[实用新型]一种力‑电‑流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器

说明书

技术领域

本实用新型涉及新能源与微电子器件供能技术领域，具体涉及一种力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器。

背景技术

随着微制造技术和现代集成电路的迅速发展，大量的电子产品，如健康监测仪、无线传感器心率起搏器等，显示出高精度、小型化和低功耗等特点。例如，用于结构健康监测的传感器在正常工作时所需的平均功率不到48μW。目前，这些电子产品通常采用有线输电或借助电池以实现能量供给。然而，有线输电会造成铺线困扰，特别是对于远距离、环境较恶劣的偏远地区；而电池供电具有寿命短、环保性差、维护成本高等缺点，这无疑给工程界带来巨大挑战。鉴于此，一些新型的“能量采集”技术应运而生。迄今，一种可能的途径是将自然环境中废弃的能量转化为可利用的电能，以期减少或取代对电池或有线输电方式的长期依赖。

目前，主要有三种方式将环境中的振动能量转换为电能：电磁、静电和压电换能机制。与其它发电原理相比，压电换能的最大优势在于结构简单，易于制作成各种所需尺寸和形状，便于与微机电系统集成或置于系统内部，并且压电俘能产生的电压比较大。

流致振动现象包括涡激振动、驰振、颤振等。其中，驰振和颤振是随着流速或风速的增大逐渐增大。而涡激振动是一种自激和自限的振动现象，当流速在某一范围内时，结构会发生共振响应产生较大输出电压。这样可以避免因较大流速或风速导致结构发生大的变形，从而引起梁或压电结构的破坏。因此，涡激振动能量采集具有广阔的应用前景。

发明内容

基于上述现有技术，本实用新型提供了一种力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器，该采集器结构简单，其是在引入非线性磁铁力(单稳态或双稳态特征)的作用下，进而提高涡激振动强度，增大锁频区域(共振流速范围)，以期增强能量采集器的环境适应能力，提高能量采集效率。

实现本实用新型上述目的所采样的技术方案为：

一种力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器，包括上顶板、下底板、支撑柱、悬臂梁、双压电晶片、圆柱体、上磁力机构和下磁力机构，上顶板平行于下底板，支撑柱的两端分别固定于上顶板和下底板上，支撑柱垂直于上顶板和下底板，悬臂梁的一端通过夹紧机构安装于支撑柱的中部上，另一端固定在圆柱体侧壁的中部上，圆柱体悬空且位于上顶板和下底板之间，圆柱体平行于支撑柱，悬臂梁垂直于支撑柱，双压电晶片对称固定于悬臂梁的侧壁上，上磁力机构包括上永磁铁、上斥力磁铁和两块上吸引力磁铁，下磁力机构包括下永磁铁、下斥力磁铁和两块下吸引力磁铁，上永磁铁和下永磁铁分别固定于圆柱体上下两端面的中央，上斥力磁铁和两块上吸引力磁铁均固定于上顶板上，且两块上吸引力磁铁对称分布于上斥力磁铁的两侧，下斥力磁铁和两块下吸引力磁铁均固定于下底板上，且两块下吸引力磁铁对称分布于下斥力磁铁的两侧，上斥力磁铁位于上永磁铁的正上方，下斥力磁铁位于下永磁铁的正下方。

所述的夹紧机构包括两块夹板和多个螺栓，两夹板位于同一侧的端部固定于支撑柱上，悬臂梁的一端位于两夹板之间并贴紧两夹板，且悬臂梁通过多个螺栓固定在两夹板上。

还包括整流电路和超级电容，超级电容通过整流电路与双压电晶片连接，所述的整流电路由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8和电阻R2，在振动的正半周，二极管D2和二极管D4导通，二极管D5和二极管D7导通，并联后连接电阻R1和超级电容C1；在振动的负半周，二极管D1和二极管D3导通，二极管D6和二极管D8导通，并联后连接电阻R2和超级电容C1。

上斥力磁铁和上永磁铁的间距以及下斥力磁铁和下永磁铁的间距均为0.5-2cm，其中一块上吸引力磁铁与上斥力磁铁的间距为2-5cm，其中一块下吸引力磁铁与下斥力磁铁的间距为2-5cm。

所述的上斥力磁铁、上永磁铁、上吸引力磁铁、下斥力磁铁、下永磁铁和下吸引力磁铁均呈纽扣状。

所述圆柱体的材质为挤塑板，双压电晶片的材质为压电纤维复合材料。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果和优点在于：

1、该采集器利用压电效应在振动条件下俘能，在风载和磁力的耦合作用下，有效的增加了压电在单独风载作用下较小的锁定范围，更有利于在较小风速或者较大风速下俘获风能，增加了采集器的环境适应能力。

2、该采集器是一种风-磁耦合作用供能的压电式俘能器，由于磁斥力或磁吸引力的引入使得圆柱体涡激振动发生变化，从而使悬臂梁的振幅和振动频率都发生了变化，进而使得能量采集器俘获的电压和功率均有所提高，增强了能量采集器的俘能效果。