一种适于低频振动能量收集的上变频振动能量收集装置

摘要

本发明公开了一种适于从低频振动中收集能量的上变频振动能量收集装置，属于振动能量收集技术领域。本发明利用在运动和碰撞过程中视为刚体的铰接臂和扭簧组装成一个可将系统外部低频振动的能量转化为蕴含在系统内部机构之间的机械能的谐振频率很低的弹簧-质量二阶系统，再利用铰接臂和弹性结构的碰撞，使低频振动的能量转化成高频振动的能量，从而实现了上变频；再通过压电片将高频振动的能量转化成电能。本发明的装置结构简单，制作成本低，将机械能向电能转化的效率高；可为工作在低频振动环境中的传感器等低功耗系统提供能量，尤其适用于那些需长期工作在人工难以维护或更换部件、且存在低频振动的环境中的传感器节点。

说明书

技术领域

本发明属于振动能量收集领域，具体涉及一种适于从低频振动中收集 能量的上变频振动能量收集装置。

背景技术

在建立传感器网络的时候，总是希望网络中的传感器节点全寿命不需 补充能量。振动能量收集系统可以不断地从环境振动中收集能量，为 传感器节点长期提供能源。

目前，振动能量收集系统大多采用基于谐振的弹簧-质量结构。使该结 构的谐振频率与外界振动相同，促使振子与机架产生最大的相对运动 ，进而采用各种机电转换方法（如：压电式、静电式、或者电磁式） 将这一动能转化成电能。这一解决方案一直以来面临的问题是外界振 动与弹簧-质量系统的频率匹配问题，即弹簧-质量系统（无论是压电 式的压电悬臂梁、还是静电式与电磁式的弹簧-质量结构）的谐振频率 一般都比较高，而外界振动源（例如波浪、车轮的运动或是人体的运 动）的频率则普遍比较低，而且振动频率随时间变化。

随着探索的不断深入，国内外的研究人员针对振动能量收集系统谐振 频率和外界振动的匹配问题提出了各种各样的解决方案。Lei Gu和C arol Livermore  （Passive self-tuning energy harvester  for extracting energy from rotational motion, Applie d Physics Letters. Aug. 2010. 97(8).081904-081904-3）尝 试采用冲击驱动的方式驱使压电片产生阻尼自由谐振；Sheng Xu等（ Integrated Multilayer  Nanogenerator Fabricated Using Paired Nanotip-to-Nanowir e Brushes, Nano Letters,8(11),2008:4027-4032）则利用纳米针 尖迫使纳米压电材料小棒变形的方法来产生电能，从而避免使用压电 材料构成的弹簧-质量系统直接耦合外界振动，并达到有效收集低频振 动能量的目的。虽然二者都采用了一些技术手段避免压电材料所形成 的弹簧—质量系统直接耦合外部振动，从而使得压电材料制成的能量 收集系统可以在比其谐振频率低的“低频”振动下有效地形变，进而 收集能量，但是，无论是采用质量块“撞击”压电片并使之发生形变 ，还是利用纳米针尖的运动迫使压电片形变，都是外力直接作用于压 电片的尖端并使之发生形变，进而输出能量，这种方式将振动的机械 能转换成电能的效率较低；而本发明采用了一种新的设计方式，使用 固定压电片的载物台与弹性元件碰撞的方式来促使压电片发生形变并 收集能量，能更加高效的将低频振动的能量转换成电能。

对于大部分面向低频设计的振动能量收集系统，其结构仍然由悬臂梁 或弹簧与质量块构成。无论是哪种结构，弹簧-质量系统的谐振频率都 很难有效降低。其原因在于，悬臂梁结构本身不能有很大的形变，因 此悬臂梁的刚度就不能过小，端部质量块的质量也不能很大，否则悬 臂梁有可能发生断裂或者塑性形变。而具有很低谐振频率的、由弹簧 与质量块构成的振动系统，则普遍面临系统尺寸过大、质量块行程过 长的问题。可以看出，面向低频振动的振动能量收集器尚未成熟，因 此，实践中需要一种解决上述问题的新的振动能量收集系统。

