CN112821708A - 双稳态电磁-压电混合振动能量收集器及自供电感知系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双稳态电磁‑压电混合振动能量收集器及自供电感知系统。本发明包括由上部套筒、下部套筒封闭的容器，容器内部两端分别设置有换向模块，两换向模块之间还设置有中间磁力元件以及压电能量收集元件。本申请通过中间磁力元件在容器内部随振动部件往复振动而使得固定在容器外周的下部线圈、上部线圈产生感应电流和感应电动势，还通过中间磁力元件换向时对压电能量收集元件的撞击产生电能。本申请两端的换向模块能够使得整个能量收集器具有两个稳态，保证线圈能够有效响应于更宽频率范围的振动而有效收集环境中的振动能量，本申请能够提高电磁‑压电混合振动能量收集器的整体输出功率，从而实现传感系统的自供电运行。

Description

双稳态电磁-压电混合振动能量收集器及自供电感知系统

技术领域

本申请涉及供电装置技术领域，具体而言涉及一种双稳态电磁-压电混合能量收集器及自供电感知系统。

背景技术

电能采集方面的技术突破能够推动自主遥感、可穿戴设备、植入式生物医学设备、移动智能终端等各种新技术的成熟和规模化应用。从环境中获取电能从而为各种型号设备提供动力的方式具有很好的技术开发潜力和市场应用前景。为了减少能量收集间歇、提高转换效率、降低运营维护成本、提高能源清洁度，需要根据实际应用场景研究定制化和高效的自供电技术，进而开发出专用的能量收集和转化装置。但是，现有能源供给设备无法满足很多应用场景的自供电需求，尤其是在大电流、长运行时间、低维护成本、低性能损失、良好适应性等方面。而使用电池供电也存在电池容量有限等诸多问题。同时，目前大规模电力系统中常见的可再生能源中：太阳能、风能是间歇性的，导致电网管理复杂，能源生产成本高；海洋波浪能的使用则需要复杂的机械和液压系统进行收集和转化。因此，非间歇式清洁能源收集系统的研发具有重要意义。

近年来，机械能到电能的转换机制中，诸多学者已经提出并研究了基于电磁、压电、静电、摩擦纳米发电等的多种能量转化机制。其中：电磁方式具有无需额外电源与功能材料，输出电流大等特点，十分适用于驱动低功耗的数字集成器件；压电转换结构简单，具有容易实现装置小型化、机电转换性能好和能量密度高等优点；静电方式需要外部电源作为初始电压，不能完全实现自供能，而且其输出为高电压、低电流和高输出阻抗，能量收集装置的加工工艺比较复杂，效率较低；摩擦纳米方式虽然可获得较大电压，但是输出电流低，使用场景受限。

发明内容

本申请针对现有技术的不足，提供一种双稳态电磁-压电混合能量收集器及自供电感知系统，本申请通过在双稳态电磁-压电混合振动能量收集器两端对称设置的弹簧、磁铁等换向模块，使得中间的中间磁力元件能够在随振动部件振动的过程形成两个稳态，提高整体输出功率。本申请具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其包括：

容器，其内部中空；

下部套筒，其连接在容器的下侧，封闭所述容器的下端；

上部套筒，其连接在容器的上侧，封闭所述容器的上端；

换向模块，其分别对称设置在所述容器的上下两端，并分别与所述上部套筒和所述下部套筒固定连接；

中间磁力元件，其设置在所述容器的中部，位于两换向模块之间，所述中间磁力元件由其上下两侧对称设置的换向模块驱动换向而在容器内部往复运动；

下部线圈，其围绕容器的外周固定设置在所述中间磁力元件与所述下部套筒之间；

上部线圈，其围绕容器的外周固定设置在所述中间磁力元件与所述上部套筒之间；

中间磁力元件在容器内部往复运动的过程中，所述下部线圈和/或所述上部线圈切割磁感线，而产生感应电流和感应电动势。

可选的，如上任一所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其中，所述中间磁力元件为动磁铁，所述下部套筒、上部套筒以及容器均为非磁性材料；所述动磁铁的外部还设置有动磁铁外壳，所述动磁铁外壳为光滑非磁性材料，动磁铁外壳与所述动磁铁同步沿容器的轴线在上下两端的换向模块之间往复运动。

