本發(fā)明涉及新能源與微電子器件供能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種力-電-流體耦合作用的非線性渦激振動(dòng)能量采集器。

背景技術(shù)：

隨著微制造技術(shù)和現(xiàn)代集成電路的迅速發(fā)展，大量的電子產(chǎn)品，如健康監(jiān)測(cè)儀、無(wú)線傳感器心率起搏器等，顯示出高精度、小型化和低功耗等特點(diǎn)。例如，用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感器在正常工作時(shí)所需的平均功率不到48μW。目前，這些電子產(chǎn)品通常采用有線輸電或借助電池以實(shí)現(xiàn)能量供給。然而，有線輸電會(huì)造成鋪線困擾，特別是對(duì)于遠(yuǎn)距離、環(huán)境較惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)；而電池供電具有壽命短、環(huán)保性差、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，這無(wú)疑給工程界帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。鑒于此，一些新型的“能量采集”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。迄今，一種可能的途徑是將自然環(huán)境中廢棄的能量轉(zhuǎn)化為可利用的電能，以期減少或取代對(duì)電池或有線輸電方式的長(zhǎng)期依賴。

目前，主要有三種方式將環(huán)境中的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能：電磁、靜電和壓電換能機(jī)制。與其它發(fā)電原理相比，壓電換能的最大優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作成各種所需尺寸和形狀，便于與微機(jī)電系統(tǒng)集成或置于系統(tǒng)內(nèi)部，并且壓電俘能產(chǎn)生的電壓比較大。

流致振動(dòng)現(xiàn)象包括渦激振動(dòng)、馳振、顫振等。其中，馳振和顫振是隨著流速或風(fēng)速的增大逐漸增大。而渦激振動(dòng)是一種自激和自限的振動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)流速在某一范圍內(nèi)時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生共振響應(yīng)產(chǎn)生較大輸出電壓。這樣可以避免因較大流速或風(fēng)速導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生大的變形，從而引起梁或壓電結(jié)構(gòu)的破壞。因此，渦激振動(dòng)能量采集具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了一種力-電-流體耦合作用的非線性渦激振動(dòng)能量采集器，該采集器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其是在引入非線性磁鐵力(單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)特征)的作用下，進(jìn)而提高渦激振動(dòng)強(qiáng)度，增大鎖頻區(qū)域(共振流速范圍)，以期增強(qiáng)能量采集器的環(huán)境適應(yīng)能力，提高能量采集效率。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采樣的技術(shù)方案為：

一種力-電-流體耦合作用的非線性渦激振動(dòng)能量采集器，包括上頂板、下底板、支撐柱、懸臂梁、雙壓電晶片、圓柱體、上磁力機(jī)構(gòu)和下磁力機(jī)構(gòu)，上頂板平行于下底板，支撐柱的兩端分別固定于上頂板和下底板上，支撐柱垂直于上頂板和下底板，懸臂梁的一端通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)安裝于支撐柱的中部上，另一端固定在圓柱體側(cè)壁的中部上，圓柱體懸空且位于上頂板和下底板之間，圓柱體平行于支撐柱，懸臂梁垂直于支撐柱，雙壓電晶片對(duì)稱固定于懸臂梁的側(cè)壁上，上磁力機(jī)構(gòu)包括上永磁鐵、上斥力磁鐵和兩塊上吸引力磁鐵，下磁力機(jī)構(gòu)包括下永磁鐵、下斥力磁鐵和兩塊下吸引力磁鐵，上永磁鐵和下永磁鐵分別固定于圓柱體上下兩端面的中央，上斥力磁鐵和兩塊上吸引力磁鐵均固定于上頂板上，且兩塊上吸引力磁鐵對(duì)稱分布于上斥力磁鐵的兩側(cè)，下斥力磁鐵和兩塊下吸引力磁鐵均固定于下底板上，且兩塊下吸引力磁鐵對(duì)稱分布于下斥力磁鐵的兩側(cè)，上斥力磁鐵位于上永磁鐵的正上方，下斥力磁鐵位于下永磁鐵的正下方。

所述的夾緊機(jī)構(gòu)包括兩塊夾板和多個(gè)螺栓，兩夾板位于同一側(cè)的端部固定于支撐柱上，懸臂梁的一端位于兩夾板之間并貼緊兩夾板，且懸臂梁通過(guò)多個(gè)螺栓固定在兩夾板上。