发明内容

本发明正是针对现有振动能量收集装置的不足，提出了一种适于从低 频振 动中收集能量的上变频振动能量收集装置。

本发明提出的适于从低频振动中收集能量的上变频振动能量收集装置 包括如下结构：

机架1、扭簧2、铰链3、铰接臂4、压电片台架5、压电片6、质量块7和 弹性结构8； 

其中，扭簧2的一端固定于机架1上，另外一端固定在铰接臂4上；铰链 3将铰接臂4铰接在机架1上；压电片台架5固定在铰接臂4未和扭簧2结 合的一端；压电片6固定在压电片台架5上，在压电片6上远离压电片台 架5的一端固定有质量块7；弹性结构8可以安装在机架1上远离扭簧2的 一端，使碰撞发生在铰接臂4和弹性结构8之间，也可以安装在铰接臂 4上远离扭簧2的一端，使碰撞发生在弹性结构8和机架1之间。

所述的低频振动指振动频率为不大于10Hz的振动；

本发明所述的适于从低频振动中收集能量的上变频振动能量收集装置 包括一个谐振频率很低的弹簧-质量二阶系统，所述的二阶系统包括铰 接臂4和扭簧2；所述的二阶系统工作在谐振模式下，可以将系统外部 低频振动的能量转化为蕴含在系统内部机构之间的机械能。

当所述的谐振频率很低的弹簧-质量二阶系统在外界振动的激励下振动 时，铰接臂4只能进行围绕铰链3进行半边的受迫振动，当铰接臂4回到 平衡位置时，铰接臂4具有最大的运动速度，与固定在机架1上的弹性 结构8发生碰撞（若弹性结构8安装在铰接臂4上，则当铰接臂4回到平 衡位置时，固定在铰接臂4上的弹性元件8与机架1发生碰撞）；碰撞使 铰接臂4发生振动，振动传导到固定在压电片台架5上的压电片6，从而 使压电片6受到冲击激励，进而使 压电片6以较高的自振频率进行阻尼自由振动，这就实现了上变频。

在压电片6以较高的自振频率进行阻尼自由振动的过程中，由于压电效 应，从而实现将压电片6的振动动能向电能的转化，然后通过整流电路 将产生的电能输出。

所述的铰接臂4的弹性系数至少是扭簧2和弹性结构8中刚度较大者的1 0倍以上，故铰接臂4在运动和碰撞过程中可视为刚体；

所述的压电片6和所述的固定于压电片6远离压电片台架5的一端的质量 块7组装成压电片振子单元；为增加单位体积内压电片台架所能放置的 压电片数量，将压电片振子单元层叠放置组成压电片振子阵列；

所述的弹性结构8采用金属弹簧或橡胶弹簧制成，弹性结构8的弹性系 数应当满足当发生碰撞后，压电片台架5弹起的时间是压电片振子单元 自振周期的0.5~1倍；选择弹性系数适当的弹性结构8，以控制和优化 碰撞的瞬态过程，包括碰撞的时间和碰撞过程中载物臂4的位移；

所述的压电片台架5优选采用圆环形，以减少应力；压电片台架5四周 不同角度可以在不产生干涉的前提下布置多个压电片振子单元；可高 频振动的压电片6可以是一个压电片，也可以是由多个压电片组成的阵 列；每个压电片远离压电片台架5的一端可以增减质量块，从而调节压 电片的自振频率；对于压电片阵列，多个压电片可以共用一个大的质 量块，使它们具有相同的振动相位；压电片6可以采用单层压电材料， 也可以采用具有双层压电材料的压电双晶；压电材料可以是锆钛酸铅 (PZT)、氮化铝、或者其他具有压电特性的无机和有机材料；压电片6 的形状可以是矩形、等应力分布的等腰梯形；压电片6表面的电极可以 全部覆盖整个压电材料，也可以覆盖从固定端开始的部分压电片面积 （例如2/3面积），或者为梳齿结构使正负电极都位于压电片的同一表 面。

本发明的有益效果为：

本发明提供的适于从低频振动中收集能量的上变频振动能量收集装置 可以充分收集外界低频率的振动能量，并将其转化成电能，从而为工 作在低频振动环境中的传感器等低功耗系统提供能量，尤其适用于那 些需长期工作在人工难以维护或更换部件、且存在低频振动的环境中 （如：水上）的传感器节点。