可选的，如上任一所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其中，每一个所述换向模块均分别包括：弹性装置和定磁铁；每一个所述换向模块还分别连接有压电能量收集元件，用于通过中间磁力元件对换向模块的作用力触发产生电能。

可选的，如上任一所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其中，位于容器上端的定磁铁与所述中间磁力元件的上侧磁性相吸；位于容器下端的定磁铁与所述中间磁力元件的下侧磁性相吸。

可选的，如上任一所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其中，所述弹性装置为非磁性材料的螺旋弹簧；所述压电能量收集元件为能有效产生压电效应的各类元件。

可选的，如上任一所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其中，设置在所述容器上端的换向模块，其包括由上至下依次连接的：上部压电能量收集元件、上部磁铁和上部弹簧，其中，上部压电能量收集元件的上端固定连接在上部套筒的内部，上部磁铁设置在容器的上端与上部压电能量收集元件之间，上部弹簧由上部磁铁的下表面向下伸入容器内部；设置在所述容器下端的换向模块，其包括由下至上依次连接的：下部压电能量收集元件、下部磁铁和下部弹簧，其中，下部压电能量收集元件的下端固定连接在下部套筒的内部，下部磁铁设置在容器的下端与下部压电能量收集元件之间，下部弹簧由下部磁铁的上表面向上伸入容器内部。

可选的，如上任一所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其中，设置在所述容器上端的换向模块，其包括由上至下依次连接的：上部磁铁、上部弹簧、和上部压电能量收集元件，其中，上部磁铁的上端固定连接在上部套筒的内部，上部弹簧由上部磁铁的下表面向下伸入容器内部，上部压电能量收集元件固定在上部弹簧的下端并设置在容器内接近上部线圈的位置；设置在所述容器下端的换向模块，其包括由下至上依次连接的：下部磁铁、下部弹簧、和下部压电能量收集元件，其中，下部磁铁的下端固定连接在下部套筒的内部，下部弹簧由下部磁铁的上表面向上伸入容器内部，下部压电能量收集元件固定在下部弹簧的上端并设置在容器内接近下部线圈的位置。

可选的，如上任一所述的双稳态电磁-压电混合能量收集器，其中，所述容器的表面还在下部套筒与下部线圈之间、在上部套筒与上部线圈之间分别对称设置有出气孔。

同时，为实现上述目的，本申请还提供一种自供电感知系统，其包括如上任一所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，所述双稳态电磁-压电混合振动能量收集器固定在振动部件上，所述双稳态电磁-压电混合振动能量收集器内部的中间磁力元件随同振动部件的振动而同步在容器内部往复运动，致使所述下部线圈和/或所述上部线圈处于变化的磁场中而产生感应电流，并通过中间磁力元件的换向而触发压电能量收集元件产生电能；

还包括：能量管理电路，其同时连接所述下部线圈、所述上部线圈以及所述压电能量收集元件，用于接收下部线圈和/或所述上部线圈和压电能量收集元件所产生的交流随机电能输出并将其转换为稳定电压输出；

低功耗传感器，其连接所述能量管理电路，由能量管理电路供电以按采集需求输出所采集的数据；

无线数据收发装置，其同时连接所述能量管理电路以及低功耗传感器，由能量管理电路供电，用于接收低功耗传感器的传感信号，发送对应所述传感信号的无线信号，还用于接收无线控制指令。

有益效果

本申请的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器内部两端分别设置有换向模块，两换向模块之间还设置有中间磁力元件以及压电能量收集元件。本申请通过中间磁力元件在容器内部随振动部件往复振动而使得固定在容器外周的下部线圈、上部线圈产生感应电流和感应电动势，还通过中间磁力元件换向时对压电能量收集元件的撞击产生电能。本申请两端的换向模块能够使得整个能量收集器具有两个稳态，保证线圈能够有效响应于更宽频率范围的振动而更有效收集环境中的振动能量，以提高能量收集器的整体输出功率。

