一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器及采集方法技术

本发明专利技术涉及一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器及采集方法，属于微能源采集领域。Y方向位移调节装置与支撑基座上方中部固定连接，磁铁Z方向位移调节装置一和磁铁Z方向位移调节装置二分别与支撑基座上方固定连接、且位于Y方向位移调节装置两侧，Z方向位移调节装置与Y方向位移调节装置上部固定连接，双稳态能量采集核心结构与Z方向位移调节装置上部固定连接。本发明专利技术能够根据外界振动频率的变化自行、被动频率匹配、无须主动调节，即实现频率自调谐，极大程度的拓宽了频域，提高了能量转换效率，使能量采集器在不同的工况内都能够实现双稳态。进一步拓宽频域，提高能量转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器及采集方法
本专利技术涉及微能源采集领域，特别涉及宽频域自调谐双稳态振动能量采集器及采集方法。
技术介绍
微机电系统(MEMS)是由微机械基本部分、微能源和电子集成线路组成的微机电器件、装置或系统，在生物、医疗、环境监测、军事及工业自动化控制等领域得到广泛应用，是21世纪重要的研究领域。目前在该领域的能源集成研究中电源使用寿命短的问题亟待解决。尤其针对高集成度嵌入式系统，电池供电带来明显的缺陷。在某些特殊的应用场合，如易燃易爆等，电池更换十分困难，且废旧电池中含有重金属，处理不当易造成环境污染，由于供电方面的种种原因限制了许多器件的使用与推广。除此之外，伴随着能源需求的增长与化石能源短缺之间的矛盾日益显著，人们开始着眼于对替代能源的开发与利用。压电发电是利用压电陶瓷等压电材料的正压电效应，将环境中的振动能量转换为电能的一种发电方式。它以发电结构简单紧凑、易于集成、成本低等突出优势，尤其适用于低功耗自供电微电子产品而受到研究者们的关注。现有的压电发电系统大多是线性系统，固有频率单一，且只有当激励频率接近固有频率时才会有较高的输出，导致压电发电系统的响应频域很窄。而环境中的振动往往是宽频域、非周期的，为了在更宽频域内获得能量，就需要能量采集器能够实现频率调谐或具有更宽的响应频域。现有的频率调谐方法主要分为主动和被动调谐两种方法。主动调谐主要通过外接制动装置调节系统的固有频率，以匹配环境的振动频率。由于制动器需要持续工作，导致这种方式耗能较大，会降低能量采集器的采集输出功率，在能量采集领域并不是最优方案。被动调谐则是通过手动或人为的加入外力改变系统参数以匹配环境频率。这种方法相较于主动调谐来说虽然整体耗能较少，但是自动化程度低，可调谐频率范围较窄且操作困难。本专利技术提出了基于双稳态可进行频率自调的压电振动能量采集器，采用被动调谐的方法，并弥补了现有采集方法的不足。双稳态系统是一种典型的非线性系统，在周期或者随机激励下，可在两个稳态间产生大幅周期或混沌运动。双稳态压电振动能量采集器能利用系统固有的非线性力，在低频环境中实现在非共振状态下的能量采集，拓宽了能量采集频域并提高了输出能量效率。目前存在的双稳态压电振动能量采集器多为固定式，不可调谐。只能在一个频域范围内发生大幅振动，若超过频域范围，双稳态能量采集器能量转换效率便会急剧降低。而环境中的振动通常为随机振动，因此设计能够实现根据外界环境振动频率变化而自动调节谐振频率的方法与结构，拓宽采集能量的频域范围，对于提高能量采集器的能量转换效率有着重要意义，为能量采集领域提供一条新的研究角度、新方法与新机理。本装置特别适用于特种机床传感器的自供电应用以及其他具有升降特征明显的应用场合。
技术实现思路
本专利技术提供一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器及采集方法，以解决现有双稳态振动能量采集器采集频域窄，不可调谐的问题。本专利技术采取的技术方案是：包括双稳态能量采集核心结构、Z方向位移调节装置、Y方向位移调节装置、支撑基座、磁铁Z方向位移调节装置一、磁铁Z方向位移调节装置二；其中Y方向位移调节装置与支撑基座上方中部固定连接，磁铁Z方向位移调节装置一和磁铁Z方向位移调节装置二分别与支撑基座上方固定连接、且位于Y方向位移调节装置两侧，Z方向位移调节装置与Y方向位移调节装置上部固定连接，双稳态能量采集核心结构与Z方向位移调节装置上部固定连接。