本发明专利技术公开了一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置，包括能量收集设备和杠杆结构；所述能量收集设备采用双稳态非线性结构，利用振动将机械能转化为电能；所述杠杆结构与双稳态非线性结构相结合，用于放大激励的作用以提高能量收集效率。本发明专利技术提供的一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置可以显著放大激励的作用，具有良好的跨阱动态响应，可以显著提高能量收集效率。
【技术实现步骤摘要】
一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置
本专利技术属于微电子机械
，具体涉及一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置。
技术介绍
一直以来人们都希望找到一种利用振动的能量收集装置用于满足小型电子设备以及传感器的能量需求，这样能更好的实现微电子机械(MEMS)的能量可持续性。现有能量收集装置通常利用振动，将机械能转化为电能。为了提高能量转换效率，必须保证激励可以引起尽可能大的振动，然而，目前基于线性结构设计的能量收集装置却只能工作在非常有限的共振频率附近的带宽。为了扩大有效的收集带宽，非线性结构被引入到能量收集装置的设计中。在已有的研究中，双稳态能量收集装置因其优异的性能而被广泛的应用。由于双稳态能量收集装置具有两个稳定位置，其在这两个稳定位置之间可能表现出剧烈的“跨阱振荡”，即只要激励达到一些临界值后，这种现象便可以发生在较宽的频带中。现有技术中，若不考虑各种双稳态的实现方式，双稳态能量收集装置可以近似地描述为单一自由度的Duffing振子结构，该结构由线性阻尼和非线性刚度组成。为提高双稳态能量收集装置的性能，现有的一些技术方案包括引入新的动态耦合，例如添加辅助的线性结构等，都可以有效的增大激励，以提高跨阱动态响应，使其性能得以提高；另一方面，还有一些技术方案通过多个磁铁的相互作用，使系统的势能阱数量增加，使势能阱深度明显低于常规的双稳态能量收集装置，这样可以提升小激励下的跨阱动态响应。尽管如此，这些方案实现起来均比较复杂和困难。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题和缺点，本专利技术提供了一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置，可以显著放大激励的作用，具有良好的跨阱动态响应，可以显著提高能量收集效率。为此，本专利技术采用了以下技术方案：一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置，包括能量收集设备和杠杆结构；所述能量收集设备采用双稳态非线性结构，利用振动将机械能转化为电能；所述杠杆结构与双稳态非线性结构相结合，用于放大激励的作用以提高能量收集效率。优选地，该装置包括压电薄片梁、连接件、杠杆质量块、杠杆、边界固定件、杠杆连接件铰链、杠杆转动轴、压紧件和底座；所述边界固定件设有两块，置于底座的两侧；所述压紧件也有两个，分别与相应的边界固定件铰支，使压紧件可以转动；所述压电薄片梁位于两个压紧件之间，其两端分别被压紧件夹紧并固定；所述杠杆转动轴置于其中一块边界固定件内，所述杠杆的一端置于杠杆转动轴上并可以绕该轴自由转动，杠杆的另一端放置杠杆质量块，杠杆的中部设有杠杆槽；所述连接件的一端固定于压电薄片梁的中部，另一端通过杠杆连接件铰链铰接于杠杆上的杠杆槽内，使其可在槽内自由滑动。优选地，所述杠杆转动轴的顶端与杠杆的中部通过斜拉钢丝连接。优选地，所述边界固定件与压紧件之间通过边界固定件铰链进行连接。优选地，所述底座为长方体带孔底座，底座上设有底座槽，所述边界固定件的下部设有与底座槽相匹配的滑块，边界固定件的下部滑块可以沿底座槽滑动，用于调整间距。优选地，所述压电薄片梁采用弹簧钢和压电陶瓷制成。优选地，所述杠杆质量块与连接件的质量比值在一定范围内可调。优选地，所述杠杆质量块、连接件分别与杠杆转动轴之间的距离的比值在一定范围内变化。优选地，所述连接件、杠杆、边界固定件、压紧件和底座均采用铝质材料。优选地，推动一侧的边界固定件，造成压电薄片梁屈曲，形成关于中心线对称的两个稳定平衡位置。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)可以显著放大激励，具有良好的跨阱动态响应。(2)可以显著提高能量收集效率。(3)结构简单，使用方便，参数调节灵活。附图说明图1是本专利技术所提供的一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置的轴测图。图2是本专利技术所提供的一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置的主视图。图3是本专利技术所提供的一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置的工作原理示意图。图4是本专利技术实施例所提供的传统双稳态非线性发电装置的发电性能实验结果图。图5是本专利技术实施例所提供的一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置的发电性能实验结果图。附图标记说明：1、压电薄片梁；2、连接件；3、杠杆质量块；4、杠杆；5、边界固定件；6、杠杆连接件铰链；7、杠杆转动轴；8、压紧件；9、底座；4A、杠杆槽；4B、斜拉钢丝；5A、边界固定件铰链；9A、底座槽。