此外，本发明还创新地综合利用了电磁和压电机制。在振动能量收集领域，现有研究和应用大多基于上述某一种能量转化机制，在一个能量收集器中同时利用上述两种或多种转化机制研究成果及应用案例较少。而本发明创新地综合采用了电磁和压电机制，提出一种将机械能转化为电能的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，能够在不增加装置尺寸的情况下，有效提升能量转化效率。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是本申请的第一种双稳态电磁-压电混合能量收集器的示意图；

图2是本申请的第二种双稳态电磁-压电混合振动能量收集器的示意图；

图3是本申请的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器中弹簧力随中间磁力元件位移的变化曲线；

图4是本申请的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器中磁场力随中间磁力元件位移的变化曲线；

图5是本申请的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器中中间磁力元件受力随其位移的变化曲线；

图6是本申请的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器的势能分布示意图；

图7是本申请的自供电感知系统的结构框图；

图8是本申请的双稳态电磁压电混合振动能量收集器在15Hz定频激励下的电磁收集器输出电压；

图9是本申请的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器在50hz~0hz扫频激励下的中间磁力元件的位移；

图10是本申请的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器在50hz~0hz扫频激励下的输出电压。

图中，1表示容器；11表示出气孔；21表示下部套筒；22表示上部套筒；31表示下部压电能量收集元件；32表示上部压电能量收集元件；41表示下部磁铁；42表示上部磁铁；43表示中间磁力元件；51表示下部弹簧；52表示上部弹簧；61表示下部线圈；62表示上部线圈。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对于双稳态电磁压电混合振动能量收集器本身而言，由其容器外壁指向中间中间磁力元件的方向为内，反之为外；而非对本申请的装置机构的特定限定。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本申请中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对双稳态电磁压电混合振动能量收集器时，由下部套筒指向中间磁力元件的方向即为上，反之即为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。

图1为根据本申请的一种双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其可以以任意方向安装在振动部件上，以随同振动部件同步运动。该双稳态电磁-压电混合振动能量收集器具体包括：

容器1，其内部中空；

下部套筒21，其连接在容器1的下侧，封闭所述容器1的下端；

上部套筒22，其连接在容器1的上侧，封闭所述容器1的上端；

换向模块，其分别对称设置在所述容器1的上下两端，并分别与所述上部套筒22和所述下部套筒21固定连接；

中间磁力元件43，其设置在所述容器1的中部，位于两换向模块之间，所述中间磁力元件43由其上下两侧对称设置的换向模块驱动换向而在容器1内部往复运动；

下部线圈61，其围绕容器1的外周固定设置在所述中间磁力元件43与所述下部套筒21之间；

上部线圈62，其围绕容器1的外周固定设置在所述中间磁力元件43与所述上部套筒22之间；

该双稳态电磁-压电混合振动能量收集器被固定在振动部件上，由此，该双稳态电磁压电混合振动能量收集器的中间磁力元件43在容器1内部会随同振动部件往复运动。此过程中，所述下部线圈61和/或所述上部线圈62内产生感应电流和感应电动势，使得振动部件的机械振动转化为电能的能量进行收集和输出装置。该双稳态电磁-压电混合振动能量收集器除依托于法拉第电磁感应定律产生感应电流感应电动势外，还利用正压电效应：通过将该双稳态电磁-压电混合振动能量收集器固定在产生机械振动部件上，使得能量收集器将机械振动作为激励输入给了能量收集器内部的中间磁力元件43，通过中间磁力元件43的协同振动触发连接在换向模块上的压电能量收集元件，使其响应于中间磁力元件对换向模块的作用力而触发产生电能。

参考图2，在具体实现上述双稳态电磁-压电混合振动能量收集器时，本发明可以将中间磁力元件43设置为动磁铁，将每一个所述换向模块均分别包括：弹性装置和固定磁铁，并设置每一个换向模块均分别连接压电能量收集元件。由此，通过设置位于容器1上端的定磁铁与所述中间磁力元件43的上侧磁性相吸，并同时设置位于容器1下端的定磁铁与所述中间磁力元件43的下侧磁性相吸，使得中间磁力元件43在静止状态下受力平衡，而在振动部件振动过程中能够由两端同时施加作用力而往复运动。

