專利名稱：一種基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于二自由度壓電振子的、采集環(huán)境振動(dòng)能量的微小型裝置，適用于諸如無(wú)線傳感器、便攜式電子設(shè)備等需要自供電，或需要通過(guò)采集周圍環(huán)境振動(dòng)能進(jìn)行能量補(bǔ)充的應(yīng)用場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、便攜式電子設(shè)備或裝置等功耗低、獨(dú)立工作的系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)長(zhǎng)壽命的獨(dú)立電源供應(yīng)技術(shù)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。目前，電池仍然是這類系統(tǒng)的首選電源，但電池容量畢竟有限，需要定期更換，給上述系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)很大的不便。同時(shí)，大量使用一次性電池也會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害。近年來(lái)興起的環(huán)境能量采集技術(shù)是解決以上問(wèn)題的一種有效途徑。它利用環(huán)境中存在的各種能量，將其轉(zhuǎn)化為電能并累積儲(chǔ)存，可為電子系統(tǒng)提供或補(bǔ)充電能?？捎糜谀芰坎杉c轉(zhuǎn)化的環(huán)境能源有太陽(yáng)能、機(jī)械振動(dòng)能、熱能等等。其中太陽(yáng)能的利用已商用化，其他能源的收集技術(shù)仍在研究中。環(huán)境振動(dòng)能是一種存在范圍很廣的能量形式，在一般環(huán)境中，甚至許多人們比較難以進(jìn)入的環(huán)境中都有振動(dòng)源存在，且不象太陽(yáng)能那樣受時(shí)間、天氣等因素限制，因此振動(dòng)能量收集技術(shù)成為目前研究的新熱點(diǎn)。 根據(jù)能量轉(zhuǎn)換機(jī)理的不同，獲取電能的有效方法有電磁式、靜電式和壓電式等3類，與其他的兩種振動(dòng)能量采集方式相比，壓電式能量采集或發(fā)電具備體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度高，無(wú)電磁干擾、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、易于微型化、集成化、與MEMS加工工藝兼容等諸多優(yōu)點(diǎn)， 且能滿足低耗能產(chǎn)品的供能需求而成為目前研究的重點(diǎn)。目前研究的壓電式振動(dòng)能量采集裝置較多采用單自由度懸臂梁結(jié)構(gòu)，其諧振頻帶寬度較窄；例如單自由度懸臂梁諧振工作頻率為20赫茲，阻尼比為0. 02時(shí)，其頻帶寬度不到IHz ；而實(shí)際環(huán)境中的振源頻率并非都固定，往往存在一定范圍的波動(dòng)，因此具有較寬諧振響應(yīng)帶寬的能量采集裝置才具有更大的實(shí)用性，研究如何擴(kuò)展能量采集裝置的諧振響應(yīng)帶寬，也就成為關(guān)鍵技術(shù)之一。目前已有學(xué)者提出了利用頻率控制技術(shù)擴(kuò)展振動(dòng)能量采集裝置諧振工作帶寬的方法。根據(jù)該方法，設(shè)立一個(gè)控制裝置，當(dāng)外部振動(dòng)激勵(lì)頻率變化時(shí)，該控制裝置可自動(dòng)調(diào)整能量采集裝置的固有頻率，使之與外部振動(dòng)頻率匹配。目前國(guó)外學(xué)者分別使用預(yù)加軸向應(yīng)力和利用電容載荷變化實(shí)現(xiàn)頻率控制的技術(shù)，設(shè)計(jì)了具有較寬頻帶的振動(dòng)能量采集裝置，但裝置構(gòu)造復(fù)雜，成本較高，且能量效率低?？偨Y(jié)現(xiàn)有技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，單自由度壓電式振動(dòng)能量采集裝置的諧振工作頻帶較窄，難以滿足高效率采集能量的應(yīng)用要求；而目前見(jiàn)諸報(bào)道的基于頻率控制設(shè)計(jì)的寬頻帶壓電式振動(dòng)能量采集裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能量轉(zhuǎn)換效率低，實(shí)用性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，該基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置完全不需外部供電輔助，