所述双稳态能量采集核心结构包括十字形谐振梁、下基座、上基座、环形滚子轴承、紧固螺钉一、紧固螺钉二；其中所述下基座与上基座通过紧固螺钉一固定连接，环形滚子轴承分别位于下基座的下基座中心槽、上基座的上基座中心槽中，十字形谐振梁位于下基座的下基座十字形槽和上基座的上基座十字形槽中，紧固螺钉二用于与Z方向位移调节装置上部固定连接；所述下基座包括下基座十字形槽，下基座中心槽，极限位置一，极限位置二，下基座螺纹孔一，下基座螺纹孔二；所述上基座包括；上基座十字形槽，上基座中心槽，上基座螺纹孔；所述下基座十字形槽和上基座十字形槽相同；所述十字形谐振梁的上、下表面与环形滚子轴承接触，上基座与下基座分别通过上基座螺纹孔和下基座螺纹孔一由紧固螺钉一固定连接。所述十字形谐振梁包括：右侧压电拾振结构、左侧压电拾振结构、左侧梁末端磁铁、右侧梁末端磁铁、肋板、本体；其中，本体的中部有肋板，右侧压电拾振结构、左侧压电拾振结构分别与肋板两侧的本体的上部固定连接，左侧梁末端磁铁、右侧梁末端磁铁分别与本体两端固定连接；下基座十字形槽、上基座十字形槽的Y向尺寸大于肋板的尺寸。Z方向位移调节装置包括：上支撑板、调节旋钮、传动结构、菱形伸缩架、下支撑板、紧固螺栓一，其中上支撑板包括上支撑板螺纹孔，四个上耳座，上耳座螺纹孔；下支撑板包括四个下耳座，下耳座螺纹孔，下支撑板螺纹孔；每个菱形伸缩架分别由四根伸缩臂和四个铰接螺栓构成，菱形伸缩架Z方向的两个铰接螺栓还分别通过上耳座螺纹孔、下耳座螺纹孔将上支撑板与下支撑板铰接；每个菱形伸缩架Y方向的两个铰接螺栓还分别通过传动结构保持梁螺纹孔将传动结构与菱形伸缩架铰接，且传动结构置于上支撑板、下支撑板之间，调节旋钮与传动结构的主传动阶梯轴固定连接；紧固螺栓一用于Z方向位移调节装置与Y方向位移调节装置之间的连接；所述传动结构包括传动结构保持梁一、传动结构保持梁二、传动结构保持梁三、传动结构保持梁四、传动结构保持梁螺纹孔、传动结构保持梁光孔一、传动结构运动保持梁光孔二、传动杆、主传动阶梯轴、紧固螺栓二；其中主传动阶梯轴的阶梯左侧通过传动结构保持梁三上的传动结构运动保持梁光孔，主传动阶梯轴左前端与传动结构保持梁四旋接固定，两根传动杆分别穿过传动结构保持梁四和传动结构保持梁三上的传动结构保持梁光孔一并用紧固螺栓二固定；主传动阶梯轴的阶梯右侧通过传动结构保持梁二上的传动结构运动保持梁光孔二，再分别将两根传动杆穿过传动结构保持梁二和传动结构保持梁一上的传动结构保持梁光孔一并用紧固螺栓二固定；主传动阶梯轴和传动杆分别带动传动结构保持梁四、传动结构保持梁三、传动结构保持梁二、传动结构保持梁一运动，使菱形伸缩架伸缩。Y方向位移调节装置包括可动支座、定支座、垫片一、齿轮一、旋钮、紧固螺钉三、光轴、紧固螺钉五；其中：所述可动支座包括阶梯槽、可动支座螺纹孔一、可动支座螺纹孔二、可动支座光；所述定支座包括齿条、齿条螺纹孔一、紧固螺钉四、耳座、耳座螺纹孔、定支座本体；利用紧固螺钉四通过齿条螺纹孔一将齿条一固定在定支座本体上，并将齿轮一放置于齿条一上；可动支座内部开有阶梯槽，使其能够与定支座非过盈接触配合；利用紧固螺钉五通过可动支座螺纹孔将垫片一固定在可动支座外侧；将光轴穿过可动支座光孔，使其一端与齿轮一过盈接触配合，另一端与旋钮固定连接；齿轮一与齿条一为一对齿轮齿条运动副；所述可动支座螺纹孔用于通过下支撑板螺纹孔和紧固螺栓一将Z方向位移调节装置和Y方向位移调节装置连接；所述紧固螺钉三依次通过耳座上的耳座螺纹孔和支撑基座的支撑基座螺纹孔，将定支座本体固定在支撑基座上。磁铁Z方向位移调节装置二与磁铁Z方向位移调节装置一结构相同，其中磁铁Z方向位移调节装置一包括固定磁铁支撑板、可动支撑、定支撑、垫片二、调节旋钮、锁定旋钮、紧固螺栓、齿轮、带槽光轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器，其特征在于：包括双稳态能量采集核心结构、Z方向位移调节装置、Y方向位移调节装置、支撑基座、磁铁Z方向位移调节装置一、磁铁Z方向位移调节装置二；其中Y方向位移调节装置与支撑基座上方中部固定连接，磁铁Z方向位移调节装置一和磁铁Z方向位移调节装置二分别与支撑基座上方固定连接、且位于Y方向位移调节装置两侧，Z方向位移调节装置与Y方向位移调节装置上部固定连接，双稳态能量采集核心结构与Z方向位移调节装置上部固定连接。

【技术特征摘要】