還包括整流電路和超級(jí)電容，超級(jí)電容通過(guò)整流電路與雙壓電晶片連接，所述的整流電路由二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、電阻R1、二極管D5、二極管D6、二極管D7、二極管D8和電阻R2，在振動(dòng)的正半周，二極管D2和二極管D4導(dǎo)通，二極管D5和二極管D7導(dǎo)通，并聯(lián)后連接電阻R1和超級(jí)電容C1；在振動(dòng)的負(fù)半周，二極管D1和二極管D3導(dǎo)通，二極管D6和二極管D8導(dǎo)通，并聯(lián)后連接電阻R2和超級(jí)電容C1。

上斥力磁鐵和上永磁鐵的間距以及下斥力磁鐵和下永磁鐵的間距均為0.5-2cm，其中一塊上吸引力磁鐵與上斥力磁鐵的間距為2-5cm，其中一塊下吸引力磁鐵與下斥力磁鐵的間距為2-5cm。

所述的上斥力磁鐵、上永磁鐵、上吸引力磁鐵、下斥力磁鐵、下永磁鐵和下吸引力磁鐵均呈紐扣狀。

所述圓柱體的材質(zhì)為擠塑板，雙壓電晶片的材質(zhì)為壓電纖維復(fù)合材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果和優(yōu)點(diǎn)在于：

1、該采集器利用壓電效應(yīng)在振動(dòng)條件下俘能，在風(fēng)載和磁力的耦合作用下，有效的增加了壓電在單獨(dú)風(fēng)載作用下較小的鎖定范圍，更有利于在較小風(fēng)速或者較大風(fēng)速下俘獲風(fēng)能，增加了采集器的環(huán)境適應(yīng)能力。

2、該采集器是一種風(fēng)-磁耦合作用供能的壓電式俘能器，由于磁斥力或磁吸引力的引入使得圓柱體渦激振動(dòng)發(fā)生變化，從而使懸臂梁的振幅和振動(dòng)頻率都發(fā)生了變化，進(jìn)而使得能量采集器俘獲的電壓和功率均有所提高，增強(qiáng)了能量采集器的俘能效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的力-電-流體耦合作用的非線性渦激振動(dòng)能量采集器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中I的局部示意圖。

圖3為本發(fā)明的力-電-流體耦合作用的非線性渦激振動(dòng)能量采集器工作流程示意圖。

圖4為整流電路連接的電路圖。

圖5為本發(fā)明的能量采集器產(chǎn)生的功率隨風(fēng)速變化而變化的規(guī)律圖。

圖6為試驗(yàn)一中測(cè)量能量采集器俘獲能量的連接電路圖。

其中，1-上頂板、2-下底板、3-支撐柱、4-懸臂梁、5-雙壓電晶片、6-圓柱體、7-上永磁鐵、8-上斥力磁鐵、9-上吸引力磁鐵、10-下永磁鐵、11-下斥力磁鐵、12-下吸引力磁鐵、13-夾板、14-螺栓。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提供的力-電-流體耦合作用的非線性渦激振動(dòng)能量采集器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該采集器包括上頂板1、下底板2、支撐柱3、懸臂梁4、雙壓電晶片5、圓柱體6、上磁力機(jī)構(gòu)、下磁力機(jī)構(gòu)、整流電路和超級(jí)電容。圓柱體的材質(zhì)為擠塑板。雙壓電晶片的材質(zhì)為壓電纖維復(fù)合材料，相比普通壓電陶瓷，其優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)電效率更高。

上頂板1平行于下底板2，支撐柱3的兩端分別固定于上頂板1和下底板2上的同一側(cè)上，支撐柱3垂直于上頂板1和下底板2。懸臂梁4的一端通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)安裝于支撐柱3的中部上，懸臂梁是彈性的，而且很薄，比較容易振動(dòng)。如圖2所示，夾緊機(jī)構(gòu)包括兩塊夾板13和兩個(gè)螺栓14，兩夾板13位于同一側(cè)的端部焊接于支撐柱3上，懸臂梁4的一端位于兩夾板13之間并貼緊兩夾板，且懸臂梁4通過(guò)兩個(gè)螺栓14固定在兩夾板上。懸臂梁4的另一端插入圓柱體6側(cè)壁的中部中并通過(guò)膠水固定。圓柱體6懸空且位于上頂板1和下底板2之間，圓柱體6平行于支撐柱3，懸臂梁4垂直于支撐柱3。雙壓電晶片5通過(guò)粘貼的方式對(duì)稱固定于懸臂梁4的側(cè)壁上。

