[实用新型]一种带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器

说明书

技术领域

本实用新型属于新能源和发电技术领域，具体涉及一种带有弹性放大器的高效宽频带振动能量采集器，用于放大基座的振动位移的幅度，提高压电振子的发电能量和转换效率，实现高效、宽频带的能量采集与转换。

背景技术

为解决小尺寸、低成本、低功耗的无线传感器网络节点和电子设备的自供电问题，减少废弃电化学电池对环境的污染，基于压电、静电、磁电等原理的微能量采集技术已成为国内外研究的热点。作为人类日常生活中一种特有的能量形式，振动能量采集由于其成本低、能量密度大等优势受到广泛的关注和研究。基于压电转换原理的振动能量采集器由于具有结构简单、易于制作、易于小型化和集成化、且能量转换密度高等优点，具有广泛的应用前景，目前已逐步代替电化学电池用于无线传感器网络、结构在线健康检测以及RFID等领域。

国内外有较多的专利申请涉及压电振动能量采集器，典型的压电能量采集器结构主要是悬臂梁式、圆盘式和叠堆式压电振子，这些压电振子结构的谐振频带比较窄，能量转换效率不高。为提高压电能量采集器的能量转换效率、增加压电能量采集器的有效频带宽度，目前出现了宽频压电振子构成能量采集器，如，中国发明专利200910195782.8提出了基于双稳态升频结构的MEMS宽频压电能量采集器，可实现较宽的环境振动频率范围内较大的输出功率；中国发明专利201110109272.1提出了一种基于二自由度压电振子的环境振动能量采集装置，其振动机构由两个上下平行固定于基座的单自由度悬臂梁结构和一根垂直连接振子质量块的弹簧构成，两振子的梁厚与质量块重量均不同，形成一阶与二阶谐振频率相邻的宽频谐振二自由系统。中国发明专利200810233113.0提出一种采用压磁/压电复合换能结构的振动压电能量采集器，等等。通常仅当压电振子谐振频率与环境振动频率一致时压电能量采集器的发电能力和能量转换效率达到最大，但事实上压电振子的谐振频带通常比较窄，因此，直接利用压电振子采集环境振动能量的效果并不显著。正如上述实用新型专利所述，为提高压电振子的谐振频带宽度常用的方法是改变传统单悬臂梁压电振子结构，采用复合压电振子结构，如多悬臂梁压电振子结构、L型压电振子结构等，该方法虽在一定程度上可以拓宽能量采集器的谐振频带，但结构复杂；另外，当外界振动比较微弱时，复合压电振子结构的能量采集和转换能力并不显著。可见，工作频带窄、能量采集和转换效率低依然是现有压电振动能量采集器的主要技术瓶颈。

实用新型内容

本实用新型公布一种带有弹性放大机构的高效宽频带振动能量采集器，以解决现有压电能量采集器工作频带窄、能量转换效率低，特别是在外界振动比较微弱时发电能力低的问题。

本实用新型采用的实施方案是：所述的振动能量采集器振动能量采集器由壳体、弹性放大机构、悬臂梁压电振子和弹簧-质量系统组成；所述的壳体由4块轻质金属板用螺钉固定在上端盖、下端盖之间形成一个四面体，所述的轻质金属板设有用于固定悬臂梁压电振子的U型连接座；所述的弹性放大机构由弹簧元件和阻尼元件组成，弹性放大机构通过螺钉固定在基座与壳体之间；所述的悬臂梁压电振子是由上压电陶瓷晶片、下压电陶瓷晶片、金属基板和磁铁组成，金属基板的顶部粘接有上压电陶瓷晶片、底部粘接有下压电陶瓷晶片，金属基板的一端用螺钉固定在U型连接座上，另一端安装有磁铁；所述的弹簧-质量系统由拉簧、压簧和质量块构成，所述的拉簧的一端与上端盖底面连接，所述的压簧的一端与下端盖顶面连接，所述的拉簧和压簧的另一端分别与质量块连接，所述质量块的四周镶嵌磁铁；所述压电振子端部的磁铁与镶嵌在质量块四周的磁铁的反性磁极相对安装。

本实用新型实施方式中，固定于壳体金属板连接座上的压电振子的数量有4个，每个压电振子由上压电陶瓷晶片、下压电陶瓷晶片金属基板和磁铁组成，金属基板的顶部粘接有上压电陶瓷晶片、底部粘接有下压电陶瓷晶片；所述的上压电陶瓷晶片与下压电陶瓷晶片在电学上可以串联连接，也可以是并联连接。

本实用新型实施方式中，弹性放大机构的弹性元件的刚度和阻尼元件的阻尼系数均也可以改变，通过改变弹性元件的刚度和阻尼元件的阻尼系数使弹性放大机构、悬臂梁压电振子与弹簧-质量形成一阶与二阶谐振频率相邻的宽频谐振二自由度系统；此外，通过改变弹性元件的刚度和阻尼元件的阻尼可以放大基座的振动位移的幅度，使悬臂梁压电振子的振动变形增大，从而提高能量采集器的转换效率。