1.一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器，其特征在于：包括双稳态能量采集核心结构、Z方向位移调节装置、Y方向位移调节装置、支撑基座、磁铁Z方向位移调节装置一、磁铁Z方向位移调节装置二；其中Y方向位移调节装置与支撑基座上方中部固定连接，磁铁Z方向位移调节装置一和磁铁Z方向位移调节装置二分别与支撑基座上方固定连接、且位于Y方向位移调节装置两侧，Z方向位移调节装置与Y方向位移调节装置上部固定连接，双稳态能量采集核心结构与Z方向位移调节装置上部固定连接。2.根据权利要求1所述的一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器，其特征在于：所述双稳态能量采集核心结构包括十字形谐振梁、下基座、上基座、环形滚子轴承、紧固螺钉一、紧固螺钉二；其中所述下基座与上基座通过紧固螺钉一固定连接，环形滚子轴承分别位于下基座的下基座中心槽、上基座的上基座中心槽中，十字形谐振梁位于下基座的下基座十字形槽和上基座的上基座十字形槽中，紧固螺钉二用于与Z方向位移调节装置上部固定连接；所述下基座包括下基座十字形槽，下基座中心槽，极限位置一，极限位置二，下基座螺纹孔一，下基座螺纹孔二；所述上基座包括；上基座十字形槽，上基座中心槽，上基座螺纹孔；所述下基座十字形槽和上基座十字形槽相同；所述十字形谐振梁的上、下表面与环形滚子轴承接触，上基座与下基座分别通过上基座螺纹孔和下基座螺纹孔一由紧固螺钉一固定连接。3.根据权利要求2所述的一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器，其特征在于：所述十字形谐振梁包括：右侧压电拾振结构、左侧压电拾振结构、左侧梁末端磁铁、右侧梁末端磁铁、肋板、本体；其中，本体的中部有肋板，右侧压电拾振结构、左侧压电拾振结构分别与肋板两侧的本体的上部固定连接，左侧梁末端磁铁、右侧梁末端磁铁分别与本体两端固定连接；下基座十字形槽、上基座十字形槽的Y向尺寸大于肋板的尺寸。4.根据权利要求1所述的一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器，其特征在于：Z方向位移调节装置包括：上支撑板、调节旋钮、传动结构、菱形伸缩架、下支撑板、紧固螺栓一，其中上支撑板包括上支撑板螺纹孔，四个上耳座，上耳座螺纹孔；下支撑板包括四个下耳座，下耳座螺纹孔，下支撑板螺纹孔；每个菱形伸缩架分别由四根伸缩臂和四个铰接螺栓构成，菱形伸缩架Z方向的两个铰接螺栓还分别通过上耳座螺纹孔、下耳座螺纹孔将上支撑板与下支撑板铰接；每个菱形伸缩架Y方向的两个铰接螺栓还分别通过传动结构保持梁螺纹孔将传动结构与菱形伸缩架铰接，且传动结构置于上支撑板、下支撑板之间，调节旋钮与传动结构的主传动阶梯轴固定连接；紧固螺栓一用于Z方向位移调节装置与Y方向位移调节装置之间的连接；所述传动结构包括传动结构保持梁一、传动结构保持梁二、传动结构保持梁三、传动结构保持梁四、传动结构保持梁螺纹孔、传动结构保持梁光孔一、传动结构运动保持梁光孔二、传动杆、主传动阶梯轴、紧固螺栓二；其中主传动阶梯轴的阶梯左侧通过传动结构保持梁三上的传动结构运动保持梁光孔，主传动阶梯轴左前端与传动结构保持梁四旋接固定，两根传动杆分别穿过传动结构保持梁四和传动结构保持梁三上的传动结构保持梁光孔一并用紧固螺栓二固定；主传动阶梯轴的阶梯右侧通过传动结构保持梁二上的传动结构运动保持梁光孔二，再分别将两根传动杆穿过传动结构保持梁二和传动结构保持梁一上的传动结构保持梁光孔一并用紧固螺栓二固定；主传动阶梯轴和传动杆分别带动传动结构保持梁四、传动结构保持梁三、传动结构保持梁二、传动结构保持梁一运动，使菱形伸缩架伸缩。5.根据权利要求1所述的一种宽频域自调谐双稳态振动能量采集器，其特征在于：Y方向位移调节装置包括可动支座、定支座、垫片一、齿轮一、旋钮、紧固螺钉三、光轴、紧固螺钉五；其中：所述可动支座包括阶梯槽、可动支座螺纹孔一、可动支座螺纹孔二、可动支座光；所述定支座包括齿条、齿条螺纹孔一、紧固螺钉四、耳座、耳座螺纹孔、定支座本体；利用紧固螺钉四通过齿条螺纹孔一将齿条一固定在定支座本体上，并将齿轮一放置于齿条一上；可动支座内部开有阶梯槽，使其能够与定支座非过盈接触配合；利用紧固螺钉五通过可动支座螺纹孔将垫片一固定在可动...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东方，宋杰，刘欢，单冠淞，杨旭，王昕，刘欣，殷志富，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22