一種非線性寬頻壓電振動能量采集器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種非線性寬頻壓電振動能量采集器，由一個末端受非線性磁場排斥力的雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器和一個由彈簧?質(zhì)量構(gòu)成的彈性放大機(jī)構(gòu)組成。非線性磁場排斥力和彈性放大機(jī)構(gòu)可以有效放大環(huán)境中的微弱振動位移幅度，使雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器在環(huán)境激勵振動幅值比較低的情況下輕松進(jìn)入高能軌道振動，提高壓電振動能量采集器的采集效率，克服雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器在環(huán)境激勵振動幅值比較低的情況下只能做低能軌道振動的缺陷；此外，彈性放大機(jī)構(gòu)與雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器組成一個兩自由度非線性振動系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，可以有效拓寬雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器的工作頻帶，實(shí)現(xiàn)寬頻帶振動能量的采集與轉(zhuǎn)換。
【專利說明】
一種非線性寬頻壓電振動能量采集器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型專利屬于新能源和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種融合磁場增強(qiáng)與彈性放大技術(shù)于一體的非線性寬頻壓電振動能量采集器，具有提高壓電能量采集器的轉(zhuǎn)換效率和工作頻帶的功能，可用對無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自供電。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自供電問題引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注，壓電振動能量采集器是解決該問題的有效途徑之一。國內(nèi)外涉及壓電振動能量采集器的專利申請也很多，但這些采集器的壓電振子大都是線性的，且工作頻帶比較窄，能量轉(zhuǎn)換效率偏低。為此，采用非線性振蕩技術(shù)構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器是改善線性壓電振動能量采集器輸出性能的主要方法之一。如，中國實(shí)用新型專利200910195782.8提出了基于雙穩(wěn)態(tài)升頻結(jié)構(gòu)的微型寬頻壓電振動能量采集器，可實(shí)現(xiàn)寬頻振動范圍內(nèi)的大功率輸出。雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器具有三個顯著的工作區(qū)域，分別為低能軌道的小幅值周期振動、混沌振動和高能軌道的大幅值周期振動。當(dāng)采集器的激勵幅值較小時，外部激勵能量無法使采集器克服勢能阱的阻礙作用，而在某個靜平衡位置作低能軌道的小幅值周期振動，此時，雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器變?yōu)榫€性能量采集器，輸出性能較低；當(dāng)采集器的激勵幅值較大時，外部激勵能量使采集器逃脫勢能阱的阻礙作用，在兩個靜平衡位置之間作高能軌道的大幅值周期振動，能量采集器的輸出性能顯著提高。但是環(huán)境中的振動水平往往是較低的，不足以激勵雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器進(jìn)入高能軌道的大幅值周期振動，這使雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器的應(yīng)用領(lǐng)域受到嚴(yán)重限制。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種非線性寬頻壓電振動能量采集器，通過融合磁場增強(qiáng)和彈性方法技術(shù)，使雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器在環(huán)境激勵水平較低的情況下可以輕松進(jìn)入高能軌道的大幅值周期振動，以解決現(xiàn)有雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器在外界振動比較微弱時輸出性能低的問題。
[0004]本實(shí)用新型專利采用的實(shí)施方案是:
[0005]—種非線性寬頻壓電振動能量采集器，由末端受非線性磁場排斥力的壓電雙晶懸臂梁、螺旋測微調(diào)節(jié)器、鋼化玻璃U型框、彈簧、底座和緊固螺母組成，所述壓電雙晶懸臂梁、螺旋測微調(diào)節(jié)器和鋼化玻璃U型框構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器;所述鋼化玻璃U型框、彈簧和底座構(gòu)成彈性放大機(jī)構(gòu)，所述雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器與彈性放大機(jī)構(gòu)通過緊固螺母連接成非線性寬頻壓電振動能量采集器。
