一种升频式振动能量采集系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种升频式振动能量采集系统，通过低频谐振结构感应环境振动频率，并通过低频谐振结构振动后与高频谐振结构的接触碰撞使得高频谐振结构实现自激振动，以达到升频的目的。通过高频谐振结构的高频率振动，使得高频振动梁上的压电材料层产生周期性拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化，兼顾高密度输出和低工作频率。低频谐振结构的振动梁具有较低的结构刚度与较大的谐振质量，可将共振频率降低到50Hz以下，对环境振动频率的感应灵敏，适用范围较广。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开了一种升频式振动能量采集系统，通过低频谐振结构感应环境振动频率，并通过低频谐振结构振动后与高频谐振结构的接触碰撞使得高频谐振结构实现自激振动，以达到升频的目的。通过高频谐振结构的高频率振动，使得高频振动梁上的压电材料层产生周期性拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化，兼顾高密度输出和低工作频率。低频谐振结构的振动梁具有较低的结构刚度与较大的谐振质量，可将共振频率降低到50Hz以下，对环境振动频率的感应灵敏，适用范围较广。【专利说明】一种升频式振动能量采集系统
本技术属于微能源采集
，具体涉及一种升频式振动能量采集系统。
技术介绍
振动能以不同的形式、强度和频率广泛存在于桥梁、楼宇、船舶、车辆、机械设备、家用电器等各种生产和生活设备中。因此对振动能进行采集为无线传感网络、嵌入式系统等低功耗设备供电有着广泛的应用前景。例如，Perpetuum公司生产的振动能量采集器成功应用在火车车轮的轴承监测上；Ferro Solut1ns公司的振动能量采集器被应用于美国海军的轮船和潜艇的健康监测中。 为了实现高效能量采集，振动型能量采集器的设计需要其固有频率与环境振动源频率相匹配，同时要求有较宽的工作频带以适应振动源频率的随机变化。研究表明多数振动源的频率在200Hz以下，甚至低于50Hz。目前的微小型振动能量采集器往往无法同时兼顾高密度输出和低工作频率。具有较高能量输出的能量采集器件往往工作频率也较高，而在具备较低工作频率时又难以实现能量高密度输出。研究在低频率振动下的高效能量采集是当前微小型振动能量采集技术的关键瓶颈问题。 目前的微小型振动能量采集器在低频振动环境下电量输出很低，无法满足低功耗设备器件的供电需求。为实现低频振动的高密度输出，因此需要对原有的低频振动进行升频处理，现有的升频式能量采集器需要在低频和高频谐振结构中组装磁铁，通过磁铁吸引力或排斥力实现低频振动向高频振动的转换，但该结构中磁铁所占面积较大，结构较为复杂，这对于能量采集器的微型化和系统化集成提出巨大挑战。 因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的升频式能量采集系统，实现对低频振动的灵敏感应及高效转化，同时简化采集系统的结构，实现采集系统的微型化与集成化。
技术实现思路
有鉴于此，本技术提供了一种升频式振动能量采集系统，通过低频谐振结构与高频谐振结构的接触碰撞，使得高频谐振结构实现自激振动达到升频的目的，且通过压电材料层的拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化。该采集系统的结构简单，有利于实现采集系统的微型化与集成化。 根据本技术的目的提出了一种升频式振动能量采集系统，包括高频谐振结构与低频谐振结构，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构依次间隔固定设置，所述高、低频谐振结构分别包括固定部件、质量块、以及连接固定部件与质量块的振动梁，高频振动梁表面依次设置有底部电极层、压电材料层与顶部电极层，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构间的间距小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值。 优选的，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构平行设置。 优选的，所述低频谐振结构的振动梁为直梁、单S型或多S型悬臂梁。 