由于该结构下，所述下部套筒21、上部套筒22、容器1以及相应的弹性装置均为非磁性材料，因此上述基于电磁感应的能量转化途径可通过中间磁力元件43随振动激励在容器中往复运动，而根据中间磁力元件43以不同的速度运动至线圈所处位置，通过如下几种方式实现：

① 如未碰撞到弹性装置，则中间磁力元件43与线圈的相对位移会导致的线圈切割磁感线，从而产生感应电流和感应电动势。

② 如碰撞到弹性装置，即当中间磁力元件43以一定的速度运动至线圈所处位置时，由于两端的固定磁铁均与中间磁力元件43互相吸引，因此当中间磁力元件43靠近某一端的固定磁铁时，磁铁间的吸引力将加速中间磁力元件43向容器一端运动，中间磁力元件43将碰撞到弹性装置，随着中间磁力元件43继续运动，弹性装置将被压缩从而产生反向的弹力。当弹性装置压缩到一定量时，弹性装置的弹力、磁铁间吸引力、重力等相互作用达到平衡，中间磁力元件43所受合力最小且加速度最小，此时中间磁力元件43将达到稳态且运动速度最大，即线圈与磁铁的相对速度最大，可获得最大的感应电流和感应电动势。因本发明的能量收集器在上端和下端均可达到稳态，因此称其为双稳态。

而相应的，上述基于正压电效应的能量转化途径可通过如下方式实现：中间磁力元件43随振动部件往复运动时可碰撞到弹性装置，弹性装置压缩后产生向两端的弹力，此弹力通过固定磁铁传递给压电能量收集元件，由于正压电效应，压电能量收集元件可输出相应的电信号，实现压电能量转换。

本领域技术人员应当知悉，本发明提出的双稳态振动能量收集器可根据需收集的振动能量和应用场景，在使用时灵活调整其固定安装方式，其既可以按照振动方向垂直放置、也可以相对于振动部件水平放置或倾斜放置均可。考虑到后几种放置方式下，实现所述中间磁力元件的动磁铁的正负极可能在往复运动过程中在容器内部出现翻转，而致使整个双稳态电磁-压电混合振动能量收集器无法高效换能，因此在较为优选非实现方式下，该动磁铁的外部还可进一步的设置有动磁铁外壳。所述动磁铁外壳为光滑非磁性材料，动磁铁外壳与所述动磁铁同步沿容器1的轴线在上下两端的换向模块之间往复运动。

在一些更为具体的实现方式下，上述换向模块，其可通过压电能量收集元件、磁铁和相应的螺旋弹簧实现。按其中压电能量收集元件的安装位置的不同，本发明具体可提供图1以及图2所示的两种能量收集器。其中图1中的压电能量收集元件位于收集器的两端，图2中的压电能量收集元件位于收集器的中部位置。

也就是说，上述设置在所述容器1上端的换向模块，其可通过图1方式设置为包括由上至下依次连接的：上部压电能量收集元件32、上部磁铁42和上部弹簧52，其中，上部压电能量收集元件32的上端固定连接在上部套筒22的内部，上部磁铁42设置在容器1的上端与上部压电能量收集元件32之间，上部弹簧52由上部磁铁42的下表面向下伸入容器1内部；而与之对称地，上述设置在所述容器1下端的换向模块，其可相应设置为包括由下至上依次连接的：下部压电能量收集元件31、下部磁铁41和下部弹簧51，其中，下部压电能量收集元件31的下端固定连接在下部套筒21的内部，下部磁铁41设置在容器1的下端与下部压电能量收集元件31之间，下部弹簧51由下部磁铁41的上表面向上伸入容器1内部。

