[发明专利]一种基于机械诱导的宽频俘能器

说明书

技术领域

本发明属于压电振动能量收集领域，具体涉及一种基于机械诱导的宽频俘能器。

背景技术

随着信息时代的到来，MEMS、无线传感网络和植入式精密微器件等低功耗产品得到了大力发展，目前它们的供能方式主要是电池，但是电池供电存在诸多弊端，如电池寿命有限，需要及时更换，有时会受到使用环境的限制而造成电池更换困难。为了克服电池供电带来的问题，一些研究提出能量收集技术，通过收集环境中耗散的能量为低耗能电子产品供电。环境中存在丰富的低频振动能量，振动能量收集技术对适用环境要求低，能量密度高，能提供稳定的电能供给。由于压电俘能技术能量转化效率高，无需外界电源，不发热、无电磁干扰、无污染和易于实现结构的小型化、集成化等优点，被广泛应用于环境振动能量的收集。而传统俘能结构存在工作频带较窄、能量收集效率低等问题，难以发挥压电材料的压电特性，发电效率较低难以满足电子产品的供能需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对传统俘能结构存在的工作频带较窄、能量收集效率低等问题，提供了一种基于机械诱导的宽频俘能器。本发明采用的技术手段如下：

一种基于机械诱导的宽频俘能器，包括；基座，所述基座为框状结构；

位于所述基座内的俘能机构和机械诱导机构；

所述俘能机构包括一端与所述基座内侧壁固定连接、另一端自由的悬臂梁，所述悬臂梁的靠近其固定端的一侧的上表面粘贴有压电晶片，所述压电晶片上表面与一正电极引线导通固连，所述悬臂梁的靠近其固定端的一侧的下表面与一负电极引线导通固连；

所述机械诱导机构包括对称设置在所述悬臂梁的自由端的两侧且轴线均垂直于所述悬臂梁的长度方向的上弹簧-阻尼机构和下弹簧-阻尼机构，所述上弹簧-阻尼机构位于所述悬臂梁的自由端上表面的正上方，所述下弹簧-阻尼机构位于所述悬臂梁的自由端下表面的正下方，所述上弹簧-阻尼机构和所述下弹簧-阻尼机构远离所述悬臂梁的一端均与所述基座内侧壁固定连接。

所述基座为长方形框状结构，且垂直于地面放置；

所述悬臂梁的固定端与所述基座左内侧壁或右内侧壁固定连接；

所述上弹簧-阻尼机构的固定端与所述基座上内侧壁固定连接；

所述下弹簧-阻尼机构的固定端与所述基座下内侧壁固定连接；

所述悬臂梁为长方体板状结构，其上表面和下表面为其最大面且与地面平行。

所述上弹簧-阻尼机构和所述下弹簧-阻尼机构均包括弹簧、质量块和一端与所述基座内侧壁固定连接的阻尼器；

所述弹簧嵌套在所述阻尼器外表面，且所述弹簧的两端分别与所述阻尼器的两端固定，所述质量块固定于所述阻尼器的自由端的正中央。

所述质量块为空心正方体结构，所述质量块靠近所述悬臂梁的面与所述悬臂梁上表面平行，所述质量块的边长大于等于所述悬臂梁的宽度，所述质量块的中心正对所述悬臂梁的自由端的中心；所述质量块的材质为轻质金属材料。

所述压电晶片的截面为矩形，且与所述悬臂梁的宽度相等，且所述压电晶片的长度小于所述悬臂梁的长度；所述压电晶片的材质为压电陶瓷、压电纤维复合材料或压电薄膜，所述悬臂梁的材质为金属材料。

当所述基座受到外界振动激励时，所述基座的振动将带动所述悬臂梁振动，粘贴在所述悬臂梁上表面的所述压电晶片随之产生应变。所述压电晶片产生的应变使得所述压电晶片的上、下表面产生正、负电荷，电荷将通过正电极引线和负电极引线引出。

所述基座振动带动所述悬臂梁振动，此时所述悬臂梁的自由端碰撞所述质量块，从而带动所述上弹簧-阻尼机构向上运动、所述下弹簧-阻尼机构向下运动，所述悬臂梁的自由端与所述机械诱导机构的机械碰撞，增加了所述悬臂梁的振动幅值，由于所述悬臂梁与所述机械诱导机构的持续碰撞，使所述悬臂梁的振动幅值持续增加，当所述上弹簧-阻尼机构和所述下弹簧-阻尼机构运动一定距离达到稳态时，所述悬臂梁进入恒定振幅的振动过程。

当外界因素导致所述悬臂梁的振动幅值改变时，所述上弹簧-阻尼机构和所述下弹簧-阻尼机构能自动协调达到新的稳定位置，所述悬臂梁在所述机械诱导机构的作用下仍可持续碰撞所述质量块，从而稳定振幅。

与现有技术相比，本发明在相同激励下可显著增大悬臂梁的振幅，增大悬臂梁的俘能带宽，从而输出更多能量；当环境激励频率大于悬臂梁固有频率时，本发明所具有的机械诱导机构能大大提升悬臂梁振动的幅值，从而使压电晶片具有更宽的频率响应范围和更高的输出功率；本发明结构简单，实用性强，可广泛应用于各类电子产品，通过收集环境中的振动能量，实现低功耗器件的自供能。