一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)及采集方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)及采集方法，通過(guò)低頻諧振結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)境振動(dòng)頻率，并通過(guò)低頻諧振結(jié)構(gòu)振動(dòng)后與高頻諧振結(jié)構(gòu)的接觸碰撞使得高頻諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自激振動(dòng)，以達(dá)到升頻的目的。通過(guò)高頻諧振結(jié)構(gòu)的高頻率振動(dòng)，使得高頻振動(dòng)梁上的壓電材料層產(chǎn)生周期性拉伸與壓縮，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的高效轉(zhuǎn)化，兼顧高密度輸出和低工作頻率。低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁具有較低的結(jié)構(gòu)剛度與較大的諧振質(zhì)量，可將共振頻率降低到50Hz以下，對(duì)環(huán)境振動(dòng)頻率的感應(yīng)靈敏，適用范圍較廣。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)及采集方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微能源采集【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)及采集 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 振動(dòng)能以不同的形式、強(qiáng)度和頻率廣泛存在于橋梁、樓宇、船舶、車(chē)輛、機(jī)械設(shè)備、 家用電器等各種生產(chǎn)和生活設(shè)備中。因此對(duì)振動(dòng)能進(jìn)行采集為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng) 等低功耗設(shè)備供電有著廣泛的應(yīng)用前景。例如，Perpetuum公司生產(chǎn)的振動(dòng)能量采集器成 功應(yīng)用在火車(chē)車(chē)輪的軸承監(jiān)測(cè)上；Ferro Solutions公司的振動(dòng)能量采集器被應(yīng)用于美國(guó) 海軍的輪船和潛艇的健康監(jiān)測(cè)中。
[0003] 為了實(shí)現(xiàn)高效能量采集，振動(dòng)型能量采集器的設(shè)計(jì)需要其固有頻率與環(huán)境振動(dòng)源 頻率相匹配，同時(shí)要求有較寬的工作頻帶以適應(yīng)振動(dòng)源頻率的隨機(jī)變化。研究表明多數(shù)振 動(dòng)源的頻率在200HZ以下，甚至低于50Hz。目前的微小型振動(dòng)能量采集器往往無(wú)法同時(shí)兼 顧高密度輸出和低工作頻率。具有較高能量輸出的能量采集器件往往工作頻率也較高，而 在具備較低工作頻率時(shí)又難以實(shí)現(xiàn)能量高密度輸出。研究在低頻率振動(dòng)下的高效能量采集 是當(dāng)前微小型振動(dòng)能量采集技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題。
[0004] 目前的微小型振動(dòng)能量采集器在低頻振動(dòng)環(huán)境下電量輸出很低，無(wú)法滿足低功耗 設(shè)備器件的供電需求。為實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)的高密度輸出，因此需要對(duì)原有的低頻振動(dòng)進(jìn)行升 頻處理，現(xiàn)有的升頻式能量采集器需要在低頻和高頻諧振結(jié)構(gòu)中組裝磁鐵，通過(guò)磁鐵吸引 力或排斥力實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)向高頻振動(dòng)的轉(zhuǎn)換，但該結(jié)構(gòu)中磁鐵所占面積較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù) 雜，這對(duì)于能量采集器的微型化和系統(tǒng)化集成提出巨大挑戰(zhàn)。
[0005] 因此，鑒于以上問(wèn)題，有必要提出一種新型的升頻式能量采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻振 動(dòng)的靈敏感應(yīng)及高效轉(zhuǎn)化，同時(shí)簡(jiǎn)化采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的微型化與集成化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)及采集方法，通過(guò)低頻諧 振結(jié)構(gòu)與高頻諧振結(jié)構(gòu)的接觸碰撞，使得高頻諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自激振動(dòng)達(dá)到升頻的目的，且 通過(guò)壓電材料層的拉伸與壓縮，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的高效轉(zhuǎn)化。該采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有 利于實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的微型化與集成化。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的目的提出了一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，包括高頻諧振結(jié)構(gòu)與低 頻諧振結(jié)構(gòu)，所述高頻諧振結(jié)構(gòu)與所述低頻諧振結(jié)構(gòu)依次間隔固定設(shè)置，所述高、低頻諧振 結(jié)構(gòu)分別包括固定部件、質(zhì)量塊、以及連接固定部件與質(zhì)量塊的振動(dòng)梁，高頻振動(dòng)梁表面依 次設(shè)置有底部電極層、壓電材料層與頂部電極層，所述高頻諧振結(jié)構(gòu)與所述低頻諧振結(jié)構(gòu) 間的間距小于給定振動(dòng)激勵(lì)下低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值。
