技术得到快速发展，无线电子设备的功耗降到了微瓦数量级，这使得利用振动能量收集器为这些设备提供电能变为可能。压电俘能系统由于结构简单，抗电磁干扰能力强而得到国内外学者的广泛研究。常用的俘能系统设计是基于悬臂梁结构，如图1所示。而目前俘能系统普遍存在的问题是：(1)系统有效俘能频带狭窄，只有在系统共振频率附近俘能效率较高，而当外界激振频率远离系统共振频率时，能量采集效率急剧降低；(2)目前俘能技术适用于高频俘能，而对于低频能量采集效果很差；(3)现有撞击升频式俘能系统要求撞击元件和弹性元件安装部位相对运动，导致俘能系统不便于安装；(4)现有撞击升频式俘能系统没有考虑人行走过程中手臂摆动频率及幅度的变化，导致撞击时机不准确，刚性薄片变形量不可调，系统能量吸收率不理想；(5)由碰撞造成的能量损失较大。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，利用重力摆挤压刚性薄片变形，当变形量达到一定程度后薄片被释放并自由振动，实现升频，无需再将两者分别安装于两个相对运动的部件；鉴于人行走过程中步频变化，导致重力摆摆动频率与行走频率失调，在底盘两侧设计了可调磁铁，通过调节磁铁的位置，可实现重力摆频率的调节；此外，当手臂或腿部摆动幅度变化时，重力摆上的挡柱可沿重力摆轴向调节，以此调节刚性薄片弯曲释放时的变形量，进而提高能量的吸收率；对于重力摆与刚性薄片碰撞中造成的能量损失，在重力摆下端及底盘底端分别安装了磁铁，以使重力摆在回位中将动能转化为磁场能，降低重力摆与刚性薄片的相对速度，减少由于碰撞而造成的能量损失。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，包括底盘、重力摆，重力摆的上端与底盘的上端通过轴承连接，底盘与重力摆通过该轴承可相对转动；重力摆上设置有第一滑槽，该第一滑槽内设置有挡柱，所述挡柱通过第一可调螺钉可在第一滑槽内滑动调整位置并通过第一可调螺钉固定位置；重力摆下端设置有第一条形磁铁，重力摆上位于第一滑槽和第一条形磁铁之间还设置有第二条形磁铁；底盘底部的正中间设置有第三条形磁铁，重力摆只受重力作用静止时，第一条形磁铁和第三条形磁铁对应，两者位于一条直线上，且第一条形磁铁和第三条形磁铁同极相邻，表现为斥力；
底盘上对称设置有两个第二滑槽，分别是左侧第二滑槽和右侧第二滑槽，每个第二滑槽上均通过第二可调螺钉设置有一位置可调的第四条形磁铁，第四条形磁铁可沿相对应的第二滑槽滑动；
重力摆与底盘之间还设置有刚性薄片，该刚性薄片上端与底盘上端固定，刚性薄片上还设置有两个俘能器，分别为左俘能器和右俘能器，该左俘能器和右俘能器分别通过螺钉固定在刚性薄片的左侧面和右侧面；底盘的背部安装有充电电池，俘能器获得的电能存储于充电电池；
挡柱在第一滑槽的最低位置位于刚性薄片的底端之上，刚性薄片上端固定于底盘，下端被挡柱挡住。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术方案进一步实现。
前述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，所述的底盘为扇形；两个相对称的第二滑槽设置在扇形底盘上重力摆摆动时第二条形磁铁形成的弧线上，并靠近扇形底盘的两条直边。
前述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其中，第四条形磁铁的宽度大于相对应的第二滑槽的宽度，两个第二滑槽尺寸相同，两个第四条形磁铁尺寸也相同。
前述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其中，所述的两个俘能器工作于d14压电模式，且两个俘能器为并联模式，即左俘能器左表面与右俘能器右表面连接，左俘能器右表面和右俘能器左表面连接。
前述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，挡柱在第一滑槽的最低位置位于刚性薄片的底端之上，且挡柱最低位置与刚性薄片的底端之间有5mm距离。
