[发明专利]一种能量采集装置、以及用于能量采集的振动装置和制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及能量采集技术，特别涉及一种利用周围环境的振动能量产生电能的能量采集装置，更具体地说，涉及具有紧凑的双层振动结构的微型电磁能量采集装置。

背景技术

对无线传感器的需求不断增加，增强了业界进一步发展该技术及其配套设备的兴趣。大多数无线传感器目前由电池供电，电池虽然可以提供大量的电力，但是寿命有限，需要频繁更换。由于越来越多的无线传感器被部署到难以达到或者无法进入的地点，更换电池或为电池充电将成为一个十分劳工费时且昂贵的维护任务。因此，有必要通过在无线传感器上集成一个可以从周边能量源(比如光线、温差、振动等)提取能量并转换成有用电能的能量采集系统，实现具有自供电能力、免维护的无线传感器。在可用能量源中，振动是最有希望被使用的，因为它们无处不在。其他能量源往往是受限的，要么不存在，要么可能太阳光和热梯度不足。

所有基于振动的能量采集装置都遵循类似的从振动到电能的转换原理，该原理可以采用通用的“质量弹簧阻尼(spring-mass-damper)”模型来描述，其中在电阻尼中消耗的能量相当于所生成的电能，表示为公式(1)。

P=mζY2(ωωn)3ω3[1-(ωωn)2]2+[2ζ(ωωn)2]2---(1)]]>

其中，m是振动物体的质量，ζ是总的阻尼比，Y是振动位移，ω是环境振动的频率，ω_n是能量采集装置的固有频率。

根据该模型，采集到的能量是和振动频率的三次方以及振动位移的平方成正比的。设备在其固有频率上发生共振时，其振动位移是最大的；当环境振动频率偏离设备的固有共振频率时，该设备的振动位移急剧降低。因此，在设计传统的基于振动的能量采集装置时，应使其固有共振频率接近于环境振动频率，以最大限度地提高输出功率。但是，不同的振动源具有不同的振动频率，在某些情况下，甚至同一个振动源的频率特性都有可能随时间发生变化。因此，基于单个狭窄的共振频率的传统设计应用范围不广，可能在环境发生变化时丧失其性能。

为了扩大工作频率范围，研究人员正在探索不同的方式，以实现基于振动的能量采集装置的频率适应性。其基本思路是：根据环境振动的频率变化，调整能量采集装置的固有频率，以便和不同振动源的频率匹配。这些调谐机制大致分为主动调谐、被动调谐和半主动调谐。