[0008] 優(yōu)選的，所述高頻諧振結(jié)構(gòu)與所述低頻諧振結(jié)構(gòu)平行設(shè)置。
[0009] 優(yōu)選的，所述高頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁為硅基懸臂梁。
[0010] 優(yōu)選的，所述低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁為硅基或聚合物懸臂梁。
[0011] 優(yōu)選的，所述低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁為直梁、單s型或多S型懸臂梁。
[0012] 優(yōu)選的，所述高頻諧振結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述低頻諧振結(jié)構(gòu)一側(cè)，或?qū)ΨQ(chēng)設(shè)置于所述低 頻諧振結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。
[0013] 優(yōu)選的，所述壓電材料層為壓電薄膜或壓電厚膜。
[0014] 一種基于升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)的采集方法，具體步驟如下：
[0015] S1 :高頻諧振結(jié)構(gòu)與低頻諧振結(jié)構(gòu)上下固定設(shè)置，高頻諧振結(jié)構(gòu)可設(shè)置于低頻諧 振結(jié)構(gòu)上、下兩側(cè)或一側(cè)，高頻諧振結(jié)構(gòu)與低頻諧振結(jié)構(gòu)間的間距小于給定振動(dòng)激勵(lì)下低 頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值；
[0016] S2 :初始接觸，在外界振動(dòng)激勵(lì)下，低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁發(fā)生擺動(dòng)，自水平位置 向上側(cè)或下側(cè)擺動(dòng)，與高頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁產(chǎn)生接觸；
[0017] S3 :協(xié)同運(yùn)動(dòng)，低頻與高頻的振動(dòng)梁接觸耦合并一起運(yùn)動(dòng)至一側(cè)最高位置處；
[0018] S4 :非完全彈性釋放，之后低頻與高頻的振動(dòng)梁一起反向運(yùn)動(dòng)，高頻的振動(dòng)梁開(kāi)始 發(fā)生非完全彈性釋放，產(chǎn)生自激振動(dòng)，低頻的振動(dòng)梁繼續(xù)運(yùn)動(dòng)與另一高頻振動(dòng)梁接觸，通過(guò) 接觸實(shí)現(xiàn)另一高頻振動(dòng)梁的自激振動(dòng)；
[0019] S5:高頻振動(dòng)梁的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓電材料層的周期性拉伸與壓縮，基于 壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)化輸出。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開(kāi)的升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)及采集方法的優(yōu)點(diǎn)是： 通過(guò)低頻諧振結(jié)構(gòu)感應(yīng)環(huán)境振動(dòng)頻率，并通過(guò)低頻諧振結(jié)構(gòu)振動(dòng)后與高頻諧振結(jié)構(gòu)的接觸 碰撞使得高頻諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自激振動(dòng)，以達(dá)到升頻的目的。
[0021] 通過(guò)高頻諧振結(jié)構(gòu)的高頻率振動(dòng)，使得高頻振動(dòng)梁上的壓電材料層產(chǎn)生周期性拉 伸與壓縮，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的高效轉(zhuǎn)化，兼顧高密度輸出和低工作頻率。
[0022] 低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁具有較低的結(jié)構(gòu)剛度與較大的諧振質(zhì)量，可將共振頻率降 低到50Hz以下，對(duì)環(huán)境振動(dòng)頻率的感應(yīng)靈敏，適用范圍較廣。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024] 圖1為高頻諧振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2為高頻諧振結(jié)構(gòu)的截面圖。
[0026] 圖3為本發(fā)明公開(kāi)的低頻諧振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖4為振動(dòng)能量米集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0028] 圖5為初始碰撞狀態(tài)圖。
[0029] 圖6為協(xié)同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖。