前述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其中，挡柱一侧为圆弧状，另一侧为方形。
前述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其中，挡柱的横截面为半圆形和长方形的结合或半圆形与正方形的结合。
前述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其中，挡柱位于重力摆内侧，即重力摆和底盘之间的一侧，第一可调螺钉从重力摆外侧向其内侧穿进第一滑槽并插入挡柱上的螺孔内。
前述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其实现重力摆周期可调、刚性薄片弯曲量可调、降低重力摆与刚性薄片碰撞能量损失以及升频的方法是：将该人体摆能收集装置固定于人体手臂或者腿部，底盘的圆弧端向下，底盘相对人的手臂或腿部固定，在人行走过程中，手臂或者腿部摆动使原来竖直方向的重力摆变倾斜，压紧刚性薄片，随着摆角增加，刚性薄片变形增加，最后脱离重力摆挡柱的束缚而自由振动，实现升频；
当人的手臂或者腿部向回摆动时，重力摆受到重力及磁铁作用，向回运动，适时再次将刚性薄片压紧，随着摆角增大，刚性薄片再次被释放并自由振动，如此反复，将手臂或者腿部摆动的低频升为刚性薄片自由振动的高频；
当人行走中手臂或者腿部摆动频率变化时，通过调节固定在底盘两个第二滑槽的两个第四条形磁铁的位置而改变重力摆受到的回复力，以此改变重力摆的摆动频率，使其与手臂或腿部摆动频率协调，提高能量收集系统的俘能效率；具体为：
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变快，此时将底盘上的两个第四条形磁铁均向底盘中间调整，以增大重力摆的回复力，减小重力摆的复位时间，使回复周期减小，频率增大，保证与步频相协调。
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变慢，此时将底盘上的两个第四条形磁铁均向底盘两边调整，位于左侧第二滑槽的第四条形磁铁向底盘左边调整，位于右侧第二滑槽的第四条形磁铁向底盘右边调整，以减小重力摆所受的回复力，使回复周期增大，频率减小，保证与步频相协调；
当手臂或者腿部的摆动幅度变化时，通过调节重力摆上挡柱的位置，以调节刚性薄片释放时的变形量，即可调节刚性薄片释放后自由振动的振幅，从而提高摆能的吸收效率；具体为：
如果人行走中手臂或者腿部摆动幅度明显变大，则将挡柱向上调节；
如果人行走中手臂或者腿部摆动幅度明显变小，则将挡柱向下调节。
前述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，当重力摆复位时，重力摆底端的第一条形磁铁与底盘下端的第三条形磁铁表现为斥力，在重力摆运动向底盘底部时，将重力摆的动能转化为重力摆缓冲磁铁对的磁场能而降低重力摆与刚性薄片的相对速度，以降低两者由于碰撞而造成的能量损失。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用双俘能器并联，能增加装置能量获取的效率；
2、本发明将人体运动中手臂或腿部摆动的低频转化为刚性薄片自由振动的高频，提高了装置能量获取的效率；
3、本发明整个装置只需固定于摆动部位，克服了原有的摆能收集装置需要固定于相对摆动的两个部位的缺陷；
4、本发明不受人体行走中手臂或腿部摆动频率的限制，通过调节第四条形永磁铁在第二滑槽的位置，可改变重力摆摆动的频率，确保在手臂或腿部任何摆动频率下本发明的装置都有很高的能量收集效率。
5、本发明不受人体行走中手臂或腿部摆动幅度的限制，通过调节挡柱的位置，可保证在人体行走中手臂或腿部摆动幅度有变化时，同样具有较高的摆动能量吸收效率。
