[发明专利]一种适于低频振动能量收集的上变频振动能量收集装置

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Carol Livermore  （Passive self-tuning energy harvester for extracting energy from rotational motion, Applied 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-Nanowire 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。