[0030] 圖7為非完全彈性釋放狀態(tài)圖。
[0031] 圖8為高頻諧振結(jié)構(gòu)的電壓輸出波形圖。
[0032] 圖中的數(shù)字或字母所代表的相應(yīng)部件的名稱(chēng)：
[0033] 1、高頻諧振結(jié)構(gòu)2、低頻諧振機(jī)構(gòu)3、固定部件4、振動(dòng)梁5、質(zhì)量塊11、底部電 極層12、壓電材料層13、頂部電極層

【具體實(shí)施方式】
[0034]目前的微小型振動(dòng)能量采集器在低頻振動(dòng)環(huán)境下電量輸出很低，無(wú)法滿足低功耗 設(shè)備器件的供電需求。為實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)的高密度輸出，因此需要對(duì)原有的低頻振動(dòng)進(jìn)行升 頻處理，現(xiàn)有的升頻式能量采集器需要在低頻和高頻諧振結(jié)構(gòu)中組裝磁鐵，通過(guò)磁鐵吸引 力或排斥力實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)向高頻振動(dòng)的轉(zhuǎn)換，但該結(jié)構(gòu)中磁鐵所占面積較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù) 雜，這對(duì)于能量采集器的微型化和系統(tǒng)化集成提出巨大挑戰(zhàn)。
[0035] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)及采集方 法，通過(guò)低頻諧振結(jié)構(gòu)與高頻諧振結(jié)構(gòu)的接觸碰撞，使得高頻諧振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自激振動(dòng)以達(dá) 到升頻的目的，且通過(guò)壓電材料層的拉伸與壓縮，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的高效轉(zhuǎn)化，該采集系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)的微型化與集成化。
[0036] 下面將通過(guò)【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描 述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明 保護(hù)的范圍。
[0037] 請(qǐng)一并參見(jiàn)圖1至圖7, 一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，包括高頻諧振結(jié)構(gòu)1與低 頻諧振結(jié)構(gòu)2,高頻諧振結(jié)構(gòu)1與低頻諧振結(jié)構(gòu)2依次間隔固定設(shè)置，高頻諧振結(jié)構(gòu)平行且 對(duì)稱(chēng)的設(shè)置于低頻諧振結(jié)構(gòu)的上下側(cè)，且高頻諧振結(jié)構(gòu)與低頻諧振結(jié)構(gòu)間的間距小于給定 振動(dòng)激勵(lì)下低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值。低頻諧振結(jié)構(gòu)可感應(yīng)外部環(huán)境的振動(dòng)頻率,并隨其 產(chǎn)生共振，通過(guò)低頻諧振結(jié)構(gòu)與高頻諧振結(jié)構(gòu)間接觸將振動(dòng)傳遞給高頻諧振結(jié)構(gòu)，高頻諧 振結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自激振動(dòng)，達(dá)到升頻的目的。其中高頻諧振結(jié)構(gòu)可以設(shè)置于低頻諧振結(jié)構(gòu)的任 一側(cè)或?qū)ΨQ(chēng)設(shè)置于兩側(cè)，具體方式不做限制。
[0038] 高、低頻諧振結(jié)構(gòu)分別包括固定部件3,質(zhì)量塊5,以及連接固定部件與質(zhì)量塊的 振動(dòng)梁4,高頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁表面依次設(shè)置有底部電極層11、壓電材料層12與頂部電 極層13,通過(guò)在高頻振動(dòng)梁的表面鍍有壓電材料層，高頻振動(dòng)梁的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致 壓電材料層的周期性拉伸與壓縮，基于壓電效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化向電能有效轉(zhuǎn)化，兼顧 低工作頻率與高密度輸出的優(yōu)點(diǎn)。
[0039] 高頻諧振結(jié)構(gòu)1為硅基懸臂梁。其中，壓電材料層可為壓電薄膜或壓電厚膜。通 過(guò)壓電薄膜與振動(dòng)梁的配合實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的采集，有效的簡(jiǎn)化了采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有利于 采集系統(tǒng)的微型化與集成度。
[0040] 低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁為聚合物材料雙S型懸臂梁。該懸臂梁具有較低的結(jié)構(gòu)剛 度和較大的諧振質(zhì)量，便于響應(yīng)低頻環(huán)境的振動(dòng)，并隨外部環(huán)境的振動(dòng)發(fā)生共振，共振頻率 可降低至50HZ以下，對(duì)環(huán)境振動(dòng)頻率的感應(yīng)靈敏，適用范圍較廣。高頻諧振結(jié)構(gòu)與低頻諧 振機(jī)構(gòu)均可采用微加工手段制備。
