[发明专利]一种基于二自由度压电振子的环境振动能量采集装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于二自由度压电振子的、采集环境振动能量的微小型装置，适用于诸如无线传感器、便携式电子设备等需要自供电，或需要通过采集周围环境振动能进行能量补充的应用场合。

背景技术

随着无线传感器网络、便携式电子设备或装置等功耗低、独立工作的系统的快速发展，对长寿命的独立电源供应技术的需求越来越强烈。目前，电池仍然是这类系统的首选电源，但电池容量毕竟有限，需要定期更换，给上述系统的应用带来很大的不便。同时，大量使用一次性电池也会对环境造成危害。近年来兴起的环境能量采集技术是解决以上问题的一种有效途径。它利用环境中存在的各种能量，将其转化为电能并累积储存，可为电子系统提供或补充电能。可用于能量采集与转化的环境能源有太阳能、机械振动能、热能等等。其中太阳能的利用已商用化，其他能源的收集技术仍在研究中。环境振动能是一种存在范围很广的能量形式，在一般环境中，甚至许多人们比较难以进入的环境中都有振动源存在，且不象太阳能那样受时间、天气等因素限制，因此振动能量收集技术成为目前研究的新热点。根据能量转换机理的不同，获取电能的有效方法有电磁式、静电式和压电式等3类，与其他的两种振动能量采集方式相比，压电式能量采集或发电具备体积小、结构简单、能量密度高，无电磁干扰、无污染、寿命长、易于微型化、集成化、与MEMS加工工艺兼容等诸多优点，且能满足低耗能产品的供能需求而成为目前研究的重点。

目前研究的压电式振动能量采集装置较多采用单自由度悬臂梁结构，其谐振频带宽度较窄；例如单自由度悬臂梁谐振工作频率为20赫兹，阻尼比为0.02时，其频带宽度不到1Hz；而实际环境中的振源频率并非都固定，往往存在一定范围的波动，因此具有较宽谐振响应带宽的能量采集装置才具有更大的实用性，研究如何扩展能量采集装置的谐振响应带宽，也就成为关键技术之一。

目前已有学者提出了利用频率控制技术扩展振动能量采集装置谐振工作带宽的方法。根据该方法，设立一个控制装置，当外部振动激励频率变化时，该控制装置可自动调整能量采集装置的固有频率，使之与外部振动频率匹配。目前国外学者分别使用预加轴向应力和利用电容载荷变化实现频率控制的技术，设计了具有较宽频带的振动能量采集装置，但装置构造复杂，成本较高，且能量效率低。

总结现有技术可以发现，单自由度压电式振动能量采集装置的谐振工作频带较窄，难以满足高效率采集能量的应用要求；而目前见诸报道的基于频率控制设计的宽频带压电式振动能量采集装置，结构复杂，能量转换效率低，实用性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种基于二自由度压电振子的环境振动能量采集装置，该基于二自由度压电振子的环境振动能量采集装置完全不需外部供电辅助，结构简单，实用性强。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于二自由度压电振子的环境振动能量采集装置，包括用于将机械能转换成电能的能量转换装置和用于将电能进行调理并存储的功率调理电路；

所述的能量转换装置包括基座和2个悬臂梁结构的压电振子；每一个压电振子均由悬臂梁和质量块组成，悬臂梁的一端固定于基座上，质量块设置于悬臂梁的另一端即自由端；悬臂梁上设有用于将机械能转化为电能的压电层；能量转换装置上还设有用于电能输出的输出端子。

悬臂梁还包括1个金属基板层和4个电极层，金属基板层位于中间，压电层上下两面均覆盖有电极层；压电层共有2层，其材料选用聚乙烯氟化物(PVDF)压电薄膜，覆盖有电极层的压电层粘贴在金属基板层上下两面，振动中的压电振子因压电效应产生的电荷由位于悬臂梁固定端的电极层引出的振子输出端导出。

两个压电振子的梁厚和质量块重量都不同，两个质量块通过弹簧垂直连接；由于弹簧的连接作用使得固定于同一基座的2个原本独立的单自由度压电振子耦合成一个二自由度振动系统。

不锈钢材质的悬臂梁的厚度范围：0.1mm-1mm；质量块重范围：5g-80g。

【例如，在压电振子其它外形尺寸(长30mm，固定端宽20mm)相同的条件下，当一个振子的梁厚和质量块重分别为0.11mm和5.9g，而另一个振子的梁厚和质量块重分别为0.3mm和33.7g，连接弹簧弹性系数为12N/m时，对应的一、二阶谐振频率分别为20Hz与21.2Hz；当一个振子的梁厚和质量块重分别为0.11mm和10.4g，另一个振子的梁厚和质量块重分别为0.42mm和46.7g，连接弹簧弹性系数为21N/m时，对应的一、二阶谐振频率分别为71.3Hz与74.6Hz。】