CN115514254A - 一种用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器及工作方法 - Google Patents
一种用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器及工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及振动能量收集与微功率发电技术领域，尤其涉及一种用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器及工作方法。俘能器包括：第一基座、第二基座、外悬臂梁和内悬臂梁；所述外悬臂梁包括第一子梁和第二子梁，第一子梁和第二子梁的一端固定于所述第一基座，另一端即自由端通过第三子梁连接；所述内悬臂梁位于所述第一子梁和第二子梁之间，内悬臂梁一端固定于第三子梁；所述第一基座设置第一磁铁，所述内悬臂梁自由端设置第二磁铁，所述第一磁铁和第二磁铁相对端磁性相同；所述第二基座设置第四磁铁，所述外悬臂梁自由端设置第三磁铁，所述第三磁铁和第四磁铁相对端磁性相同，解决了传统压电俘能器在低频振动环境下俘能效率较低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及振动能量收集与微功率发电技术领域，尤其涉及一种用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器及工作方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着微机电系统(MEMS)、片上系统(SoC)、无线通信技术和嵌入式技术的快速发展，无线传感器节点正向着微型化、智能化、低功耗化等方向靠拢，并广泛的应用于生物医疗、便携式电子设备、环境监测、高速铁路网、军事与航空航天等方面。目前，大多数分布式无线传感器节点采用电池供电的方式进行供能，受节点体积限制，电池模块的能量非常有限，难以满足其长期续航的要求，需要定期更换电池，增加了节点的维护成本，限制了节点的应用范围。
为了满足无线传感器网络长期稳定运行的要求，节点自供电是一种有效的解决方法。俘获振动能量并将其转化为电能是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术。压电俘能器与传统的化学电池不同，它的功能类似于发电机，可以不间断地从周围环境中收集振动能量为无线传感器节点供能，有效降低了节点的维护频次甚至达到“零维护”的工作模式，极大的丰富了无线传感器节点的布放区域及工作方式。
为了最大化机电耦合效率，一般要求压电俘能器的固有频率与环境振源相匹配。在大多数情况下，环境振动能量分布在很宽的频率范围内，典型悬臂梁式结构工作频带较窄，当激励频率远离谐振频率时，系统的俘能效率会急剧下降。为此，双稳态结构被提出和研究，系统带宽显著增加，但是双稳态结构具有较高的跨阱阈值，在弱激励强度下难以维持高能阱间振荡，在实际应用中受到了限制。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，以解决传统压电俘能器在低频振动环境下俘能效率较低的问题，具有宽频带和低阈值等特点，能够高效俘获环境中的振动能量。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，包括：第一基座、第二基座、外悬臂梁和内悬臂梁；所述外悬臂梁包括第一子梁和第二子梁，第一子梁和第二子梁的一端固定于所述第一基座，另一端即自由端通过第三子梁连接；所述内悬臂梁位于所述第一子梁和第二子梁之间，内悬臂梁一端固定于第三子梁，另一端即自由端朝向所述第一基座；所述第一基座设置第一磁铁，所述内悬臂梁自由端设置第二磁铁，所述第一磁铁和第二磁铁相对端磁性相同；所述第二基座设置第四磁铁，所述外悬臂梁自由端设置第三磁铁，所述第三磁铁和第四磁铁相对端磁性相同。
本发明另一优选的实施方式中，所述第一子梁和第二子梁靠近第一基座的位置设置第一压电元件，所述内悬臂梁靠近第三子梁的位置设置第二压电元件。
本发明另一优选的实施方式中，所述第一压电元件通过粘结剂与第一子梁、第二子梁连接，所述第二压电元件通过粘结剂与内悬臂梁连接。