[0006]進(jìn)一步的，所述的壓電雙晶懸臂梁是由結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性完全相同、但極化方向相反的兩片壓電陶瓷通過高強(qiáng)度粘結(jié)膠經(jīng)過高溫固化后，粘結(jié)在壓電雙晶懸臂梁的金屬基板上、下兩個表面構(gòu)成;所述的兩片壓電陶瓷在電學(xué)上串聯(lián)連接，并與外部負(fù)載電阻相連構(gòu)成回路。
[0007]進(jìn)一步的，所述螺旋測微調(diào)節(jié)器由永磁鐵、調(diào)節(jié)螺母和調(diào)節(jié)螺桿組成，永磁鐵用強(qiáng)力膠粘結(jié)在調(diào)節(jié)螺桿的自由端。
[0008]進(jìn)一步的，所述的鋼化玻璃U型框由左側(cè)緊固螺釘、左側(cè)安裝支撐、右側(cè)緊固螺釘、右側(cè)安裝支撐和底板組成;所述的左側(cè)安裝支撐由10片鋼化玻璃壓塊疊加而成，并由左側(cè)緊固螺釘固定在底板上;所述的右側(cè)安裝支撐由10片鋼化玻璃壓塊疊加而成，并由右側(cè)緊固螺釘固定在底板上;所述的底板的中心開有安裝孔，通過緊固螺母將鋼化玻璃U型框和彈簧連接在一起。
[0009]進(jìn)一步的，所述壓電雙晶懸臂梁通過左側(cè)緊固螺釘固定在鋼化玻璃U型框的左側(cè)安裝支撐上;所述的螺旋測微調(diào)節(jié)器通過右側(cè)緊固螺釘固定在鋼化玻璃U型框的右側(cè)安裝支撐上。
[0010]本實(shí)用新型實(shí)施方式中，為了提高非線性寬頻壓電振動能量采集器的輸出性能，設(shè)計(jì)了一個螺旋測微調(diào)節(jié)器，旋動螺旋測微調(diào)節(jié)器可以改變永磁鐵I與永磁鐵2之間的水平距離d，進(jìn)而改變雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器懸臂梁末端受到的非線性磁場排斥力，使系統(tǒng)表現(xiàn)出線性或非線性振蕩特性。
[0011]本實(shí)用新型實(shí)施方式中，彈性放大機(jī)構(gòu)的彈簧剛度和鋼化玻璃U型框的質(zhì)量均可以改變，通過改變彈簧剛度和鋼化玻璃U型框的質(zhì)量可以改變非線性壓電振動能量采集器的質(zhì)量比和剛度比，使彈性放大機(jī)構(gòu)將環(huán)境中的微弱振動放大，使非線性壓電振動能量采集器能夠輕松進(jìn)入高能軌道的大幅值周期振動，從而提高非線性壓電振動能量采集器的能量采集與轉(zhuǎn)換效率。
[0012]本實(shí)用新型實(shí)施方式中，通過改變彈簧剛度和U型質(zhì)量框的質(zhì)量可以改變非線性壓電振動能量采集器的質(zhì)量比和剛度比，可以拓寬非線性寬頻壓電振動能量采集器的諧振工作頻帶。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型的非線性寬頻壓電振動能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3是彈性放大機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖4是非線性寬頻壓電振動能量采集器輸出性能與雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器輸出性能的比較結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0018]如圖1所示，本實(shí)用新型的非線性寬頻壓電振動能量采集器由一個末端受非線性磁場排斥力的壓電雙晶懸臂梁1、螺旋測微調(diào)節(jié)器2、鋼化玻璃U型框3、彈簧4、底座5和緊固螺母6組成，壓電雙晶懸臂梁1、螺旋測微調(diào)節(jié)器2和鋼化玻璃U型框3構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器，如圖2所示;鋼化玻璃U型框3、彈簧4和底座5構(gòu)成彈性放大機(jī)構(gòu)，如圖3所示;雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器與彈性放大機(jī)構(gòu)通過緊固螺母6連接成非線性寬頻壓電振動能量采集器;
[0019]所述的壓電雙晶懸臂梁I是由結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性完全相同、但極化方向相反的兩片壓電陶瓷101、102通過高強(qiáng)度粘結(jié)膠經(jīng)過高溫固化后，粘結(jié)在壓電雙晶懸臂梁的金屬基板103上、下兩個表面構(gòu)成;所述的兩片壓電陶瓷101、102在電學(xué)上串聯(lián)連接，并與外部負(fù)載電阻104相連構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)對外部負(fù)載供電的功能;所述的壓電雙晶懸臂梁I的末端集中質(zhì)量塊由永磁鐵105構(gòu)成；