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，包括用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置和用于將電能進(jìn)行調(diào)理并存儲(chǔ)的功率調(diào)理電路；所述的能量轉(zhuǎn)換裝置包括基座和2個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電振子；每一個(gè)壓電振子均由懸臂梁和質(zhì)量塊組成，懸臂梁的一端固定于基座上，質(zhì)量塊設(shè)置于懸臂梁的另一端即自由端；懸臂梁上設(shè)有用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的壓電層；能量轉(zhuǎn)換裝置上還設(shè)有用于電能輸出的輸出端子。懸臂梁還包括1個(gè)金屬基板層和4個(gè)電極層，金屬基板層位于中間，壓電層上下兩面均覆蓋有電極層；壓電層共有2層，其材料選用聚乙烯氟化物(PVDF)壓電薄膜，覆蓋有電極層的壓電層粘貼在金屬基板層上下兩面，振動(dòng)中的壓電振子因壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷由位于懸臂梁固定端的電極層引出的振子輸出端導(dǎo)出。兩個(gè)壓電振子的梁厚和質(zhì)量塊重量都不同，兩個(gè)質(zhì)量塊通過(guò)彈簧垂直連接；由于彈簧的連接作用使得固定于同一基座的2個(gè)原本獨(dú)立的單自由度壓電振子耦合成一個(gè)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)。不銹鋼材質(zhì)的懸臂梁的厚度范圍0. 1mm-1mm ；質(zhì)量塊重范圍5g_80g。例如，在壓電振子其它外形尺寸(長(zhǎng)30mm，固定端寬20mm)相同的條件下，當(dāng)一個(gè)振子的梁厚和質(zhì)量塊重分別為0. 1lmm和5. 9g，而另一個(gè)振子的梁厚和質(zhì)量塊重分別為 0. 3mm和33. 7g，連接彈簧彈性系數(shù)為12N/m時(shí)，對(duì)應(yīng)的一、二階諧振頻率分別為20Hz與 21.2Hz ；當(dāng)一個(gè)振子的梁厚和質(zhì)量塊重分別為0. Ilmm和10. 4g，另一個(gè)振子的梁厚和質(zhì)量塊重分別為0. 42mm和46. 7g，連接彈簧彈性系數(shù)為21N/m時(shí)，對(duì)應(yīng)的一、二階諧振頻率分別為 71. 3Hz 與 74. 6Hz。壓電懸臂梁采用梯形板結(jié)構(gòu)板厚度與幅面最小尺寸的比值在1/10 1/100內(nèi))幅面最小尺寸指梯形的短邊，懸臂梁的固定端寬度大于自由端寬度；壓電層上的電極層不采用完全覆蓋形式，而是按2/3 3/4之間的覆蓋比例覆蓋在壓電層上。功率調(diào)理電路包括2個(gè)同步電荷轉(zhuǎn)移模塊、電荷匯集電容、DC/DC變換模塊和儲(chǔ)能器件；2個(gè)同步電荷轉(zhuǎn)移模塊的輸出端均接電荷匯集電容的輸入端；電荷匯集電容經(jīng)DC/DC 變換模塊與儲(chǔ)能器件相連。同步電荷轉(zhuǎn)移模塊包括二極管全波整流橋和電子開(kāi)關(guān)；電子開(kāi)關(guān)采用ADG821，二極管全波整流橋的輸入端接輸出端子中一路信號(hào)，二極管全波整流橋的2個(gè)輸出端分別接 ADG821的電源端和地；該一路信號(hào)中的高電壓端經(jīng)第一電阻(R12)接ADG821的選通控制端(INl)，ADG821的SI端經(jīng)二極管接電荷匯集電容的正極。DC/DC變換模塊為由電壓基準(zhǔn)源(U3-2)和電壓比較器(U3-1)、開(kāi)關(guān)管(Q3-4)、調(diào)壓和偏置作用的電阻(R3-R8)以及具有穩(wěn)壓輸出功能的DC/DC變換器(U3-3)組成的反饋比較控制開(kāi)關(guān)電路。電壓基準(zhǔn)源采用REF191，比較器采用運(yùn)算放大器AD8502，開(kāi)關(guān)管采用PNP管或N 溝道MOS管；DC/DC變換器采用MAX50;35或TPS63030。儲(chǔ)能器件由超級(jí)電容與充電電池并聯(lián)而成。當(dāng)電荷匯集電容(C2-2)上的電壓達(dá)到導(dǎo)通電壓(Von)時(shí)，該電容與儲(chǔ)能器件(2-4)之間的轉(zhuǎn)換電路模塊0-3)導(dǎo)通形成放電過(guò)程；當(dāng)該電容的電壓因放電下降到截止電壓(Voff)時(shí)，轉(zhuǎn)換模塊(2- 截止使放電停止。其中，導(dǎo)通電壓(Von)與截止電壓(Voff) 值可通過(guò)偏置電阻與電壓基準(zhǔn)源參考電平(Vref)的設(shè)置來(lái)調(diào)整。該模塊的器件均由電荷匯集電容(C21)供電，無(wú)外部電源，是完全的自供電電路。