6、本发明通过设置第一条形磁铁和第三条形磁铁，可有效降低重力摆复位时与刚性薄片碰撞而造成的能量损失。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并结合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为现有常用的基于悬臂梁结构的俘能装置示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是图2的右视图；
图4是图2的三维结构立体图；
图5是挡柱的三维结构示意图；
图6是挡柱的安装结构示意图。
【元件及符号说明】
1：底盘 2：重力摆 3：轴承 4：第一滑槽 5：挡柱
6：第一可调螺钉 7：第一条形磁铁 8：第二条形磁铁
9：第三条形磁铁 10：第二滑槽 11：第四条形磁铁
12：第二可调螺钉 13：刚性薄片 14：俘能器 15：充电电池
16：悬臂梁 17：夹具 18：储能电池 19：压电陶瓷 20：质量块
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
如图2所示，本发明包括底盘1、重力摆2，重力摆2的上端与底盘1的上端通过轴承3连接，底盘与重力摆通过该轴承3可相对转动，重力摆2上设置有第一滑槽4，该第一滑槽4内设置有挡柱5，所述挡柱5通过第一可调螺钉6可在第一滑槽内滑动调整位置并通过第一可调螺钉固定位置，用于实现刚性薄片弯曲量可调；重力摆2下端设置有第一条形磁铁7，重力摆上位于第一滑槽4和第一条形磁铁7之间还设置有第二条形磁铁8；底盘底部的正中间设置有第三条形磁铁9，重力摆只受重力作用静止时，第一条形磁铁7和第三条形磁铁9对应，两者位于一条直线上；第一条形磁铁7和第三条形磁铁9同极相邻，即两者相邻的两极极性相同，表现为斥力，第一条形磁铁7和第三条形磁铁9构成重力摆缓冲磁铁对，用于降低重力摆与刚性薄片碰撞产生的能量损失。
底盘上对称设置有两个第二滑槽10，分别是左侧第二滑槽和右侧第二滑槽，两个第二滑槽以扇形底盘的中心线为对称线，每个第二滑槽上均通过第二可调螺钉12设置有一位置可调的第四条形磁铁11，第四条形磁铁11可沿相对应的第二滑槽滑动，其位置的调整和固定通过相对应的第二可调螺钉实现。具体地，两个相对称的第二滑槽设置在底盘上重力摆摆动时第二条形磁铁8形成的弧线上，并靠近底盘的两条直边。该两个第四条形磁铁11用于实现重力摆周期可调。第四条形磁铁11的宽度大于相对应的第二滑槽的宽度，两个第二滑槽尺寸最好相同，两个第四条形磁铁11尺寸也最好相同。
进一步，底盘两侧的第四条形磁铁11与重力摆上的第二条形磁铁8也为同极相邻，即底盘左侧的第四条形磁铁的右端与第二条形磁铁8的左端极性相同，表现为斥力；底盘右侧的第四条形磁铁的左端与第二条形磁铁8的右端极性相同，表现为斥力。
重力摆与底盘之间还设置有刚性薄片13，该刚性薄片上端与底盘上端固定，刚性薄片上还设置有两个俘能器14，该两个俘能器分别通过螺钉固定在刚性薄片的两侧面，且两个俘能器为并联模式，即左俘能器左表面与右俘能器右表面通过导线连接，左俘能器右表面和右俘能器左表面也通过导线连接，且两根导线均还与充电电池15连接。所述的两个俘能器工作于d14压电模式，所述的充电电池15安装于底盘的背部，俘能器将机械能转化为电能(俘能器内含有压电陶瓷，压电陶瓷受压变形产生电荷)，并通过导线存储于充电电池15，可为微电子设备充电(导线为隐藏式设计，附图上没有画出)。
进一步，所述的挡柱5一侧为圆弧状，便于刚性薄片变形释放，另一侧为方形，以便与重力摆上的第一滑槽配合，起到定位挡柱的作用，挡柱5的横截面可以是半圆形和长方形的结合，如图5所示；也可以是半圆形与正方形的结合。挡柱的安装示意图如图4和如图6所示，挡柱位于重力摆内侧，即重力摆和底盘之间，第一可调螺钉从重力摆外侧向其内侧穿进第一滑槽并插入挡柱上的螺孔内。
进一步，挡柱在第一滑槽的最低位置位于刚性薄片的底端之上，且挡柱的最低位置与刚性薄片的底端之间有5mm距离；刚性薄片上端固定于底盘，下端被挡柱挡住。