[0020]所述的螺旋測微調(diào)節(jié)器2由永磁鐵201、調(diào)節(jié)螺母202和調(diào)節(jié)螺桿203組成，永磁鐵201用強(qiáng)力膠粘結(jié)在調(diào)節(jié)螺桿203的自由端，并與永磁鐵105水平間隔距離為d，永磁鐵105與永磁鐵201的對極磁性相同，均為N極;旋動調(diào)節(jié)螺母202可以使調(diào)節(jié)螺桿203在水平方向前后移動，從而改變永磁鐵105與永磁鐵201的水平間隔距離d，進(jìn)而改變壓電雙晶懸臂梁I末端受到的非線性排斥磁場力；
[0021]所述的鋼化玻璃U型框3由左側(cè)緊固螺釘301、左側(cè)安裝支撐302、右側(cè)緊固螺釘303、右側(cè)安裝支撐304和底板305組成;所述的左側(cè)安裝支撐302由10片鋼化玻璃壓塊疊加而成，并由左側(cè)緊固螺釘301固定在底板305上;所述的右側(cè)安裝支撐304由10片鋼化玻璃壓塊疊加而成，并由右側(cè)緊固螺釘303固定在底板305上;所述的底板305的中心開有安裝孔，通過緊固螺母6將鋼化玻璃U型框3和彈簧4連接在一起；
[0022]所述的壓電雙晶懸臂梁I通過螺釘固定301在鋼化玻璃U型框3左側(cè)的安裝支撐302上;所述的螺旋測微調(diào)節(jié)器2通過螺釘303固定在鋼化玻璃U型框3右側(cè)的安裝支撐304上。
[0023]實(shí)施例:
[0024]圖4是相同基座激勵加速度作用下，非線性寬頻壓電振動能量采集器與雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器輸出性能掃頻結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，非線性寬頻壓電振動能量采集器的最大振動位移達(dá)到18_，工作頻帶達(dá)到5Hz;而雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器的最大振動位移僅為6mm，工作頻帶為IHz;前者的最大振動位移和工作頻帶寬分別是后者的3倍和5倍。
[0025]上述實(shí)施例的比較結(jié)果可以證明本實(shí)用新型專利非線性寬頻壓電振動能量采集器是對改善雙穩(wěn)態(tài)呀帶你振動能量采集器的輸出性能、工作頻帶等問題是可行有效的。另夕卜，改變彈性放大機(jī)構(gòu)的彈簧剛度和鋼化玻璃U型框的質(zhì)量，本實(shí)用新型專利非線性寬頻壓電振動能量米集器的輸出性能還可以進(jìn)一步提尚。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種非線性寬頻壓電振動能量采集器，由末端受非線性磁場排斥力的壓電雙晶懸臂梁(I)、螺旋測微調(diào)節(jié)器(2)、鋼化玻璃U型框(3)、彈簧(4)、底座(5)和緊固螺母(6)組成，其特征在于:所述壓電雙晶懸臂梁(I)、螺旋測微調(diào)節(jié)器(2)和鋼化玻璃U型框(3)構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器;所述鋼化玻璃U型框(3)、彈簧(4)和底座(5)構(gòu)成彈性放大機(jī)構(gòu)，所述雙穩(wěn)態(tài)壓電振動能量采集器與彈性放大機(jī)構(gòu)通過緊固螺母(6)連接成非線性寬頻壓電振動能量采集器。2.如權(quán)利要求1所述非線性寬頻壓電振動能量采集器，其特征在于:所述的壓電雙晶懸臂梁(I)是由結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性完全相同、但極化方向相反的兩片壓電陶瓷(101、102)通過高強(qiáng)度粘結(jié)膠經(jīng)過高溫固化后，粘結(jié)在壓電雙晶懸臂梁的金屬基板(103)上、下兩個表面構(gòu)成;所述的兩片壓電陶瓷(101、102)在電學(xué)上串聯(lián)連接，并與外部負(fù)載電阻(104)相連構(gòu)成回路。3.如權(quán)利要求1所述非線性寬頻壓電振動能量采集器，其特征在于:所述螺旋測微調(diào)節(jié)器(2)由永磁鐵(201)、調(diào)節(jié)螺母(202)和調(diào)節(jié)螺桿(203)組成，永磁鐵(201)用強(qiáng)力膠粘結(jié)在調(diào)節(jié)螺桿(203)的自由端。4.如權(quán)利要求1所述非線性寬頻壓電振動能量采集器，其特征在于:所述的鋼化玻璃U型框(3)由左側(cè)緊固螺釘(301)、左側(cè)安裝支撐(302)、右側(cè)緊固螺釘(303)、右側(cè)安裝支撐(304)和底板(305)組成;所述的左側(cè)安裝支撐(302)由10片鋼化玻璃壓塊疊加而成，并由左側(cè)緊固螺釘(301)固定在底板(305)上;所述的右側(cè)安裝支撐(304)由10片鋼化玻璃壓塊疊加而成，并由右側(cè)緊固螺釘(303)固定在底板(305)上；所述的底板(305)的中心開有安裝孔，通過緊固螺母(6)將鋼化玻璃U型框(3)和彈簧(4)連接在一起。5.如權(quán)利要求4所述非線性寬頻壓電振動能量采集器，其特征在于:所述壓電雙晶懸臂梁(I)通過左側(cè)緊固螺釘(301)固定在鋼化玻璃U型框(3)的左側(cè)安裝支撐(302)上;所述的螺旋測微調(diào)節(jié)器(2)通過右側(cè)緊固螺釘(303)固定在鋼化玻璃U型框(3)的右側(cè)安裝支撐(304)上。
【文檔編號】H02N2/18GK205622542SQ201620204934
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】王光慶
【申請人】浙江工商大學(xué)