本发明另一优选的实施方式中，所述外悬臂梁和内悬臂梁为片状结构。
本发明另一优选的实施方式中，所述外悬臂梁和内悬臂梁为一体式结构或者可拆卸结构。
本发明另一优选的实施方式中，所述第一磁铁和第二磁铁之间的间距可调，所述第三磁铁和第四磁铁之间的间距可调。
本发明另一优选的实施方式中，所述第一基座和第一磁铁之间设置支撑梁，根据不同的工况调节支撑梁的长度。
本发明另一优选的实施方式中，所述第二基座和第四磁铁之间设置垫片，根据不同的工况更换不同厚度的垫片。
本发明另一优选的实施方式中，第一、第二、第三、第四磁铁为永磁铁。
本发明实施例还提供了用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器的工作方法：当振动激励含有垂直于外悬臂梁平面的振动分量时，外悬臂梁和内悬臂梁产生受迫振动，使得第一压电元件和第二压电元件产生形变，从而将环境产生的振动能通过正压电效应转化为电能。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器有效结合了多模态技术与非线性技术，拓宽了系统的工作频带，降低了跨阱阈值，提高了俘能效率。本发明的俘能器能够稳定可靠运行，且具有低固有频率，更加适用于低频振动环境。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1的俘能器结构示意图；
图2是本发明实施例1的俘能器俯视图；
图3是本发明实施例1的俘能器在第一振动模态下的振动位形示意图；
图4是本发明实施例1的俘能器在第二振动模态下的振动位形示意图；
图5是去除外部磁铁组和内部磁铁组的俘能器在0.3g加速度、上扫频、扫频范围5～25Hz条件下的电压幅频响应；
图6是本发明实施例1的俘能器在0.3g加速度、上扫频、扫频范围5～25Hz条件下的电压幅频响应；
图7是去除外部磁铁组的俘能器在0.15g加速度、上扫频、扫频范围5～25Hz条件下的电压幅频响应；
图8是本发明实施例1的俘能器在0.15g加速度、上扫频、扫频范围5～25Hz条件下的电压幅频响应；
图9是本发明实施例3的俘能器结构示意图；
图10是对比例1的俘能器结构示意图；
图11是对比例2的俘能器结构示意图；
图12为不同磁铁间距D下的势阱图；
图中：1、外悬臂梁；2、内悬臂梁；3、第一压电元件；4、第二压电元件；5、第三磁铁；6、第四磁铁；7、第二磁铁；8、第一磁铁；9、第二基座；10、第一基座；
为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
名词解释：低频振动能量是表示分布在低频率段的振动能量。低阈值是指多稳态系统的跨阱阈值低，阈值反映了结构的本质特征，以双稳态结构为例，它表示了双稳态结构进行大振幅周期振荡所需要的的最小激励强度。在实际应用中，对于双稳态结构越低的阈值被认为具有越好的性能。
正如背景技术所介绍的，环境中的振动能量是离散的且主要分布在低频段，传统的压电俘能器在低频振动环境下俘能效率较低。为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，包括：第一基座10、第二基座9、外悬臂梁1和内悬臂梁2；所述外悬臂梁1包括第一子梁和第二子梁，第一子梁和第二子梁的一端固定于所述第一基座10，另一端即自由端通过第三子梁连接；所述内悬臂梁2位于所述第一子梁和第二子梁之间，内悬臂梁2一端固定于第三子梁，另一端即自由端朝向所述第一基座10；所述第一基座10设置第一磁铁8，所述内悬臂梁2自由端设置第二磁铁7，所述第一磁铁(下称内侧磁铁)8和第二磁铁(下称内悬臂梁磁铁)7相对端磁性相同；所述第二基座(下称外侧基座)9设置第四磁铁6，所述外悬臂梁1自由端设置第三磁铁5，所述第三磁铁(下称外悬臂梁磁铁)5和第四磁铁(下称外侧磁铁)6相对端磁性相同。所述第一子梁和第二子梁靠近第一基座(下称内侧基座)10的位置设置第一压电元件3，所述内悬臂梁2靠近第三子梁的位置设置第二压电元件4。
对于本发明如何拓宽工作频带：