或者以图2所示的方案，将设置在容器1上端的换向模块，设置为包括由上至下依次连接的：上部磁铁42、上部弹簧52、和上部压电能量收集元件32，其中，上部磁铁42的上端固定连接在上部套筒22的内部，上部弹簧52由上部磁铁42的下表面向下伸入容器1内部，上部压电能量收集元件32固定在上部弹簧52的下端并设置在容器1内接近上部线圈62的位置；而对称地将述容器1下端的换向模块设置为包括由下至上依次连接的：下部磁铁41、下部弹簧51、和下部压电能量收集元件31，其中，下部磁铁41的下端固定连接在下部套筒21的内部，下部弹簧55由下部磁铁41的上表面向上伸入容器1内部，下部压电能量收集元件31固定在下部弹簧51的上端并设置在容器1内接近下部线圈61的位置。

两种方式下，双稳态电磁-压电混合振动能量收集器所使用的容器，其均可设置为内壁光滑的圆管或矩形管，在下部弹簧51和上部弹簧52的位置处分别设有出气孔11，下部弹簧51和上部弹簧52可分别以图1和图2的方式对应设置在下部套筒21与下部线圈61之间、设置在上部套筒22与上部线圈62之间。容器的材质为非磁性材料，如亚克力、ABS等有机材料或铝、铝合金、铜等金属材料，可透明也可不透明。容器的尺寸（内径、外径、长度）可根据实际应用场景进行定制。

而所述的上下两个套筒，其可对称设置为连接在容器的上下两端，见图1和图2。其中下部套筒21固定于容器下端，上部套筒22固定于容器上端。套筒的材质为非磁性材料，如亚克力、ABS等有机材料或铝、铝合金、铜等金属材料，可透明也可不透明。套筒的尺寸（内径、外径、长度）可根据实际应用场景进行定制。

所述的压电能量收集元件 ，其具体可以通过压电陶瓷促动器等元件实现，每个双稳态电磁-压电混合振动能量收集器上分别设置2块。在图1中，下部压电能量收集元件31和上部压电能量收集元件32分别位于整个装置的上下两端，分别与固定设置的下部磁铁41和固定设置的上部磁铁42接触。在图2中，下部压电能量收集元件31和上部压电能量收集元件32分别位于下部弹簧51的上端和上部弹簧52的下端，即分别在动磁铁的下方和上方，且均可与弹簧和动磁铁直接接触。

本发明中的动磁铁还可设置为外表光滑的永磁铁（钕磁铁）。而下部磁铁41和上部磁铁42为均可设置为固定磁铁，分别位于容器的下端和上端。在图1中，下部磁铁41和上部磁铁42分别在下部压电能量收集元件31的上方和上部压电能量收集元件32的下方，与对应的压电能量收集元件直接接触。但是，在图2中，下部磁铁41和上部磁铁42还可以分别被固定在下部套筒21的上方和上部套筒22的下方。

本发明中的动磁铁可被安装在容器的中部位置。在图1中，动磁铁位于下部弹簧51和上部弹簧52的中间，可在两弹簧间中双向活动。在图2中，动磁铁位于下部压电能量收集元件31和上部压电能量收集元件32的中间，可在两压电能量收集元件中双向活动。

上述3块磁铁的磁性排布可按照相邻两磁铁相互吸引进行布置，即下部磁铁41的S极靠近动磁铁的N极，动磁铁的N极靠近上部磁铁42的S极（或下部磁铁41的N极靠近动磁铁的S极，动磁铁的S极靠近上部磁铁42的N极）。下部磁铁41和上部磁铁42的直径应大于容器的内径且小于套筒内径。动磁铁的直径应小于容器内径。此3块磁铁的具体尺寸（直径、厚度）可根据实际应用场景进行设计确定，当动磁铁的直径小于容器内径致使动磁铁在容器内发生倾斜甚至翻转时，需给动磁铁加装外壳，以保证其在不倾斜或翻转的情况下载容器内部进行上下双向自由移动。动磁铁的外壳需采用表面光滑的非磁性材料制作。

本申请中，可设置下部弹簧51在下部磁铁41的上方且其下端固定在下部磁铁41的上端面，上部弹簧52在上部磁铁42的下方且其上端固定在上部磁铁42的下端面。弹簧的材质为非磁性金属材质，如铜或铜合金等。弹簧的线径和圈数等参数可根据不同应用场景中所需的弹性系数进行设计和调整。