优选的，所述高频谐振结构设置于所述低频谐振结构一侧，或对称设置于所述低频谐振结构的两侧。 优选的，所述压电材料层为压电薄膜或压电厚膜。 与现有技术相比，本技术公开的升频式振动能量采集系统的优点是:通过低频谐振结构感应环境振动频率，并通过低频谐振结构振动后与高频谐振结构的接触碰撞使得高频谐振结构实现自激振动，以达到升频的目的。 通过高频谐振结构的高频率振动，使得高频振动梁上的压电材料层产生周期性拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化，兼顾高密度输出和低工作频率。 低频谐振结构的振动梁具有较低的结构刚度与较大的谐振质量，可将共振频率降低到50Hz以下，对环境振动频率的感应灵敏，适用范围较广。 【专利附图】【附图说明】 为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 图1为高频谐振结构的结构示意图。 图2为高频谐振结构的截面图。 图3为本技术公开的低频谐振结构的结构示意图。 图4为振动能量米集系统的结构不意图。 图5为初始碰撞状态图。 图6为协同运动状态图。 图7为非完全弹性释放状态图。 图8为高频谐振结构的电压输出波形图。 图中的数字或字母所代表的相应部件的名称: 1、高频谐振结构2、低频谐振机构3、固定部件4、振动梁5、质量块11、底部电极层12、压电材料层13、顶部电极层 【具体实施方式】 目前的微小型振动能量采集器在低频振动环境下电量输出很低，无法满足低功耗设备器件的供电需求。为实现低频振动的高密度输出，因此需要对原有的低频振动进行升频处理，现有的升频式能量采集器需要在低频和高频谐振结构中组装磁铁，通过磁铁吸引力或排斥力实现低频振动向高频振动的转换，但该结构中磁铁所占面积较大，结构较为复杂，这对于能量采集器的微型化和系统化集成提出巨大挑战。 本技术针对现有技术中的不足，提供了一种升频式振动能量采集系统，通过低频谐振结构与高频谐振结构的接触碰撞，使得高频谐振结构实现自激振动以达到升频的目的，且通过压电材料层的拉伸与压缩，实现振动能向电能的高效转化，该采集系统的结构简单，实现采集系统的微型化与集成化。 下面将通过【具体实施方式】对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。 请一并参见图1至图7，一种升频式振动能量采集系统，包括高频谐振结构I与低频谐振结构2，高频谐振结构I与低频谐振结构2依次间隔固定设置，高频谐振结构平行且对称的设置于低频谐振结构的上下侧，且高频谐振结构与低频谐振结构间的间距小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值。低频谐振结构可感应外部环境的振动频率，并随其产生共振，通过低频谐振结构与高频谐振结构间接触将振动传递给高频谐振结构，高频谐振结构实现自激振动，达到升频的目的。其中高频谐振结构可以设置于低频谐振结构的任一侧或对称设置于两侧，具体方式不做限制。 高、低频谐振结构分别包括固定部件3，质量块5，以及连接固定部件与质量块的振动梁4，高频谐振结构的振动梁表面依次设置有底部电极层11、压电材料层12与顶部电极层13，通过在高频振动梁的表面镀有压电材料层，高频振动梁的周期性往复运动会导致压电材料层的周期性拉伸与压缩，基于压电效应，可实现机械能转化向电能有效转化，兼顾低工作频率与高密度输出的优点。 高频谐振结构I为硅基悬臂梁。其中，压电材料层可为压电薄膜或压电厚膜。通过压电薄膜与振动梁的配合实现振动能量的采集，有效的简化了采集系统的结构，有利于采集系统的微型化与集成度。 低频谐振结构的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种升频式振动能量采集系统，其特征在于，包括高频谐振结构与低频谐振结构，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构依次间隔固定设置，所述高、低频谐振结构分别包括固定部件、质量块、以及连接固定部件与质量块的振动梁，高频振动梁表面依次设置有底部电极层、压电材料层与顶部电极层，所述高频谐振结构与所述低频谐振结构间的间距小于给定振动激励下低频谐振结构的振动幅值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘会聪，陈涛，娄亮，孙立宁，王蓬勃，刘楠，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32