[0041] 其中聚合物材料可為橡膠、樹(shù)脂或塑料等，如聚酰亞胺（Polymide)、聚二甲基硅氧 烷（PDMS)、聚偏二氟乙烯（PVDF)、聚對(duì)二甲苯（Parylene)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET) 等。低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁還可采用硅基材料制備。低頻振動(dòng)梁的結(jié)構(gòu)形狀及材料可根據(jù) 待采集振動(dòng)頻率值進(jìn)行選擇，一般可為直梁、單S型或多S型懸臂梁等，具體結(jié)構(gòu)不做限制。
[0042] 一種基于升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)的采集方法，具體步驟如下：
[0043] S1 :高頻諧振結(jié)構(gòu)與低頻諧振結(jié)構(gòu)上下固定設(shè)置，高頻諧振結(jié)構(gòu)可設(shè)置于低頻諧 振結(jié)構(gòu)上、下兩側(cè)或一側(cè)，高頻諧振結(jié)構(gòu)與低頻諧振結(jié)構(gòu)間的間距小于給定振動(dòng)激勵(lì)下低 頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值；
[0044] S2 :初始接觸，在外界振動(dòng)激勵(lì)下，低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁發(fā)生擺動(dòng)，自水平位置 向上側(cè)或下側(cè)擺動(dòng)，與高頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁產(chǎn)生接觸；
[0045] S3 :協(xié)同運(yùn)動(dòng)，低頻與高頻的振動(dòng)梁接觸耦合并一起運(yùn)動(dòng)至一側(cè)最高位置處；
[0046] S4 :非完全彈性釋放，之后低頻與高頻的振動(dòng)梁一起反向運(yùn)動(dòng)，高頻的振動(dòng)梁開(kāi)始 發(fā)生非完全彈性釋放，產(chǎn)生自激振動(dòng)，低頻的振動(dòng)梁繼續(xù)運(yùn)動(dòng)與另一高頻振動(dòng)梁接觸，通過(guò) 接觸實(shí)現(xiàn)另一高頻振動(dòng)梁的自激振動(dòng)；
[0047] S5:高頻振動(dòng)梁的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓電材料層的周期性拉伸與壓縮，基于 壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)化輸出。
[0048] 請(qǐng)參見(jiàn)圖5至圖7,升頻原理如下：
[0049] 系統(tǒng)中的低頻諧振結(jié)構(gòu)具有較低的結(jié)構(gòu)剛度和較大的諧振質(zhì)量。高頻諧振結(jié)構(gòu)在 低頻諧振結(jié)構(gòu)的上下兩端或一端，具有較高的結(jié)構(gòu)剛度和較小的諧振質(zhì)量。組裝要精確控 制高、低頻諧振結(jié)構(gòu)間隙小于給定振動(dòng)激勵(lì)下低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值。以一個(gè)低頻振動(dòng) 梁的半個(gè)諧振周期為例，低頻和高頻振動(dòng)梁的碰撞過(guò)程經(jīng)歷了初始接觸（圖5)、協(xié)同運(yùn)動(dòng) (圖6)和非完全彈性釋放（圖7)過(guò)程。在外界振動(dòng)激勵(lì)下，低頻振動(dòng)梁從位置1運(yùn)動(dòng)到位 置2時(shí)開(kāi)始接觸碰撞到上端的高頻振動(dòng)梁（圖5)。自此，低頻與高頻振動(dòng)梁接觸耦合并一 起從位置2運(yùn)動(dòng)到最高位置3 (圖6)，然后一起向下運(yùn)動(dòng)到位置4。此時(shí)，開(kāi)始發(fā)生非完全 彈性釋放，低頻振動(dòng)梁將繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)到位置1，而被釋放的高頻振動(dòng)梁則開(kāi)始在其共振頻 率下自激振動(dòng)（圖7)。當(dāng)?shù)皖l振動(dòng)梁繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到位置1時(shí)，開(kāi)始接觸碰撞到下端的高頻振 動(dòng)梁。同理，通過(guò)接觸碰撞實(shí)現(xiàn)下端高頻振動(dòng)梁的自激振動(dòng)。此方法基于碰撞作用下實(shí)現(xiàn) 了能量采集器在低頻環(huán)境振動(dòng)到高頻系統(tǒng)自激振動(dòng)的有效轉(zhuǎn)化。
[0050] 實(shí)施例
[0051] 在前期工作中對(duì)基于碰撞升頻機(jī)制的壓電能量采集系統(tǒng)做了實(shí)驗(yàn)工作，通過(guò) MEMS硅基工藝制備了低頻和高頻壓電微結(jié)構(gòu)梁。實(shí)驗(yàn)中的高、低頻諧振梁芯片尺寸均為 5. 2mm*4. 2mm*0. 4mm。低頻振動(dòng)梁采用雙S型設(shè)計(jì)可將共振頻率降低到20Hz。高頻振動(dòng)梁 共振頻率為127Hz，表面鍍有壓電薄膜層，可通過(guò)壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。圖8 為高低頻諧振結(jié)構(gòu)的電壓輸出波形圖的測(cè)試結(jié)果，由圖可見(jiàn)高頻諧振梁（127Hz)的電壓輸 出遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低頻諧振梁（20Hz)的電壓輸出，有效實(shí)現(xiàn)低頻率高輸出的目的。
[0052] 本發(fā)明公開(kāi)了一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)及采集方法，通過(guò)低頻諧振結(jié)構(gòu)感應(yīng) 環(huán)境振動(dòng)頻率，并通過(guò)低頻諧振結(jié)構(gòu)振動(dòng)后與高頻諧振結(jié)構(gòu)的接觸碰撞使得高頻諧振結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)自激振動(dòng)，以達(dá)到升頻的目的。