上述容器外部所固定的线圈可具体设置为铜线绕组，其缠绕在容器外部，共2个。下部线圈61位于下部弹簧51附近位置，上部线圈62位于上部弹簧52附近位置，以保证动磁铁在下部弹簧51和上部弹簧52附近往复运动时均能有较明显的电磁感应现象，从而获得较大的能量输出。两个线圈的接线方式可采用串联也可采用并联。线圈线径和匝数可根据不同应用场景的实际需求和尺寸限制进行设计和调整。

由此，为更加清晰地表述本发明中振动能量收集器的双稳态特征，图3给出了该振动能量收集器中的动磁铁所受弹簧力随动磁铁位移（以容器中心为动磁铁位移的坐标原点）的变化曲线，图4给出了本发明实施例中的动磁铁所受下部磁铁41和上部磁铁42对其施加的磁场力随动磁铁位移的变化曲线。图5给出了本发明实施例中动磁铁所受的合力随动磁铁位移的变化曲线。由此根据图5所示的动磁铁受力情况，可计算出动磁铁的势能随其所在位置变化的曲线。如图6所示，能量收集器的势能随动磁铁的位移（以容器中心为动磁铁位移的坐标原点）的分布情况，可显示出势能分布中有两个势阱，即两个势能最低点，也即两个稳态，因此本发明可实现双稳态。

由于上述双稳态电磁-压电混合振动能量收集器具有可靠的电压输出特性，因此，基于上述所提供的双稳态振动能量收集器所收集的电能，本发明还可通过配置与之匹配的能量转化、管理、储存电路以及各种低功耗传感器（加速度、温湿度、红外、惯性等）和无线数据收发装置，而组成自供电感知系统。此系统无需外接电源即可完成各种数据的采集和发送，且不受布线的限制，安装位置灵活，可应用各种数据采集场景及相应工程领域。

具体而言，该自供电感知系统，可参照图7，设置为包括如以上任一项所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，所述双稳态电磁-压电混合振动能量收集器固定在振动部件上，所述双稳态电磁-压电混合振动能量收集器内部的中间磁力元件43随同振动部件的振动而在容器1内部往复运动，致使所述下部线圈61和/或所述上部线圈62切割磁感线，而产生感应电流和感应电动势；

并同时设置为还包括：

能量管理电路，其同时连接所述下部线圈61、所述上部线圈62以及所述压电能量收集元件，用于接收下部线圈61和/或所述上部线圈62所产生的感应电流和感应电动势，并接收压电能量收集元件所产生的交流随机电能，以将其转换为稳定电压输出；

低功耗传感器，其连接所述能量管理电路，由能量管理电路供电以按采集需求输出所采集的数据；

无线数据收发装置，其同时连接所述能量管理电路以及低功耗传感器，由能量管理电路供电，用于接收低功耗传感器的传感信号，发送对应所述传感信号的无线信号，还用于接收无线控制指令。

由此，该自供电感知系统中的能量收集器：可通过本发明提出的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，为传感器工作和数据收发装置提供基本的电能供应。

该自供电感知系统中的能量管理电路：可主要包括整流、稳压和能量存储电路，功能是具备接口能够接入能量收集器所收集的电能，并能为后续的低功耗传感器和无线数据收发装置提供合适且稳定的电源。

该自供电感知系统中的低功耗传感器：可包括多种用于检测各种物理和化学信息的低功耗传感器，如加速度传感器、温湿度传感器、地磁传感器、角速度传感器、光线传感器、红外传感器等等。其电源由能量管理电路直接提供，其采集的数据可通过无线数据收发装置通过无线方式向外发送，同时，无线数据收发装置也可将控制指令传递给可控的低功耗传感器，实现传感器采集工作的实时控制。

该自供电感知系统中的无线数据收发装置：可主要用于向外发送传感器采集的数据和向内传输控制指令。其电源由能量管理电流直接提供。

为验证本发明提出的双稳态振动能量收集器的实施效果，本发明还对上述自供电感知系统中的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器进行了实施验证：