本发明实现重力摆周期可调、刚性薄片变形量可调、降低重力摆与刚性薄片碰撞能量损失以及升频的方法是：上述装置固定在人体手臂或者腿部，底盘的圆弧端向下，底盘相对人的手臂或腿部固定，在人行走过程中，由于手臂或者腿部摆动，原来竖直方向的重力摆变倾斜，压紧刚性薄片，随着摆角的增加，刚性薄片变形增加，最后脱离重力摆挡柱的束缚而自由振动，实现升频。而当人的手臂或者腿部向回摆动时，重力摆受到重力及磁铁作用，开始向回运动，并适时的再次将刚性薄片压紧，随着摆角增大，刚性薄片再次被释放并自由振动，如此反复，将手臂或者腿部摆动的低频升为刚性薄片自由振动的高频。
(一)如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变化，重力摆摆动频率将与手臂或者腿部摆动频率失调，此时可通过调节固定在底盘两个第二滑槽的两个第四条形磁铁的位置而改变重力摆受到的回复力，以此改变重力摆的摆动频率，使其与手臂摆动频率协调，提高能量收集装置的俘能效率。具体为：
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变快，此时将底盘上的两个第四条形磁铁均向底盘中间调整，以增大重力摆的回复力，减小重力摆的复位时间，使回复周期减小，频率增大，保证与步频相协调。
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变慢，此时将底盘上的两个第四条形磁铁均向底盘两边调整，位于左侧第二滑槽的第四条形磁铁向底盘左边调整，位于右侧第二滑槽的第四条形磁铁向底盘右边调整，以减小重力摆所受的回复力，使回复周期增大，频率减小，保证与步频相协调。
(二)而当手臂或者腿部的摆动幅度变化时，重力摆摆动幅度将与手臂或者腿部摆动幅度失调(如幅度变小时，刚性薄片可能无法释放而不能实现升频，幅度变大时，刚性薄片还未压缩到最大变形量就会释放，不能充分利用摆能)，此时可通过调节重力摆上挡柱的位置，以调节刚性薄片释放时的变形量，即可调节刚性薄片释放后自由振动的振幅，从而提高摆能的吸收效率；具体为：
如果人行走中手臂或者腿部摆动幅度明显变大，可将挡柱向上调节，这时，刚性薄片只有在较大的变形情况下才可以摆脱挡柱的束缚，实现自由振动中振幅增大，提高装置俘能效率；
如果人行走中手臂或者腿部摆动幅度明显变小，可将挡柱向下调节，这时，刚性薄片在较小的变形情况下便可以摆脱挡柱的束缚，实现升频，避免由于装置摆动幅度小，刚性薄片不能摆脱挡柱的束缚而无法进行能量收集。
(三)当重力摆复位时，重力摆底端的第一条形磁铁与底盘下端的第三条形磁铁(即重力摆缓冲磁铁对)表现为斥力，在重力摆运动向底盘底部时，将重力摆的动能转化为重力摆缓冲磁铁对的磁场能而降低重力摆与刚性薄片的相对速度，以降低两者由于碰撞而造成的能量损失。
由于同一个人手臂摆动或腿部运动的频率和幅度基本不变或者变化幅度很小，同一个人在行走或跑步时基本不需调整重力摆的回复周期和挡柱的位置，但是同一个人在行走和跑步之间转换时需要调整重力摆的回复周期和挡柱的位置，使本发明的摆能收集装置与人的实际摆动频率和幅度协调。如果同一个本发明的摆能收集装置前后用在行走或跑步频率和幅度明显不同的人身上，则需要事先调整第四条形磁铁在第二滑槽中的位置，根据需要调整挡柱的位置，以适应不同的人携带，从而提高摆能收集装置的俘能效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其特征在于包括底盘(1)、重力摆(2)，重力摆(2)的上端与底盘(1)的上端通过轴承(3)连接，底盘与重力摆通过该轴承(3)可相对转动；重力摆(2)上设置有第一滑槽(4)，该第一滑槽(4)内设置有挡柱(5)，所述挡柱(5)通过第一可调螺钉(6)可在第一滑槽内滑动调整位置并通过第一可调螺钉固定位置以便于适应振幅达到提高能量收集效率的目的；重力摆(2)下端设置有第一条形磁铁(7)，重力摆上位于第一滑槽(4)和第一条形磁铁(7)之间还设置有第二条形磁铁(8)；底盘底部的正中间设置有第三条形磁铁(9)，重力摆只受重力作用静止时，第一条形磁铁(7)和第三条形磁铁(9)对应，两者位于一条直线上，且第一条形磁铁(7)和第三条形磁铁(9)同极相邻，表现为斥力，以便于减少能量损失，提高能量收集效率；