传统的悬臂梁式结构，其机电耦合模型可以简化为等效刚度k、等效质量m和等效阻尼c，而等效刚度k对频带的影响是决定性的，线性系统的刚度为定值，其工作频率单一，使得系统的工作频带窄。而磁体之间的相互作用力为非线性力，本发明通过引入非线性磁力改变系统刚度，使得系统具有非线性刚度，从而拓宽系统的工作频带。
以具有末端质量的悬臂梁系统为例，悬臂梁变形后的弹性恢复力等效为F＝k0x，k0是等效线性刚度，x是悬臂梁末端位移量。磁力是非线性力，简单表示为Fmag＝(k1x+k2x3)，引入磁力的系统恢复力可以表示为F＝k0x+k1x+k2x3，即系统的恢复力具有非线性项，其刚度也是非线性刚度。
对于一个线性系统，通过磁力非线性或者结构非线性的方法来改变系统的刚度都是能够在一定程度上拓宽系统的工作频带，本发明的俘能器采用磁力非线性拓宽频带的方法。
对于本发明如何降低跨阱阈值：
现有的双稳态压电俘能器具有较高的跨阱阈值是双稳态结构的特性，以磁力构型的双稳态结构为例，如图12，当D＝7mm时，磁力较强，此时系统的势阱具有两个较深的低谷，每一个低谷的谷底代表一个稳态位置，而δ表示势垒高度，势垒高度影响了悬臂梁在两个稳态位置之间的往复运动，对于较小的激励强度，系统难以跨越该势垒，只能在一个低谷内振荡，能量收集效率降低，甚至比不上线性结构，因为线性结构与图12中D＝20mm类似，没有势垒的阻挡作用。因此与线性系统相比较，双稳态压电俘器具有较高的跨阱阈值。
相比较而言，本发明中外悬臂梁和内悬臂梁均引入了磁力作用。当内部悬臂梁的磁铁间距较小时，无外部磁铁作用的压电俘能器其内悬臂梁难以跨越势垒进行大振幅振荡，然而当外悬臂梁引入外部磁铁时，内悬臂梁可以跨越其原本难以跨越的势垒，即外悬臂梁引入磁力作用一定程度上降低了内悬臂梁的跨阱阈值，而外悬臂梁的磁铁间距较大，其跨阱阈值远远低于内梁，从而整个系统的跨阱阈值得到降低。
如图12所示的势阱图，磁铁间距D需要保持在一个合理的范围内，过大或过小的磁铁间距均难以提升系统性能。磁铁间距D的范围优选为7～20mm，当D＜7mm时，磁铁间距过小，势垒急剧升高(δ更大)，俘能装置在高势垒下难以跨越势垒进行有效俘能，系统性能反而降低；当D＞20mm时，磁铁间距过大，磁力作用弱，难以提升系统性能。当然可以理解的是，不同磁铁组的有效范围是不同的。
上文提到的“内部悬臂梁的磁铁间距较小”等价于内部悬臂梁具有较高的势垒，参考图12的磁铁间距d≤8mm；上文中“外部悬臂梁的磁铁间距较大”等价于外部悬臂梁具有极低的势垒，参考图12的磁铁间距9mm≤D≤10mm。其中，D＝10mm是双稳态和单稳态结构的分界线，大于10mm为单稳态结构。
也就是说，在本发明专利申请的结构中，内悬臂梁的跨阱阈值较高，而外悬臂梁跨阱阈值极低，利用外悬臂梁与内悬臂梁的耦合作用以达到降低阈值的目的。
外、内磁铁组的设置是拓宽频带、降低阈值所必须，去掉外、内梁任一组磁铁都会使得系统性能大打折扣，当去掉外、内两组磁铁组时，系统性能会急剧降低，难以取得上述效果。
通过图5-图8可以看出本发明俘能器的性能提升：
首先对比图5和图6，图5是去除外部磁铁组和内部磁铁组的二自由度压电俘能器的电压响应，图6是本发明带有外、内磁铁组的俘能器的电压响应，可以发现，通过外、内磁铁组的非线性力作用，本发明俘能器具有更宽的工作频带，达到了12.8Hz。
其次对比图7和图8，图7是去除外部磁铁组的俘能器的电压响应，图8是本发明俘能器的电压响应。可以发现，图7中内梁为混沌运动，难以进行大振幅的周期运动，而在外部磁铁的助推下，图8表现出了大振幅的周期振荡，即在外部磁铁的作用下系统的跨阱阈值降低。图5-图8综合验证了两组磁铁拓宽了频带、降低了阈值。
具体的：
二自由度式悬臂梁结构压电振子，用于将振动能转化为电能；
二自由度式悬臂梁结构压电振子包括外悬臂梁1和内悬臂梁2，外悬臂梁1由两根对称分布在内悬臂梁2两侧的子梁组成，两根子梁平行并在自由端处相连接；内悬臂梁2居中分布并与外悬臂梁1自由端连接。
所述二自由度式悬臂梁结构压电振子通过外悬臂梁1夹持于激振台上。
所述外悬臂梁1自由端设置有外悬臂梁磁铁，外侧基座设置有外侧磁铁，两块磁铁和互相排斥，构成外部磁铁组，用于提高能量收集效率。所述外部磁铁组(磁铁5和6)的外侧磁铁6位置可调，用于调节磁铁间距。
所述内悬臂梁2自由端设置有内悬臂梁磁铁，内侧基座设置有内侧磁铁，两块磁铁7和8互相排斥，构成内部磁铁组，用于提高能量收集效率。所述内部磁铁组(磁铁7和8)的内侧磁铁8位置可调，用于调节磁铁间距。需要注意的是，磁铁5，6，7，8均在同一平面内。