在定频实验中，将能量收集器的两个线圈串联，并输入频率为15Hz、幅值为45m/s²的正弦振动激励，电路外接1.4kΩ负载电阻时，所得到的输出电压如图8所示。可见明显的双稳态特征，且输出的负载电压高达﹣3.1 ～ ﹢4.3 V，具有较高的能量转换效率。

在扫频实验中，将能量收集器的两个线圈串联，并输入正弦扫频激励信号，扫频范围为50~0Hz线性递减、激励信号幅值为45m/s²，能量收集器外接1.4kΩ负载电阻时，所得到的实验结果如图9和图10所示。其中图9为能量收集器的动磁铁（动磁铁）位移随激励信号频率变化的曲线，图10为能量收集器的输出电压随激励信号频率变化的曲线。

由上述各实验结果可见，本发明提出的双稳态振动能量收集器载在输入激励为27hz～35hz范围内时均能获得较高的输出电压，显示了其良好的宽频响应特性，即在相对较宽的振动激励频率范围内均能获得较高的能量转化效率，从而显示了本发明提出的双稳态振动能量收集器的优势。

综上，与现有技术相比，本发明的优势主要体现在以下两点：

第一，本发明创新地综合利用了电磁和压电混合机制。在振动能量收集领域，现有研究和应用大多基于上述某一种能量转化机制，在一个能量收集器中同时利用上述两种或多种转化机制研究成果及应用案例较少。而本发明创新地综合采用了电磁和压电机制，提出一种将机械能转化为电能的混合能量收集器，能够在不增加装置尺寸的情况下，有效提升能量转化效率。

第二，本发明创新地提出了一种能够有效实现双稳态且组成简单的结构。无论是采用悬臂式、永磁体-振动膜式或磁浮式，现有的能量收集装置几乎均为单稳态的线性结构，其只有在与线性结构的固有频率相接近的振动频率附近方能获得较好的能量转化效率，故大多电磁能量收集器的频率响应宽度窄，无法收集较宽频带的振动能量。而本发明提出的双稳态结构具有典型的非线性特征，其频率响应范围大，在宽频带振动能量收集中可实现较高的转化效率。此外，相较于单稳态来说，双稳态结构中可运动部分（动磁铁或线圈）的运动幅度较大，能更有效地完成磁感线切割，从而产生较大的输出功率。同时，本发明创新地通过磁铁和弹簧实现了双稳态结构，具有简单易实现的优点。

因此，与已公开发布的能量收集领域相关研究成果相比，本发明提出的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器的能量转化效率更高、宽频响应更好，同时该能量收集器还具有结构简单、便于根据实际场景定制开发、可长时间稳定运行、易于维护等优点。

以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其特征在于，包括：

容器（1），其内部中空；

下部套筒（21），其连接在容器（1）的下侧，封闭所述容器（1）的下端；

上部套筒（22），其连接在容器（1）的上侧，封闭所述容器（1）的上端；

换向模块，其分别对称设置在所述容器（1）的上下两端，并分别与所述上部套筒（22）和所述下部套筒（21）固定连接；

中间磁力元件（43），其设置在所述容器（1）的中部，位于两换向模块之间，所述中间磁力元件（43）由其上下两侧对称设置的换向模块驱动换向而在容器（1）内部往复运动；

下部线圈（61），其围绕容器（1）的外周固定设置在所述中间磁力元件（43）与所述下部套筒（21）之间；

上部线圈（62），其围绕容器（1）的外周固定设置在所述中间磁力元件（43）与所述上部套筒（22）之间；

中间磁力元件（43）在容器（1）内部往复运动的过程中，所述下部线圈（61）和/或所述上部线圈（62）切割磁感线，而产生感应电流和感应电动势。

2.如权利要求1所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其特征在于，所述中间磁力元件（43）为动磁铁，所述下部套筒（21）、上部套筒（22）以及容器（1）均为非磁性材料；