有益效果本發(fā)明提供了一種基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，該裝置分為能量轉(zhuǎn)換和功率調(diào)理兩部分，能量轉(zhuǎn)換裝置中含壓電材料的振動(dòng)機(jī)構(gòu)響應(yīng)基座傳遞的環(huán)境振動(dòng)，把振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；功率調(diào)理電路將電能提取、調(diào)理后累積儲(chǔ)存。振動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)上下平行固定于基座的單自由度梯形懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振子和一根垂直連接振子質(zhì)量塊的彈簧構(gòu)成，兩個(gè)振子的梁厚與質(zhì)量塊重量均不同，通過(guò)連接彈簧耦合形成一個(gè)一階諧振頻率與二階諧振頻率相鄰的寬頻諧振系統(tǒng)。功率調(diào)理電路由低功耗的同步電荷轉(zhuǎn)移電路模塊、電荷匯集電容、可控電壓閾值DC/DC轉(zhuǎn)換模塊和儲(chǔ)能器件組成。該裝置諧振響應(yīng)頻帶較寬、功耗低且完全不需外部供電，因而效率高，適用于自供電或從環(huán)境補(bǔ)給電能的設(shè)備。本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在三個(gè)方面1、本發(fā)明的二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)(1-1)具兩個(gè)諧振頻率，耦合形成的二自由度系統(tǒng)的一階諧振頻率和二階諧振頻率設(shè)置成相近的值，從而當(dāng)外部環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)頻率不穩(wěn)定或變化時(shí)，只要激勵(lì)頻率處于兩諧振頻率之間，二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)(1-1)都將處于或近似于諧振工作狀態(tài)，擴(kuò)展了壓電發(fā)電元件的諧振工作帶寬；與普遍采用的單自由度壓電振子相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)的二自由度壓電振子的諧振工作帶寬約為后者兩倍多。2、本發(fā)明設(shè)計(jì)的二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)(1-1)中的壓電振子(P1、P2)采用梁內(nèi)分布應(yīng)力大小相對(duì)均勻的梯形懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且壓電層上的電極(P1-1、P2-1)從固定端開(kāi)始， 按一種不低于67%的優(yōu)選比率覆蓋在壓電層上，而不采用完全覆蓋形式，這樣的設(shè)計(jì)在維持壓電振子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，能提高能量轉(zhuǎn)換效率。壓電懸臂梁(P1-1、P2_1)采用梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其固定端寬度大于自由端寬度，在同樣尺寸條件下與矩形結(jié)構(gòu)相比其發(fā)電效率更高。梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為1、根據(jù)實(shí)際需求滿足振動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸限制；2、懸臂梁上任一點(diǎn)變形時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力不超過(guò)材料許用應(yīng)力；3、在滿足上述兩項(xiàng)原則的前提下，作為懸臂梁的梯形薄板固定端寬度W采用最大允許值，自由端寬為C*W(0 < C < 1)。C為形狀參數(shù)，O < C < 1，即薄板外形為等腰梯形，一般C值設(shè)定在0. 5左右，梯形結(jié)構(gòu)有利于使懸臂梁內(nèi)的應(yīng)力大小均勻。本發(fā)明裝置中壓電層上的電極 (Pl-4、P2-4)從固定端開(kāi)始，按一定的覆蓋比率覆蓋在壓電層上，而不采用完全覆蓋形式。3、本發(fā)明設(shè)計(jì)的功率調(diào)理電路(2)采用同步電荷轉(zhuǎn)移和多路電荷匯集設(shè)計(jì)，以及 DC/DC轉(zhuǎn)換器工作電壓閾值可控設(shè)計(jì)，減少了電能在轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)過(guò)程中的損失，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了充電電路工作電壓的可控調(diào)節(jié)，本電路可非常方便地容納兩個(gè)或兩個(gè)以上壓電振子的多路電源輸入，且電路中所采用了自身電能消耗非常低器件，各器件的供電電源與控制源均來(lái)自裝置系統(tǒng)本身，無(wú)需提供額外電源。


