[发明专利]一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器

说明书

本发明涉及一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，包括外部支架、通过弹性元件柔性连接地设置于外部支架上的动力传输部件以及固定于外部支架内的可调夹持部件和压电采集部件。与现有技术相比，本发明通过压电采集部件的非线性两自由度的悬臂梁结构，可以使悬臂梁的谐振频率与外界激励源相匹配，同时动力传输部件可以将外界激励源的低频转换成压电采集部件的高频振动，通过可调夹持部件可以调整压电采集部件的放置位置，使压电采集部件能够自适应匹配外界激励源的振动频率。

技术领域

本发明属于新能源和发电技术领域，涉及微能源采集技术，尤其是涉及一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器。

背景技术

随着无线技术和微机电系统(Microelectro-mechanical System,MEMS)技术的快速发展，微电子设备应用于各种领域，其应用环境日渐复杂。面对这样的情况，如何给微电子设备供电成为亟待解决的问题。传统电池供电由于寿命短、存储能量有限以及报废后对环境的污染等一系列问题，使其对微电子系统供电的应用存在诸多的限制。

振动能量是环境当中一种普遍存在的能量形式，来源广泛，包括各种工业机械振动，以及自然存在的振动，例如大自然中的风力致振动。振动能量的收集主要是通过环境当中的机械振动转化成电能并通过能量收集电路将其存储。根据采集的原理不同可大致分为以下三种方式：静电式、电磁式、压电式和磁致伸缩式。鉴于压电式能量收集技术具有非常高的机电转换效率、无需要驱动电源和输出电压、能量密度较高的优点；同时，压电能量采集器结构紧凑、环境适应性强易于MEMS技术集成，因此压电式能量采集技术备受青睐。

压电式能量采集技术的机理是基于压电材料的正压电效应把振动能量转化为电能。当受到某固定方向外力作用时，压电材料会产生形变，内部产生电极化现象，同时在两个表面上产生等量异号的束缚电荷，电荷的面密度与所受外力的大小成正比，当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，由此将机械振动能转化成电能。

目前，压电能量采集器往往只在其谐振频率处具有较大电压输出，偏离其谐振频率其输出电压会急剧下降，会存在能量转化效率低、工作频带窄等缺点。使得压电能量采集器的工作范围有限，实用性不强。

发明内容

本发明基于非线性技术原理，提供一种具有宽频带的非线性两自由度多谐振压电能量采集器。通过压电采集部件的非线性两自由度的悬臂梁结构，可以使悬臂梁的谐振频率与外界激励源相匹配，同时动力传输部件可以将外界激励源的低频转换成压电采集部件的高频振动，通过可调夹持部件可以调整压电采集部件的放置位置，使压电采集部件能够自适应匹配外界激励源的振动频率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非线性两自由度多谐振压电能量采集器，包括外部支架、通过弹性元件柔性连接地设置于外部支架上的动力传输部件以及固定于外部支架内的可调夹持部件和压电采集部件；

所述的压电采集部件包括两自由度悬臂梁机构、受力板、两个移动板和两个受力弹簧；所述的两自由度悬臂梁机构具有被可调夹持部件所夹持的固定板、从固定板一侧伸出的两个并列布置的悬臂梁、贴附于各悬臂梁上的压电片以及设置于各悬臂梁末端的悬臂梁永磁体；两个移动板可滑动地穿设于固定板上，并分别位于并列布置的悬臂梁的上下两侧，两个移动板的第一端位于固定板的悬臂梁一侧，并设有移动板永磁体，两个移动板的第二端与受力板固定连接，且两个受力弹簧分别套设于受力板与固定板之间的移动板上；

所述的动力传输部件用于在转动过程中施力于受力板，使受力板沿受力弹簧轴线方向运动。

优选地，移动板位于固定板的悬臂梁一侧的部分以及悬臂梁均为长条形板状，并在自然状态下水平布置。

优选地，两个移动板上的移动板永磁体均与并列布置的悬臂梁上的悬臂梁永磁体相互吸引，且两个移动板上的移动板永磁体相互吸引。

优选地，所述的移动板穿设于固定板的部分呈圆柱形。