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例来详细说明本专利技术，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。本专利技术公开了一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置，包括能量收集设备和杠杆结构，所述能量收集设备采用双稳态非线性结构，利用振动将机械能转化为电能；所述杠杆结构与双稳态非线性结构相结合，用于放大激励的作用以提高能量收集效率。具体地，如图1和图2所示，该装置包括压电薄片梁1、连接件2、杠杆质量块3、杠杆4、边界固定件5、杠杆连接件铰链6、杠杆转动轴7、压紧件8和底座9；所述边界固定件5设有两块，置于底座9的两侧；所述压紧件8也有两个，分别与相应的边界固定件5铰支，使压紧件8可以转动；所述压电薄片梁1位于两个压紧件8之间，其两端分别被压紧件8夹紧并固定；所述杠杆转动轴7置于其中一块边界固定件5内，所述杠杆4的一端置于杠杆转动轴7上并可以绕该轴自由转动，杠杆4的另一端放置杠杆质量块3，杠杆4的中部设有杠杆槽4A；所述连接件2的一端固定于压电薄片梁1的中部，另一端通过杠杆连接件铰链6铰接于杠杆4上的杠杆槽4A内，使其可在槽内自由滑动。具体地，所述杠杆转动轴7的顶端与杠杆4的中部通过斜拉钢丝4B连接。具体地，所述边界固定件5与压紧件8之间通过边界固定件铰链5A进行连接。具体地，所述底座9为长方体带孔底座，底座9上设有底座槽9A，所述边界固定件5的下部设有与底座槽9A相匹配的滑块，边界固定件5的下部滑块可以沿底座槽9A滑动，用于调整间距。具体地，所述压电薄片梁1采用弹簧钢和压电陶瓷制成。具体地，所述杠杆质量块3与连接件2的质量比值在一定范围内可调。具体地，所述杠杆质量块3、连接件2分别与杠杆转动轴7之间的距离的比值在一定范围内变化。具体地，所述连接件2、杠杆4、边界固定件5、压紧件8和底座9均采用铝质材料。具体地，推动一侧的边界固定件5，造成压电薄片梁1屈曲，形成关于中心线对称的两个稳定平衡位置。实施例一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置，主要由弹簧钢和压电陶瓷制成的压电薄片梁1、铝质连接件2、具有一定质量的杠杆质量块3、铝质带杠杆槽4A的杠杆4、两块具有凹凸台结构的带铰链5A的铝质带孔边界固定件5、杠杆连接件铰链6、杠杆转动轴7、两块可夹紧薄片的铝质压紧件8、铝质带底座槽9A的长方体带孔底座9组成。本装置中，两块边界固定件5置于底座9上，其下部滑块可沿底座9上的底座槽9A滑动以调整间距。压紧件8与边界固定件5铰支，使压紧件8可转动，压紧件8夹紧压电薄片梁1使其两端固支。杠杆转动轴7置于其中一块边界固定件5内，并使杠杆4一端置于杠杆转动轴7上使杠杆4可绕轴自由转动，将连接件2的一端通过杠杆连接件铰链6铰接于杠杆4上的杠杆槽4A内，使其可在槽内自由滑动，同时可通过杠杆连接件铰链6转动，另一端固定于压电薄片梁1上。杠杆质量块3放置于杠杆4的另一端。同时，将杠杆转动轴7的顶端与杠杆4的中部通过斜拉钢丝4本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置，包括能量收集设备和杠杆结构，其特征在于：所述能量收集设备采用双稳态非线性结构，利用振动将机械能转化为电能；所述杠杆结构与双稳态能量非线性结构相结合，用于放大激励的作用以提高能量收集效率。
【技术特征摘要】
1.一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置，包括能量收集设备和杠杆结构，其特征在于：所述能量收集设备采用双稳态非线性结构，利用振动将机械能转化为电能；所述杠杆结构与双稳态能量非线性结构相结合，用于放大激励的作用以提高能量收集效率。2.根据权利要求1所述的一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置，其特征在于：该装置包括压电薄片梁(1)、连接件(2)、杠杆质量块(3)、杠杆(4)、边界固定件(5)、杠杆连接件铰链(6)、杠杆转动轴(7)、压紧件(8)和底座(9)；所述边界固定件(5)设有两块，置于底座(9)的两侧；所述压紧件(8)也有两个，分别与相应的边界固定件(5)铰支，使压紧件(8)可以转动；所述压电薄片梁(1)位于两个压紧件(8)之间，其两端分别被压紧件(8)夹紧并固定；所述杠杆转动轴(7)置于其中一块边界固定件(5)内，所述杠杆(4)的一端置于杠杆转动轴(7)上并可以绕该轴自由转动，杠杆(4)的另一端放置杠杆质量块(3)，杠杆(4)的中部设有杠杆槽(4A)；所述连接件(2)的一端固定于压电薄片梁(1)的中部，另一端通过杠杆连接件铰链(6)铰接于杠杆(4)上的杠杆槽(4A)内，使其可在槽内自由滑动。3.根据权利要求2所述的一种利用杠杆的双稳态非线性能量收集装置，其特征在于：所述杠杆转动轴(7)的顶端与杠杆(4)的中部通过斜拉钢丝(4B)连接。4.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨恺，苏克玮，邱天，李仁府，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42
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