圖1為本發(fā)明一種基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置結(jié)構(gòu)框圖2(a)為本發(fā)明裝置實(shí)施例中二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)側(cè)視圖；圖2 (b)為本發(fā)明裝置實(shí)施例中二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)俯視圖；圖2(c)為本發(fā)明裝置實(shí)施例中二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖；；圖3(a)為本發(fā)明裝置實(shí)施例中二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)一階振型示意圖；其中，圖 (1) (5)分別表示初始位置、1/4振動(dòng)周期、2/4振動(dòng)周期、3/4振動(dòng)周期、一個(gè)周期時(shí)的壓電振子狀態(tài)示意圖。圖3(b)為本發(fā)明裝置實(shí)施例中二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)二階振型示意圖；其中，圖 (1) (5)分別表示初始位置、1/4振動(dòng)周期、2/4振動(dòng)周期、3/4振動(dòng)周期、一個(gè)周期時(shí)的壓電振子狀態(tài)示意圖。。圖4為本發(fā)明裝置實(shí)施例中二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)諧振響應(yīng)Ansys仿真圖；圖5為本發(fā)明裝置實(shí)施例中功率調(diào)理電路電路圖；圖6(a)為本發(fā)明裝置實(shí)施例中功率調(diào)理電路電荷匯集電容與DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入端電壓曲線圖；圖6(b)為本發(fā)明裝置實(shí)施例中功率調(diào)理電路DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出端電壓曲線圖。標(biāo)號(hào)說(shuō)明1-能量轉(zhuǎn)換裝置，2-功率調(diào)理電路，1-1 二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)，1-2彈簧， 1-3基座，Pl-第一壓電振子，P2-第二壓電振子，P1-5-第一質(zhì)量塊，P2-5字兒質(zhì)量塊。 1-5-第一壓電振子輸出端，1-6-第二壓電振子輸出端。1-4為螺釘，P1-2-第一金屬基板層，P1-3為第一壓電振子的壓電層，P1-4為第一壓電振子電極層，P2-2-第二金屬基板層， P2-3為第二壓電振子的壓電層，P2-4為第二壓電振子電極層.Pl-I為第一壓電振子的懸臂梁。P2-1為第二壓電振子的懸臂梁。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例1 如圖1所示為本發(fā)明一種基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置結(jié)構(gòu)框圖，該裝置由能量轉(zhuǎn)換裝置與功率調(diào)理電路組成，以覆蓋了壓電材料的振動(dòng)機(jī)構(gòu)為核心， 通過(guò)響應(yīng)基座傳遞的環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再由功率調(diào)理電路將電能提取、 調(diào)理后累積存儲(chǔ)。該振動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振子和一根連接彈簧藕合成一個(gè)二階振動(dòng)系統(tǒng)；功率調(diào)理電路由同步電荷轉(zhuǎn)移電路模塊、電荷匯集電容、可控電壓閾值DC/DC模塊及儲(chǔ)能器件組成。圖2(a)、圖2(b)與圖2(c)所示分別為本發(fā)明裝置實(shí)施例中二自由度振動(dòng)機(jī)構(gòu)的主視圖、俯視圖與立體外形圖，該裝置由基座、懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振子以及彈簧構(gòu)成。