[实用新型]一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器

说明书

本实用新型公开一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，包括能量采集装置、调节控制装置和端部约束装置；能量采集装置由上梁、外部磁铁、内部磁铁、悬臂梁和压电材料组成，悬臂梁的上端对称固定有充当惯性质量的N个内部磁铁，N≥1，悬臂梁的侧面粘贴有压电材料，上梁的两端以悬臂梁为轴对称固定有M个外部磁铁，M≥2；端部约束装置由下梁和固定端构成，悬臂梁的下端与下梁通过固定端紧固连接，下梁通过连接板与上梁连接；调节控制装置包括对称的曲面结构、蜗轮结构和蜗杆结构，对称的曲面结构与上述的蜗轮结构啮合连接，蜗轮结构铰接于下梁，蜗杆结构固定于下梁的上表面。该装置可在不改变磁体结构位置、大小情况下改变系统势阱。

技术领域

本实用新型属于振动能量采集技术领域，具体涉及一种具备可调节势阱功能的悬臂梁式非线性压电振动能量采集器。

背景技术

随着微系统和无线平台技术的发展，小型化、低功耗的嵌入式自主传感器和无线传感器应运而生。然而这些电子设备一般是通过电池供电的，但是在实际应用过程中，复杂多变的外界环境，使得更换电池受到制约。环境能量采集技术是解决以上问题的有效方法，能量采集技术可以将自然界中广泛存在的能量转换为电能，从而为微电子器件持久供电，实现“永久化”的长效运行模式。由于振动能在环境中普遍存在，因此振动能量采集器受到许多研究者的关注。

随着能量采集器相关工作的不断深入，学者们意识到了非线性手段能够在扩宽频带、改善输出方面有积极的作用，多稳态是目前最有效的非线性手段之一；对于一般的多稳态振动能量采集器，由于悬臂梁的线性条件，当环境中的激励发生变化时，导致调节它的势能形状往往意味着只能改变磁体的大小和分布位置。在这种情况下，改变磁体间的距离往往就会导致磁场利用率降低。此外，电磁力是一种体积力，随着能量采集器的小型化，这种力将会大幅度降低。因此在不降低能量采集器对基础激励灵敏度的前提下，提高能量采集器磁能利用率将十分必要。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，该采集器利用机械非线性来改变振动范围内磁力和悬臂梁恢复力之间的差距；当环境中的激励发生梯度变化时，该装置通过非对称调节模式可以快速的适应环境变化，有效的扩大振动幅值。当环境中的激励变化到某一激发能级不变时，该装置通过对称调节模式可以达到最优的采集效果。此外，该装置可以在不改变磁体结构位置、大小的情况下，有效的改变系统的势垒，避免了在激发能级低的情况下因调节磁体结构而造成的磁能利用率低的问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，包括能量采集装置、调节控制装置和端部约束装置；所述能量采集装置由上梁、外部磁铁、内部磁铁、悬臂梁和压电材料组成，所述悬臂梁的上端对称固定有充当惯性质量的N个内部磁铁，N≥1，所述悬臂梁的侧面粘贴有压电材料，所述上梁的两端以所述悬臂梁为轴对称固定有M个外部磁铁，M≥2；

所述端部约束装置由下梁和固定端构成，所述悬臂梁的下端与所述下梁通过固定端紧固连接，所述下梁通过连接板与所述上梁连接；

所述调节控制装置包括对称的曲面结构、蜗轮结构和涡杆结构，所述对称的曲面结构与上述的蜗轮结构啮合连接，蜗轮结构铰接于下梁，所述蜗杆结构固定于下梁的上表面。

进一步的，所述悬臂梁的形状为矩形梁、三角形梁或梯形梁其中的一种。

进一步的，所述内部磁铁和所述外部磁铁为永磁铁或电磁铁材料制作的矩形结构。

进一步的，所述压电材料是占所述悬臂梁纵向4/5长度的矩形压电陶瓷材料或压电薄膜材料，单侧或对称粘贴于所述悬臂梁的侧面。

进一步的，所述曲面结构为关于悬臂梁对称分布的结构，曲面结构和悬臂梁之间构成了一个非线性弹簧。曲面结构中曲线的函数形式满足以下关系：其中L是曲面截面在x方向的长度，D是x＝L时曲面截面与未变形悬臂梁之间的垂直距离，N为大于2的整数。