上磁力機(jī)構(gòu)包括上永磁鐵7、上斥力磁鐵8和兩塊上吸引力磁鐵9，下磁力機(jī)構(gòu)包括下永磁鐵10、下斥力磁鐵11和兩塊下吸引力磁鐵12，上斥力磁鐵7、上永磁鐵8、上吸引力磁鐵9、下斥力磁鐵10、下永磁鐵11和下吸引力磁鐵12均呈紐扣狀。上永磁鐵7和下永磁鐵10通過(guò)粘貼的方式分別固定于圓柱體6上下兩端面的中央。上斥力磁鐵8和兩塊上吸引力磁鐵9均通過(guò)粘貼的方式固定于上頂板1上，且兩塊上吸引力磁鐵9對(duì)稱分布于上斥力磁鐵8的兩側(cè)，其中一塊上吸引力磁鐵與上斥力磁鐵的間距為3cm。下斥力磁鐵10和兩塊下吸引力磁鐵11均通過(guò)粘貼的方式固定于下底板2上，且兩塊下吸引力磁鐵12對(duì)稱分布于下斥力磁鐵11的兩側(cè)，其中一塊下吸引力磁鐵與下斥力磁鐵的間距為3cm。上斥力磁鐵8位于上永磁鐵7的正上方，上斥力磁鐵和上永磁鐵的間距為1cm。下斥力磁鐵11位于下永磁鐵10的正下方，下斥力磁鐵和下永磁鐵的間距為1cm。上斥力磁鐵8、上永磁鐵7、下斥力磁鐵11和下永磁鐵10、圓柱體6的軸線在同一條線上。

超級(jí)電容通過(guò)整流電路與雙壓電晶片連接，整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。如圖4所示，整流電路由二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、電阻R1、二極管D5、二極管D6、二極管D7、二極管D8和電阻R2，在振動(dòng)的正半周，二極管D2和二極管D4導(dǎo)通，二極管D5和二極管D7導(dǎo)通，并聯(lián)后連接電阻R1和超級(jí)電容C1；在振動(dòng)的負(fù)半周，二極管D1和二極管D3導(dǎo)通，二極管D6和二極管D8導(dǎo)通，并聯(lián)后連接電阻R2和超級(jí)電容C1。

該采集器的工作原理如下：

如圖3所示，當(dāng)橫向流(風(fēng))經(jīng)過(guò)圓柱體且流速在某一范圍時(shí)，圓柱體產(chǎn)生漩渦脫落發(fā)生渦激振動(dòng)，從而帶動(dòng)懸臂梁和雙壓電晶片發(fā)生往復(fù)振動(dòng)，產(chǎn)生應(yīng)變；在振動(dòng)過(guò)程中，雙穩(wěn)態(tài)磁鐵力可由永磁鐵和斥力磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)(無(wú)需吸引力磁鐵)；單穩(wěn)態(tài)磁鐵力可由永磁鐵和吸引力磁鐵實(shí)現(xiàn)(無(wú)需斥力磁鐵)；這種非線性單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)磁鐵力的引入，有望增大圓柱體的渦激振動(dòng)幅值和共振流速范圍，從而提供能量采集性能和效率；雙壓電晶片會(huì)隨懸臂梁振動(dòng)發(fā)生應(yīng)變，產(chǎn)生交變電壓，通過(guò)與外部整流電路相接可以輸出可利用的直流電壓，再通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)存電能，進(jìn)而為傳感器或微機(jī)電設(shè)備供能。

實(shí)驗(yàn)一、本發(fā)明的力-電-流體耦合作用的非線性渦激振動(dòng)能量采集器的能量俘獲實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：

將上述實(shí)施例的能量采集器于風(fēng)洞之中，電阻R為400千歐(為方便實(shí)驗(yàn)，只外接電阻R)，電路中安裝電壓表，測(cè)量電壓，如圖6所示，調(diào)節(jié)風(fēng)速大小，得到不同風(fēng)速下的電壓均方根，進(jìn)而得到不同風(fēng)速下的平均功率值。

將上述實(shí)施例的能量采集器中的各種磁鐵去掉，作為無(wú)磁力的對(duì)照組裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出，相比較沒(méi)有磁力作用下，本發(fā)明的能量采集器(磁力和風(fēng)力耦合)能提高能量采集效率和對(duì)提高鎖定區(qū)間有比較明顯的作用。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所做的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，如改變質(zhì)量塊磁鐵形狀，改變磁鐵間距，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。