本發(fā)明裝置的具有壓電發(fā)電能力的振動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心為壓電振子，基座為壓電振子提供固定支撐， 彈簧將上下兩個(gè)壓電振子連接耦合成一個(gè)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明裝置實(shí)施例中壓電振子Pl描述如下它由壓電懸臂梁、質(zhì)量塊構(gòu)成；其中壓電懸臂梁包括金屬基板層、壓電層和電極層，金屬基板層采用韌性較大且較薄金屬片(不銹鋼)，主要為壓電振子提供結(jié)構(gòu)支撐，壓電層由壓電材料(PVDF)制成，其上下兩側(cè)又以導(dǎo)電性能好的金屬鍍層作為電極層， 使壓電懸臂梁振動(dòng)形變時(shí)產(chǎn)生的電荷很容易通過(guò)輸出端導(dǎo)出；覆有電極層的壓電層分別用絕緣膠粘貼在金屬基板層上下兩側(cè)，因響應(yīng)外部環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)，懸臂梁發(fā)生彎曲形變，使壓電層上下兩側(cè)的電極層上因壓電效應(yīng)出現(xiàn)集聚電荷。壓電懸臂梁的固定端鉗制在基座預(yù)留的凹槽內(nèi)，通過(guò)螺釘固定；在壓電振子固定端，位于壓電層上側(cè)各電極層分別通過(guò)引線共同連接到各輸出端的正電極點(diǎn)，位于壓電層下側(cè)電極層通過(guò)引線共同連接到輸出端的負(fù)電極點(diǎn)，引線與電極點(diǎn)共同構(gòu)成壓電振子輸出端 ’另一端(自由端)裝有質(zhì)量塊，質(zhì)量塊起調(diào)節(jié)壓電振子固有頻率及加大振動(dòng)時(shí)應(yīng)變的作用。本發(fā)明裝置實(shí)施例中壓電振子P2結(jié)構(gòu)型式與Pl相同，同樣由壓電懸臂梁(包括金屬基板、壓電層以及電極層)、質(zhì)量塊以及輸出端構(gòu)成。本發(fā)明裝置實(shí)施例的壓電振子與傳統(tǒng)的矩形壓電振子相比，理論計(jì)算發(fā)電效率可提高約 24%。壓電振子的壓電懸臂梁厚度與質(zhì)量塊重量都不相同，同時(shí)兩者質(zhì)量塊通過(guò)彈簧連接，耦合成一個(gè)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)具有兩個(gè)諧振響應(yīng)頻率，通過(guò)調(diào)整壓電懸臂梁的尺寸、質(zhì)量塊重量以及彈簧彈性系數(shù)大小，可將整個(gè)系統(tǒng)的一階諧振頻率與二階諧振頻率調(diào)整到某個(gè)預(yù)定頻率兩側(cè)附近，當(dāng)外部環(huán)境振動(dòng)激勵(lì)頻率在預(yù)定頻率附近較寬的范圍內(nèi)變化時(shí)，本發(fā)明裝置中的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)都能與之實(shí)現(xiàn)諧振響應(yīng)，保持較高的能量輸出(諧振狀態(tài)下響應(yīng)振幅最大、應(yīng)變最大、輸出也越高)，實(shí)現(xiàn)寬頻響應(yīng)。下表為本發(fā)明裝置實(shí)施例中壓電振子與彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)描述及參數(shù)值表1.參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)描述及其數(shù)值
權(quán)利要求
1.一種基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，包括用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置和用于將電能進(jìn)行調(diào)理并存儲(chǔ)的功率調(diào)理電路；所述的能量轉(zhuǎn)換裝置包括基座和2個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電振子；每一個(gè)壓電振子均由懸臂梁和質(zhì)量塊組成，懸臂梁的一端固定于基座上，質(zhì)量塊設(shè)置于懸臂梁的另一端即自由端； 