所述动磁铁的外部还可设置有动磁铁外壳，所述动磁铁外壳为光滑非磁性材料，动磁铁外壳与所述动磁铁同步沿容器（1）的轴线在上下两端的换向模块之间往复运动。

3.如权利要求1所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其特征在于，每一个所述换向模块均分别包括：弹性装置和定磁铁；

每一个所述换向模块还分别连接有压电能量收集元件，用于通过中间磁力元件对换向模块的作用力触发产生电能。

4.如权利要求3所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其特征在于，位于容器（1）上端的定磁铁与所述中间磁力元件（43）的上侧磁性相吸；

位于容器（1）下端的定磁铁与所述中间磁力元件（43）的下侧磁性相吸。

5.如权利要求3所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其特征在于，所述弹性装置为非磁性材料的螺旋弹簧；所述压电能量收集元件包括能有效产生压电效应的各类元件。

6.如权利要求5所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其特征在于，设置在所述容器（1）上端的换向模块，其包括由上至下依次连接的：上部压电能量收集元件（32）、上部磁铁（42）和上部弹簧（52），其中，上部压电能量收集元件（32）的上端固定连接在上部套筒（22）的内部，上部磁铁（42）设置在容器（1）的上端与上部压电能量收集元件（32）之间，上部弹簧（52）由上部磁铁（42）的下表面向下伸入容器（1）内部；

设置在所述容器（1）下端的换向模块，其包括由下至上依次连接的：下部压电能量收集元件（31）、下部磁铁（41）和下部弹簧（51），其中，下部压电能量收集元件（31）的下端固定连接在下部套筒（21）的内部，下部磁铁（41）设置在容器（1）的下端与下部压电能量收集元件（31）之间，下部弹簧（51）由下部磁铁（41）的上表面向上伸入容器（1）内部。

7.如权利要求5所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，其特征在于，设置在所述容器（1）上端的换向模块，其包括由上至下依次连接的：上部磁铁（42）、上部弹簧（52）、和上部压电能量收集元件（32），其中，上部磁铁（42）的上端固定连接在上部套筒（22）的内部，上部弹簧（52）由上部磁铁（42）的下表面向下伸入容器（1）内部，上部压电能量收集元件（32）固定在上部弹簧（52）的下端并设置在容器（1）内接近上部线圈（62）的位置；

设置在所述容器（1）下端的换向模块，其包括由下至上依次连接的：下部磁铁（41）、下部弹簧（51）、和下部压电能量收集元件（31），其中，下部磁铁（41）的下端固定连接在下部套筒（21）的内部，下部弹簧（55）由下部磁铁（41）的上表面向上伸入容器（1）内部，下部压电能量收集元件（31）固定在下部弹簧（51）的上端并设置在容器（1）内接近下部线圈（61）的位置。

8.如权利要求1所述的双稳态电磁-压电混合能量收集器，其特征在于，所述容器（1）的表面还在下部套筒（21）与下部线圈（61）之间、在上部套筒（22）与上部线圈（62）之间分别对称设置有出气孔（11）。

9.一种自供电感知系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任一所述的双稳态电磁-压电混合振动能量收集器，所述双稳态电磁-压电混合振动能量收集器固定在振动部件上，所述双稳态电磁-压电混合振动能量收集器内部的中间磁力元件（43）随同振动部件的振动而同步在容器（1）内部往复运动，致使所述下部线圈（61）和/或所述上部线圈（62）处于变化的磁场中而产生感应电流，并通过中间磁力元件（43）的换向而触发压电能量收集元件产生电能；

还包括：

能量管理电路，其同时连接所述下部线圈（61）、所述上部线圈（62）以及所述压电能量收集元件，用于接收下部线圈（61）和/或所述上部线圈（62）和压电能量收集元件所产生的交流随机电能输出并将其转换为稳定电压输出；

低功耗传感器，其连接所述能量管理电路，由能量管理电路供电以按采集需求输出所采集的数据；

无线数据收发装置，其同时连接所述能量管理电路以及低功耗传感器，由能量管理电路供电，用于接收低功耗传感器的传感信号，发送对应所述传感信号的无线信号，还用于接收无线控制指令。

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