磁铁位置调节的一种实施方式是利用支撑梁调节磁铁间距，以内侧磁铁8和内侧基座10为例，内侧磁铁固定在支撑梁上，然后支撑梁固定在内侧基座上，通过调整支撑梁的长度来调整内侧磁铁的位置，从而调节磁铁间距d。需要说明的是，支撑梁应当具有足够大的刚度，以防止振动过程中支撑梁产生形变，即支撑梁刚度远大于内外悬臂梁刚度。
磁铁位置调节的另一种实施方式是利用垫片调节磁铁间距，以外侧磁铁和外侧基座为例，通过在外侧磁铁和外侧基座之间添加不同厚度的垫片来改变磁铁的位置，从而调节外部磁铁间距D，此处认为外侧基座和外悬臂梁磁铁是固定的。
调节磁铁间距的目的是因为不同的磁铁间距系统可以获取不同的非线性磁力，从而获得不同的性能配置，更好的适应各种工况。
所述外悬臂梁1根部设置有第一压电元件3，第一压电元件通过粘接剂与外悬臂梁连接，用于机电耦合转换。所述内悬臂梁2根部设置有第二压电元件4，第二压电元件通过粘接剂与内悬臂梁连接，用于机电耦合转换。
所述悬臂梁式压电振子的外悬臂梁1和内悬臂梁2均呈薄片状。
所述外悬臂梁磁铁、内悬臂梁磁铁、外侧磁铁和内侧磁铁均为永磁体。
实施例1
在本发明提出的结构中，切割式二自由度(2DOF)悬臂梁是由外悬臂梁1和内悬臂梁2组成的，如图1所示。实验过程中由夹具夹持外悬臂梁1，能量转化通过外悬臂梁1和第一压电元件3、内悬臂梁2和第二压电元件4构成的悬臂梁式压电振子完成。俘能器的工作过程包括夹持在基座上的外悬臂梁1的振动和固接在外悬臂梁1自由端的内悬臂梁2的振动。
悬臂梁的设置：切割式二自由度(2DOF)自由度(degree of freedom,df)悬臂梁是由一片薄梁经过激光加工制成的，它可以细分为外悬臂梁1和内悬臂梁2，外悬臂梁1夹持在内侧基座10上，内悬臂梁2与外悬臂梁1自由端固接。由外悬臂梁1和内悬臂梁2组成的切割式2DOF悬臂梁可以是一体式结构也可以是可拆卸结构，它并不会影响结构的响应特性。
磁铁的设置：外悬臂梁1自由端设置有外悬臂梁磁铁，外侧基座设置有外侧磁铁，两块磁铁5和6互相排斥，构成外部磁铁组；内悬臂梁2自由端设置有内悬臂梁磁铁，内侧基座设置有内侧磁铁，两块磁铁7和8互相排斥，构成内部磁铁组。外侧磁铁和内侧磁铁位置可调，用于调节磁铁间距。外悬臂梁磁铁和内悬臂梁磁铁一方面是用于引入非线性磁力，改善系统性能；另一方面是用作尖端质量，降低系统固有频率。
固定端与激振台的连接：外侧基座和内侧基座属于夹具部分，与激振台连接，用于固定压电俘能器和磁铁。俘能器的固定端位置在外悬臂梁1上，由铝型材构成的夹具(内侧基座10)夹紧。
压电元件的材料和连接方式：目前实验中压电元件的材料选用PZT5H(尺寸为10mm*20mm)，压电元件与梁的耦合方式为使用粘接剂连接。所述压电元件可以为压电陶瓷也可以为柔性的压电薄膜，实验表明PZT这种压电陶瓷性能较好。压电元件的粘贴位置可以在根部也可以在其它位置，在根部位置时PZT发电性能最好。
实施例2
一种用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器的工作方法，包括：当振动激励含有垂直于切割式2DOF悬臂梁平面的振动分量时，外悬臂梁1和内悬臂梁2产生受迫振动，使得第一压电元件3和第二压电元件4产生形变，从而将环境产生的振动能通过正压电效应转化为电能。
具体的：
外悬臂梁1固定在内侧基座，内悬臂梁2固定在外悬臂梁1自由端，外悬臂梁磁铁固定在外悬臂梁1自由端，外侧磁铁固定在外侧基座，内悬臂梁磁铁固定在内悬臂梁2自由端，内侧磁铁固定在内侧基座，磁铁5和磁铁7一方面用于引入非线性力，另一方面用作悬臂梁尖端质量，以降低装置的固有频率。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，内悬臂梁也包括两个子梁，子梁的自由端连接，但子梁的数目增加会降低结构的鲁棒性，因此，实施例3相比于实施例1的技术效果较差，实施例1是能达到上述效果的最优结构。
因此，要获得本发明的效果需满足以下3个基本条件：
①外悬臂梁和内悬臂梁在同一平面内。如果不在同一平面内，那么外悬臂梁和内悬臂梁振动特性会发生改变，外、内悬臂梁之间的耦合作用也会改变，难以达到本发明中的效果。