[0053] 通過(guò)高頻諧振結(jié)構(gòu)的高頻率振動(dòng)，使得高頻振動(dòng)梁上的壓電材料層產(chǎn)生周期性拉 伸與壓縮，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的高效轉(zhuǎn)化，兼顧高密度輸出和低工作頻率。
[0054] 低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁具有較低的結(jié)構(gòu)剛度與較大的諧振質(zhì)量，可將共振頻率降 低到50Hz以下，對(duì)環(huán)境振動(dòng)頻率的感應(yīng)靈敏，適用范圍較廣。
[0055] 對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一 致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，其特征在于，包括高頻諧振結(jié)構(gòu)與低頻諧振結(jié)構(gòu)，所 述高頻諧振結(jié)構(gòu)與所述低頻諧振結(jié)構(gòu)依次間隔固定設(shè)置，所述高、低頻諧振結(jié)構(gòu)分別包括 固定部件、質(zhì)量塊、以及連接固定部件與質(zhì)量塊的振動(dòng)梁，高頻振動(dòng)梁表面依次設(shè)置有底部 電極層、壓電材料層與頂部電極層，所述高頻諧振結(jié)構(gòu)與所述低頻諧振結(jié)構(gòu)間的間距小于 給定振動(dòng)激勵(lì)下低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值。
2. 如權(quán)利要求1所述的升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，其特征在于，所述高頻諧振結(jié)構(gòu)與 所述低頻諧振結(jié)構(gòu)平行設(shè)置。
3. 如權(quán)利要求1所述的升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，其特征在于，所述高頻諧振結(jié)構(gòu)的 振動(dòng)梁為硅基懸臂梁。
4. 如權(quán)利要求1所述的升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，其特征在于，所述低頻諧振結(jié)構(gòu)的 振動(dòng)梁為硅基或聚合物懸臂梁。
5. 如權(quán)利要求4所述的升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，其特征在于，所述低頻諧振結(jié)構(gòu)的 振動(dòng)梁為直梁、單S型或多S型懸臂梁。
6. 如權(quán)利要求1所述的升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，其特征在于，所述高頻諧振結(jié)構(gòu)設(shè) 置于所述低頻諧振結(jié)構(gòu)一側(cè)，或?qū)ΨQ(chēng)設(shè)置于所述低頻諧振結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。
7. 如權(quán)利要求1所述的升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)，其特征在于，所述壓電材料層為壓 電薄膜或壓電厚膜。
8. -種基于權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的升頻式振動(dòng)能量采集系統(tǒng)的采集方法，其特征 在于，具體步驟如下： 51 :高頻諧振結(jié)構(gòu)與低頻諧振結(jié)構(gòu)上下固定設(shè)置，高頻諧振結(jié)構(gòu)可設(shè)置于低頻諧振結(jié) 構(gòu)上、下兩側(cè)或一側(cè)，高頻諧振結(jié)構(gòu)與低頻諧振結(jié)構(gòu)間的間距小于給定振動(dòng)激勵(lì)下低頻諧 振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值； 52 :初始接觸，在外界振動(dòng)激勵(lì)下，低頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁發(fā)生擺動(dòng)，自水平位置向上 側(cè)或下側(cè)擺動(dòng)，與高頻諧振結(jié)構(gòu)的振動(dòng)梁產(chǎn)生接觸； 53 :協(xié)同運(yùn)動(dòng)，低頻與高頻的振動(dòng)梁接觸耦合并一起運(yùn)動(dòng)至一側(cè)最高位置處； S4:非完全彈性釋放，之后低頻與高頻的振動(dòng)梁一起反向運(yùn)動(dòng)，高頻的振動(dòng)梁開(kāi)始發(fā)生 非完全彈性釋放，產(chǎn)生自激振動(dòng)，低頻的振動(dòng)梁繼續(xù)運(yùn)動(dòng)與另一高頻振動(dòng)梁接觸，通過(guò)接觸 實(shí)現(xiàn)另一高頻振動(dòng)梁的自激振動(dòng)； S5:高頻振動(dòng)梁的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓電材料層的周期性拉伸與壓縮，基于壓電 效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)化輸出。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK104158440SQ201410452120
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】劉會(huì)聰, 陳濤, 婁亮, 孫立寧, 王蓬勃, 劉楠 申請(qǐng)人:蘇州大學(xué)