一種用于振動能量回收的壓電振蕩器結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能量回收裝置，尤其涉及一種基于壓電材料的能量回收結(jié)構(gòu)，屬于振動能量收集領(lǐng)域，適用于多方向、低頻、寬頻或沖擊振動能量收集。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]隨著傳感器、微處理器、無線通信等技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)亦獲得了迅猛發(fā)展。它能夠直接獲悉客觀世界的物理信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將它們與遠(yuǎn)程控制終端聯(lián)系在一起，為人們提供了最直接、最有效、最真實的客觀信息。然而，獨立供電技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，時至今日仍然嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步應(yīng)用。目前絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點仍使用電池供電技術(shù)，一旦節(jié)點數(shù)量巨大，或者布置在人員不方便接觸的場合，定期更換電池的后期維護費用將十分昂貴。另外，淘汰下來的廢舊電池也給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。
[0004]基于上述原因，回收環(huán)境中的能量并用于替代傳統(tǒng)的電池供電技術(shù)，正吸引著大批學(xué)者的注意。一般而言，無線傳感器節(jié)點的平均功耗極低，外界環(huán)境中存在多種類型的能量可以滿足節(jié)點的正常工作消耗，如太陽能、振動能、風(fēng)能等等。其中振動能量具有無處不在并時時刻刻存在的優(yōu)點，獲得了國內(nèi)外學(xué)者不少地關(guān)注。將振動能轉(zhuǎn)化成電能目前主要有電磁式、靜電式、壓電式等幾種轉(zhuǎn)換原理。本發(fā)明涉及的是壓電式振動能量收集，主要考慮的是壓電材料具有較高的能量密度，便于和振蕩結(jié)構(gòu)集成，利于微型化等優(yōu)點。
[0005]壓電式振動能量收集裝置主要包括帶壓電材料的機電耦合發(fā)電器(即壓電耦合結(jié)構(gòu))，電荷提取電路又稱接口電路，以及電能存儲、穩(wěn)壓電路。其中機電耦合發(fā)電器是整個裝置的關(guān)鍵部件，基本決定了裝置的最大能量轉(zhuǎn)換效率。粘貼有壓電元件的懸臂梁結(jié)構(gòu)是一典型的機電耦合發(fā)電器，當(dāng)外界激振頻率和該懸臂梁的共振頻率一致時，懸臂梁將產(chǎn)生極大的振幅，進(jìn)而使壓電元件產(chǎn)生較高的交流電壓。然而在實際應(yīng)用中，外界激振頻率經(jīng)常是隨機變化的，一旦激振頻率偏離懸臂梁結(jié)構(gòu)的共振頻率，耦合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電能將急劇降低。因此，很多學(xué)者在懸臂梁發(fā)電器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了許多改進(jìn)型的裝置。例如清華大學(xué)的吳曉明(Wu Xiaoming音譯)等人提出了一種懸臂梁共振頻率可調(diào)節(jié)的能量回收結(jié)構(gòu):懸臂梁末端質(zhì)量塊上固定有一軸向可調(diào)的粗螺栓，通過調(diào)節(jié)螺栓在梁軸向的位置，改變質(zhì)量塊的重心位置，進(jìn)而改變了懸臂梁的等效梁長，最終改變了結(jié)構(gòu)的共振頻率，使之與激振頻率匹配。但這種方法需要手動調(diào)節(jié)，目前為止，實用性還不強。還比如上海交通大學(xué)的劉金全(Liu Jingquan音譯)等人將各種不同參數(shù)的壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)集成在一個基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上面，懸臂梁的共振頻率依次錯開，確保了整個發(fā)電器在一個較寬的頻帶范圍內(nèi)，均有較高的電壓輸出。但該結(jié)構(gòu)的能量密度顯然偏小，另外由于輸出電壓存在相位差，后續(xù)接口電路將十分復(fù)雜。非線性耦合發(fā)電器結(jié)構(gòu)的提出，從理論上解決了上述兩個方法存在的缺點。典型的非線性結(jié)構(gòu)是一壓電懸臂梁末端帶有永磁體質(zhì)量塊，同時末端附近的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上還布置有固定的永磁體，懸臂梁結(jié)構(gòu)在振動時，周圍磁場在懸臂梁末端附加了一非線性的“彈性”力，使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)硬化(harding)，軟化(softing)，或雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。國內(nèi)外許多學(xué)者對此類結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了深入的研宄，理論建模和相關(guān)實驗研宄均獲得了很好的預(yù)期結(jié)果。設(shè)計非線性機電耦合結(jié)構(gòu)來回收寬、低頻振動能量也成為了學(xué)術(shù)界主流的研宄趨勢。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于實用化的機電耦合發(fā)電器結(jié)構(gòu)的壓電振蕩器結(jié)構(gòu)，用于壓電能量回收，能夠用于寬、低頻以及沖擊載荷的環(huán)境振動能量回收，或通過簡單變化，能夠用于多方向上的環(huán)境振動能量回收。
[0008]技術(shù)方案
