[发明专利]多方向宽频带能量采集器

说明书

技术领域

    本发明涉及一种能量采集装置，尤其涉及一种多方向宽频带能量采集器。

背景技术

当前，无线传感节点供电的主要来源仍然是电池，但由于其使用寿命、尺寸、以及高的维护和更换费用，实际应用中并不是最理想的选择，为此，人们极其渴望为微型器件研究新的能量源以代替电池。能量采集器是一种能够采集环境能量并将其转换为电能的新型电源，正受到越来越广泛的重视。

由于环境中的振动能量无处不在，振动能量采集器成为可自我维持电源研究中的一大热点。1996年Williams和Yates第一次提出振动能量采集中振动能转化为电能的通用模型，随后该模型由El-Hami和Williams进行了完善和发展，目前，将振动能量转换为电能的工作方式主要有三种：电磁式、静电式和压电式。在此基础上，研究者相继设计了许多振动能量采集器，如：电磁式能量采集装置（中国发明专利CN1877973A、CN101075773A、CN1652440A、CN1604436A、CN101110545A、CN1603155A等），静电式能量采集装置（中国发明专利CN1547312A、美国专利US7112911B2），压电式能量采集装置（中国发明专利CN2834010Y、CN201054553Y、CN101017989A、美国专利US7345407B2）。

但以上各类方式的振动能量采集器均只能响应一个方向的振动能量，当环境振动的方向随着时间改变时，其他方向的振动能量几乎不能被这些传统的采集装置收集，这样采集装置的采集效率和功率密度较低。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种多方向宽频带能量采集器，其结构为：所述能量采集器由支架和设置于支架上的电输出部组成；所述支架由固定座、弹性连接梁和质量块组成；弹性连接梁一端与固定座固定连接，弹性连接梁另一端与质量块连接；所述弹性连接梁横截面为圆形；

所述电输出部采用如下三种并列可选方案：

方案一：所述电输出部采用压电薄膜，压电薄膜裹覆在弹性连接梁表面；

方案二：所述电输出部采用第一磁铁和感应线圈，第一磁铁与质量块外端面连接，感应线圈与第一磁铁间隔一定距离设置，且感应线圈的位置与固定座相对静止；

方案三：所述电输出部采用两块电极，第一电极与质量块外端面连接，第二电极与第一电极间隔一定距离设置，且第二电极的位置与固定座相对静止，两块电极的极性面相对。

本发明的原理是：当外部振动激励作用到支架上后，弹性连接梁随之发生弹性振动，质量块对振动具有增幅作用；当采用方案一的电输出部时，压电薄膜会随着弹性连接梁发生形变，从而产生电输出；当电输出部采用方案二时，第一磁铁会随着弹性连接梁的振动而往复运动，相当于用感应线圈往复切割第一磁铁的磁力线，从而在感应线圈上产生交流输出；当采用方案三与前述支架结合时，第一电极实质上形成了一动电极，第二极电极实质上形成了一静电极，基于现有的MEMS技术（如CN1547312A），随着弹性连接梁的振动，同样可以获得电输出；方案三的换能方式也叫静电换能。

另外，与现有技术相比，本发明还有一个显著特点，即弹性连接梁横截面为圆形；弹性连接梁在本发明中起感应外部振动的作用，我们暂且将其定义为弹性件，现有的振动能量采集装置中一般都存在起相似功能的弹性件，为了增加能量采集器的受能方向，本领域技术人员设计了各种横截面的弹性件，但其受能方向都相当有限；而采用本发明方案后，即将弹性连接梁的横截面设置为圆形后，弹性连接梁可以在其横截面上任意角度的径向位置处进行振动，大大扩展了弹性连接梁对振动方向的适应性，并且随着方向的扩展，弹性连接梁还能对不同方向上的振动同时进行感应，从而使振动非线性化，基于现有的振动理论，这种非线性化的振动最终可以使装置获得宽频特性；除此之外，相比于现有的各种非圆形横截面的弹性件，圆形结构更易加工。