②外悬臂梁为轴对称结构，内悬臂梁为轴对称结构，且外悬臂梁和内悬臂梁沿长度方向的对称轴在同一条直线上(即重合)。如果外内悬臂梁沿长度方向的对称轴不在同一条直线上，在振动过程中，外内悬臂梁上的受力不均衡，从而产生小幅度的偏心扭转，难以达到本发明中的效果。
③外悬臂梁延伸方向与内悬臂梁延伸方向相反。如果外悬臂梁延伸方向与内悬臂梁延伸方向相同，那外内悬臂梁就不存在了，且外内梁成为了一根梁，难以达到本发明中的效果。
对比例1
如图10所示，对比例1与实施例1的区别在于外悬臂梁仅有一个子梁，该结构中外悬臂梁和内悬臂梁的轴线不重合，不符合上述条件②，在振动过程中，外内悬臂梁上的受力不均衡，从而产生小幅度的偏心扭转，难以达到本发明中的效果。
对比例2
如图11所示，对比例2与实施例1的区别在于内悬臂梁固定在第一基座上，外悬臂梁连接在内悬臂梁的自由端，该结构具有两个独立的外悬臂梁和一个内悬臂梁，一共三个自由度，无法拓宽系统的工作频带，难以降低跨阱阈值。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，其特征在于，包括：第一基座、第二基座、外悬臂梁和内悬臂梁；
所述外悬臂梁包括第一子梁和第二子梁，第一子梁和第二子梁的一端固定于所述第一基座，另一端即自由端通过第三子梁连接；所述内悬臂梁位于所述第一子梁和第二子梁之间，内悬臂梁一端固定于第三子梁，另一端即自由端朝向所述第一基座；
所述第一基座设置第一磁铁，所述内悬臂梁自由端设置第二磁铁，所述第一磁铁和第二磁铁相对端磁性相同；所述第二基座设置第四磁铁，所述外悬臂梁自由端设置第三磁铁，所述第三磁铁和第四磁铁相对端磁性相同。
2.如权利要求1所述的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，其特征在于，所述第一子梁和第二子梁靠近第一基座的位置设置第一压电元件，所述内悬臂梁靠近第三子梁的位置设置第二压电元件。
3.如权利要求2所述的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，其特征在于，所述第一压电元件通过粘结剂与第一子梁、第二子梁连接，所述第二压电元件通过粘结剂与内悬臂梁连接。
4.如权利要求1所述的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，其特征在于，所述外悬臂梁和内悬臂梁为片状结构。
5.如权利要求1所述的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，其特征在于，所述外悬臂梁和内悬臂梁为一体式结构或者可拆卸结构。
6.如权利要求1所述的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，其特征在于，所述第一磁铁和第二磁铁之间的间距可调，所述第三磁铁和第四磁铁之间的间距可调。
7.如权利要求6所述的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，其特征在于，所述第一基座和第一磁铁之间设置支撑梁，根据不同的工况调节支撑梁的长度。
8.如权利要求6所述的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，其特征在于，所述第二基座和第四磁铁之间设置垫片，根据不同的工况更换不同厚度的垫片。
9.如权利要求1所述的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器，其特征在于，第一、第二、第三、第四磁铁为永磁铁。
10.如权利要求2所述的用于低频振动能量收集的宽频压电俘能器的工作方法，其特征在于，当振动激励含有垂直于外悬臂梁平面的振动分量时，外悬臂梁和内悬臂梁产生受迫振动，使得第一压电元件和第二压电元件产生形变，从而将环境产生的振动能通过正压电效应转化为电能。
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2022
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