為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的用于振動能量回收的壓電振蕩器結(jié)構(gòu)包括結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和固定在所述結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的壓電機電耦合發(fā)電單元，所述的壓電機電耦合發(fā)電單元包括至少一對壓電機電親合發(fā)電器，其中，第一機電親合發(fā)電器包括第一變截面梁、第一永磁體質(zhì)量塊和設(shè)置在第一變截面梁表面的第一壓電元件，所述的第一永磁體質(zhì)量塊固定在第一變截面梁自由端，第一變截面梁根部固定在所述的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，第一變截面梁自由端厚度小于根部厚度；第二機電耦合發(fā)電器包括第二變截面梁、第二永磁體質(zhì)量塊和設(shè)置在第二變截面梁表面的第二壓電元件，所述的第二永磁體質(zhì)量塊固定在第二變截面梁自由端，第二變截面根部梁固定在所述的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，第二變截面梁自由端端厚度小于其根部的厚度；所述的第一永磁體質(zhì)量塊和第二永磁體質(zhì)量塊相對布置，相對面之間具有間隙且極性相同。其中，第一壓電元件和第二壓電元件用于回收寬、低頻振動能量。
[0009]更進(jìn)一步地，本發(fā)明的壓電振蕩器結(jié)構(gòu)還包括一個由不導(dǎo)磁材料制成的限幅結(jié)構(gòu)，其剛度系數(shù)較大；其朝向壓電機電耦合發(fā)電單元的表面設(shè)置有第三壓電元件。所述的限幅結(jié)構(gòu)不僅能夠保護內(nèi)部變截面懸臂梁結(jié)構(gòu)由于振幅過大而損壞，還能夠有效地回收沖擊振動能量。其中，所述的第三壓電元件用于回收沖擊振動能量。當(dāng)永磁體質(zhì)量塊撞擊限幅結(jié)構(gòu)時，除了部分能量會以聲音、熱等形式耗散掉，大部分沖擊能量還是留在了變截面梁和限幅結(jié)構(gòu)內(nèi)部。碰撞結(jié)束后，限幅結(jié)構(gòu)會在其一階共振頻率處做有阻尼的自由振蕩，同時因為其剛度系數(shù)較大，一階振蕩頻率會比較高。該設(shè)計巧妙地將實際應(yīng)用中難以收集的低頻大沖擊振動能量轉(zhuǎn)化成了較易收集的高頻振動能量。限幅結(jié)構(gòu)的另一作用是當(dāng)內(nèi)部懸臂梁振幅過大時，限幅結(jié)構(gòu)額外給其增加了一段彈性恢復(fù)力，額外的彈性恢復(fù)力能夠進(jìn)一步拓寬內(nèi)部懸臂梁結(jié)構(gòu)的工作頻帶。
[0010]更進(jìn)一步地，本發(fā)明的技術(shù)方案中，第一變截面梁、第二變截面梁和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)都是由不導(dǎo)磁材料制成。
[0011 ] 更進(jìn)一步地，所述的第一永磁體質(zhì)量塊和第二永磁體質(zhì)量塊具有不同的質(zhì)量，所述的第一變截面梁和第二變截面梁軸向長度不同，即所述的兩個變截面梁作為一組非對稱結(jié)構(gòu)固定在同一結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上；在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，兩個變截面梁的共振頻率接近但相互錯開，確保外界激振頻率在這兩個共振頻率之間變化時，整個裝置均能有較高的電壓輸出。另外，永磁體之間產(chǎn)生的是排斥力，這樣在懸臂梁的振動過程中，排斥力的變化是非線性的，由于排斥力不會消耗能量，可以將其等效成結(jié)構(gòu)中的“彈性”力。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計得當(dāng)，本裝置會出現(xiàn)兩個勢能最低點，不考慮重力作用的影響，當(dāng)變截面梁沒有發(fā)生彎曲應(yīng)變時，變截面梁結(jié)構(gòu)處于受力平衡狀態(tài)，但永磁體質(zhì)量塊之間存在的排斥力，給整個機電耦合裝置額外增加了部分勢能。此類結(jié)構(gòu)就是典型的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)外界加速度比較大的時候，變截面梁末端的質(zhì)量塊很容易在兩個勢能最低點之間來回切換，進(jìn)而增大了振幅，提高了壓電元件的輸出電壓。
[0012]更進(jìn)一步地，本發(fā)明技術(shù)方案采用的永磁體質(zhì)量塊相較于整個能量回收裝置，應(yīng)盡可能的大，這樣可以有效地降低變截面梁結(jié)構(gòu)的共振頻率，增大結(jié)構(gòu)在相同振幅下的應(yīng)變，提高裝置的能量密度。另外，磁體之間的互斥力也能進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)共振頻率，提高結(jié)構(gòu)的低頻振動能量回收效率。
[0013]更進(jìn)一步地，所述第一變截面梁、第二變截面梁的中性面可以呈任意夾角布置，此時整個發(fā)電裝置可以收集二維平面內(nèi)多個方向的振動能量。
[0014]有益效果
本發(fā)明的用于振動能量回收的壓電振蕩器結(jié)構(gòu)具有以下有益效果:
(1)增加了限幅結(jié)構(gòu)用于回收沖擊振動能量，并能夠保護內(nèi)部的懸臂梁結(jié)構(gòu)不會因為振幅過大而損壞，提尚了振動能量回收效率；
(2)第一、第二變截面梁是非對稱結(jié)構(gòu)。在確保其中性線(即懸臂梁中性面的對稱線)處于同一條直線上后，梁的中性面可以呈任意角度設(shè)計。此時兩個變截面梁的振動方向?qū)⒉辉僖恢?，整個發(fā)電器結(jié)構(gòu)因此能回收垂直于中性線的二維平面內(nèi)的多方向上振動能量；
(3)各變截面梁為非對稱非線性懸臂梁結(jié)構(gòu)，成對布置，遠(yuǎn)比通過單個增加懸臂梁結(jié)構(gòu)來增加工作頻帶要有效得多；<