懸臂梁上設(shè)有用于將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的壓電層；能量轉(zhuǎn)換裝置上還設(shè)有用于電能輸出的輸出端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，懸臂梁還包括1個(gè)金屬基板層和4個(gè)電極層，金屬基板層位于中間，壓電層上下兩面均覆蓋有電極層；壓電層共有2層，其材料選用聚乙烯氟化物(PVDF)壓電薄膜，覆蓋有電極層的壓電層粘貼在金屬基板層上下兩面，振動(dòng)中的壓電振子因壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷由位于懸臂梁固定端的電極層引出的振子輸出端導(dǎo)出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，兩個(gè)壓電振子的梁厚和質(zhì)量塊重量都不同，兩個(gè)質(zhì)量塊通過(guò)彈簧垂直連接；由于彈簧的連接作用使得固定于同一基座的2個(gè)原本獨(dú)立的單自由度壓電振子耦合成一個(gè)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，不銹鋼材質(zhì)的懸臂梁的厚度范圍0. Imm-Imm ；質(zhì)量塊重范圍5g_80g。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，壓電懸臂梁采用梯形板結(jié)構(gòu)，懸臂梁的固定端寬度大于自由端寬度；壓電層上的電極層不采用完全覆蓋形式，而是按2/3 3/4之間的覆蓋比例覆蓋在壓電層上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置， 其特征在于，功率調(diào)理電路包括2個(gè)同步電荷轉(zhuǎn)移模塊、電荷匯集電容、DC/DC變換模塊和儲(chǔ)能器件；2個(gè)同步電荷轉(zhuǎn)移模塊的輸出端均接電荷匯集電容的輸入端；電荷匯集電容經(jīng) DC/DC變換模塊與儲(chǔ)能器件相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，同步電荷轉(zhuǎn)移模塊包括二極管全波整流橋和電子開(kāi)關(guān)；電子開(kāi)關(guān)采用ADG821，二極管全波整流橋的輸入端接輸出端子中一路信號(hào)，二極管全波整流橋的2個(gè)輸出端分別接 ADG821的電源端和地；該一路信號(hào)中的高電壓端經(jīng)第一電阻(R12)接ADG821的選通控制端(INl)，ADG821的SI端經(jīng)二極管接電荷匯集電容的正極。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，DC/DC變換模塊為由電壓基準(zhǔn)源(U3-2)和電壓比較器(U3-1)、開(kāi)關(guān)管(Q3-4)、調(diào)壓和偏置作用的電阻(R3-R8)以及具有穩(wěn)壓輸出功能的DC/DC變換器(U3-3)組成的反饋比較控制開(kāi)關(guān)電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，電壓基準(zhǔn)源采用REF191，比較器采用運(yùn)算放大器AD8502，開(kāi)關(guān)管采用PNP管或N溝道 MOS 管；DC/DC 變換器采用 MAX50;35 或 TPS63030。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，其特征在于，儲(chǔ)能器件由超級(jí)電容與充電電池并聯(lián)而成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于二自由度壓電振子的環(huán)境振動(dòng)能量采集裝置，該裝置分為能量轉(zhuǎn)換和功率調(diào)理兩部分，能量轉(zhuǎn)換裝置中含壓電材料的振動(dòng)機(jī)構(gòu)響應(yīng)基座傳遞的環(huán)境振動(dòng)，把振動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；功率調(diào)理電路將電能提取、調(diào)理后累積儲(chǔ)存。振動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)上下平行固定于基座的單自由度懸臂梁結(jié)構(gòu)壓電振子和一根垂直連接振子質(zhì)量塊的彈簧構(gòu)成，兩振子的梁厚與質(zhì)量塊重量均不同，形成一階與二階諧振頻率相鄰的寬頻諧振二自由度系統(tǒng)。功率調(diào)理電路由低功耗的同步電荷轉(zhuǎn)移電路模塊、電荷匯集電容、可控電壓閾值DC/DC轉(zhuǎn)換模塊和儲(chǔ)能器件組成。該裝置諧振響應(yīng)頻帶較寬、功耗低且完全不需外部供電，因而效率高，適用于自供電或從環(huán)境補(bǔ)給電能的設(shè)備。
文檔編號(hào)H02N2/18GK102170248SQ20111010927
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者劉少?gòu)?qiáng), 彭俊先, 彭敏強(qiáng), 李勇周, 樊曉平, 譚宗凱 申請(qǐng)人:中南大學(xué)