本发明利用扭转弹性元件-振子系统，可以制作出较小尺寸的低频率谐 振机构，采用撞击的方式实现上变频，提高了机械能向电能转化的效 率；工程实际证明扭转弹性元件和其他各个零件的尺寸便于机械加工 ，具有低的成本；采用特定结构控制机构碰撞过程，使得压电片结构 获得最大的振幅，增大了输出功率。

附图说明

图1是本发明提出的适于从低频振动中收集能量的上变频振动能量收集 装置的总体结构示意图；

图2是本发明提出的适于从低频振动中收集能量的上变频振动能量收集 装置的单层压电片振子单元的布置结构示意图；

图3是本发明提出的适于从低频振动中收集能量的上变频振动能量收集 装置的由多个单层压电片振子单元叠加而成压电片振子阵列的结构示 意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明所述的适于从低频振动中收集 能量 的上变频振动能量收集装置做详细的说明：

如图1所示，将扭簧2的一端固定于机架1上，另外一端固定在铰接臂4 上；用铰链3将铰接臂4铰接在机架1上；将压电片台架5固定在铰接臂 4未和扭簧2结合的另一端；将质量块7固定在压电片6远离压电片台架 5的一端，将压电片6固定在压电片台架5上；将弹性结构8安装在机架 1上远离扭簧2的一端，使碰撞发生在铰接臂4和弹性结构8之间，或将 弹性结构8安装在铰接臂4上远离扭簧2的一端，使碰撞发生在弹性结构 8和机架1之间。

当本发明所述的振动能量收集装置处在低频振动的环境中时，外部环 境中的低频振动引起铰接臂4围绕铰链3进行半边的受迫振动，当铰接 臂4回到平衡位置时，铰接臂4具有最大的运动速度，与固定在机架1上 的弹性结构8发生碰撞（若弹性结构8安装在铰接臂4上，则当铰接臂4 回到平衡位置时，固定在铰接臂4上的弹性元件8与机架1发生碰撞）； 碰撞使铰接臂4发生振动，振动传导到固定在压电片台架5上的压电片 6，从而使压电片6受到冲击激励，进而使压电片6以较高的自振频率进 行阻尼自由振动，这就实现了上变频。在压电片6以较高的自振频率进 行阻尼自由振动的过程中，由于压电效应，从而实现将压电片6的振动 动能向电能的转化，然后通过整流电路将产生的电能输出。

实施例1：

在本实施例中，机架1由一块铝板和两个轴承架组成；轴承架靠螺栓螺 母紧固在铝板上；铰接臂4为铝制，在铰接臂4靠近扭簧2的位置附近打 有小孔以便固定扭簧2；扭簧2的一端插入固定在机架1的轴承架上的小 孔中，另外一端插入铰接臂4的小孔中；这样，扭簧2、铰接臂4和铰接 臂4上的其他零件就 形成了具有低谐振频率的弹簧-质量二阶系统。

压电片台架5由一系列铝制圆环薄片构成，这些薄片和压电片6间隔布 置，并由螺栓固定压紧，使得压电片6被良好固定；其中，压电片6采 用Mide Technology Corporation公司的V25W型压电单晶或压电双晶 压电陶瓷片；整个压电片台架最终由螺栓紧固在铰接臂4上远离扭簧2 的一侧；弹簧（即弹性结构8）焊接在一个固定在机架1上的铁片上， 被螺栓固定在机架1上相对于压电片台架5的正下方；所述的弹性结构 8采用具有较大刚度的材料（如弹簧钢、磷铜等多种材料），其弹性系 数满足当发生碰撞后，压电片台架5弹起的时间是压电片振子单元自振 周期的0.5~1倍，从而可以在与铰接臂4碰撞的时候快速改变铰接臂4的 运动方向，对压电片6施加冲击激励；压电片6在空间上按照上下顺序 依次层叠放置，固定在压电片台架5上，然后分别将用铅块制作的质量 块7粘接到每个压电片6远离压电片台架5的一端，实现每个压电片6的 各自独立振动；或者每组压电片6（组内压电片在空间上按照上下顺序 叠放，在叠放的缝隙中插入磁铁）共同使用一组大小合适的钕铁硼磁 铁代替铅块作为质量块，不同压电片上的的钕铁硼磁铁之间相互吸引 夹紧压电片，并且吸引而靠磁力固定在一起，进而形成一个大的质量 块，从而使各个压电片产生同相位的电能。