底盘上对称设置有两个第二滑槽(10)，分别是左侧第二滑槽和右侧第二滑槽，每个第二滑槽上均通过第二可调螺钉(12)设置有一位置可调的第四条形磁铁(11)，第四条形磁铁(11)可沿相对应的第二滑槽滑动以便于适应环境频率提高能量收集效率；所述的底盘(1)为扇形；两个相对称的第二滑槽(10)设置在扇形底盘上重力摆摆动时第二条形磁铁(8)形成的弧线上并靠近扇形底盘的两条直边；
重力摆(2)与底盘(1)之间还设置有刚性薄片(13)，该刚性薄片(13)上端与底盘(1)上端固定，刚性薄片(13)上还设置有两个俘能器(14)，分别为左俘能器和右俘能器，该左俘能器和右俘能器分别通过螺钉固定在刚性薄片的左侧面和右侧面；两个俘能器工作于d14压电模式，且两个俘能器为并联模式，即左俘能器左表面与右俘能器右表面连接，左俘能器右表面和右俘能器左表面连接；底盘的背部安装有充电电池(15)，俘能器(14)获得的电能存储于充电电池(15)；
挡柱(5)在第一滑槽的最低位置位于刚性薄片(13)的底端之上，且挡柱最低位置与刚性薄片的底端之间有5mm距离，刚性薄片上端固定于底盘，下端被挡柱(5)挡住；挡柱(5)一侧为圆弧状，另一侧为方形，挡柱(5)的横截面为半圆形和长方形的结合或半圆形与正方形的结合，且挡柱(5)位于重力摆内侧，即重力摆和底盘之间的一侧，第一可调螺钉从重力摆外侧向其内侧穿进第一滑槽并插入挡柱上的螺孔内。
2.如权利要求1所述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其特征在于第四条形磁铁(11)的宽度大于相对应的第二滑槽(10)的宽度，两个第二滑槽尺寸相同，两个第四条形磁铁尺寸也相同。
3.如权利要求1所述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其特征在于其实现重力摆周期可调、刚性薄片弯曲量可调、降低重力摆与刚性薄片碰撞能量损失以及升频的方法是：将该摆能收集装置固定于人体手臂或者腿部，底盘的圆弧端向下，底盘相对人的手臂或腿部固定，在人行走过程中，手臂或者腿部摆动使原来竖直方向的重力摆变倾斜，压紧刚性薄片，随着摆角增加，刚性薄片变形增加，最后脱离重力摆挡柱的束缚而自由振动，实现升频；
当人的手臂或者腿部向回摆动时，重力摆受到重力及磁铁作用，向回运动，适时再次将刚性薄片压紧，随着摆角增大，刚性薄片再次被释放并自由振动，如此反复，将手臂或者腿部摆动的低频升为刚性薄片自由振动的高频；
当人行走中手臂或者腿部摆动频率变化时，通过调节固定在底盘两个第二滑槽的两个第四条形磁铁的位置而改变重力摆受到的回复力，以此改变重力摆的摆动频率，使其与手臂或腿部摆动频率协调，提高能量收集系统的俘能效率；具体为：
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变快，此时将底盘上的两个第四条形磁铁均向底盘中间调整，以增大重力摆的回复力，使回复周期减小，频率增大，保证与步频相协调；
如果人行走中手臂或者腿部摆动频率变慢，此时将底盘上的两个第四条形磁铁均向底盘两边调整，位于左侧第二滑槽的第四条形磁铁向底盘左边调整，位于右侧第二滑槽的第四条形磁铁向底盘右边调整，以减小重力摆所受的回复力，使回复周期增大，频率减小，保证与步频相协调；
当手臂或者腿部的摆动幅度变化时，通过调节重力摆上挡柱的位置，以调节刚性薄片释放时的变形量，即可调节刚性薄片释放后自由振动的振幅，从而提高摆能的吸收效率；具体为：
如果人行走中手臂或者腿部摆动幅度明显变大，则将挡柱向上调节；
如果人行走中手臂或者腿部摆动幅度明显变小，则将挡柱向下调节。
4.如权利要求3所述的刚性薄片弯曲量可调的整体式升频摆能收集装置，其特征在于当重力摆复位时，重力摆底端的第一条形磁铁与底盘下端的第三条形磁铁表现为斥力，在重力摆运动向底盘底部时，将重力摆的动能转化为重力摆缓冲磁铁对的磁场能而降低重力摆与刚性薄片的相对速度，以降低两者由于碰撞而造成的能量损失。
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