[发明专利]一种旋转式自调频压电振动能量收集器

说明书

本发明是一种旋转式自调频压电振动能量收集器，包括主梁、副梁、质量块和外框，主梁为压电梁，由压电层和衬底层构成，主梁的一端固定在外框上，主梁的另一端与质量块相连，副梁为弹性梁，副梁的一端与外框连接，副梁的另一端与质量块连接，质量块的中间设置有贯穿槽，质量块与主梁通过贯穿槽连接，质量块通过贯穿槽约束在主梁长度方向滑动，外框固定在旋转机构上。本发明的质量块所受的离心力作用于质量块时，质量块质心在主梁上的位置发生变化，调节振动能量收集器的固有频率，实现与转动激励频率相匹配，增加振动能量收集器工作频带宽度，提高结构的可靠性，降低结构设计的难度。

技术领域

本发明涉及能量收集技术领域，具体的说是涉及一种旋转式自调频振动能量收集器。

背景技术

微电子器件与系统(如无线传感网络节点，医疗植入传感器、武器装备故障监测系统等)的快速发展与广泛应用，要求供电系统具有寿命长、体积小、重量轻等特点。传统化学能电池在发展过程中遇到了寿命短、体积大、重量重等技术瓶颈，成为制约了微电子器件与系统发展的主要障碍之一，将周围环境中的振动能转换为电能的能量收集器技术，在理论上能够实现供电时间无限长，且具有体积小、重量轻、能量密度高等优点，是取代传统化学能电池实现对微电子器件与系统供电最有希望的技术方案之一，在学术界和工业界都引起了极大的兴趣，近年来得到了快速的发展。

高输出性能的振动能量收集器要求振动能量收集器同时具有高的振动能量获取和振动能量转换能力，目前大部分振动能量收集器的振动能量获取主要是基于共振效应实现的。基于共振效应的振动能量收集器通常只能在较窄的频率范围内(1Hz左右)具有较好的振动能量获取能力，而环境振动源的振动频率通常在较宽的频率范围内随机变化，即存在振动能量收集器的工作频率与激励频率不匹配的矛盾，导致振动能量收集器输出性能低、工作频带窄，成为制约振动能量收集器实用化的关键因素。

为了解决该问题，近年来提出了一些新方法：Shad Roundy等人(SmartMaterialsStructures.2014,23(10):105004)利用非线性频带拓展方法提出了应用于胎压监测系统的宽频带振动能量收集器。通过振动能量收集器的安装方式实现偏移摆的动力学特性，通过约束在挡板之间运动的小球实现非线性双稳态特性，研制的器件拓展了振动能量收集器工作频带宽度。但该方法的频带拓展宽度仍然有限；且非线性结构需要引入磁铁等辅助机构，增加了振动能量收集器结构的复杂度。Wang Yu-Jen课题组(Sensors andActuators A: Physical.2019(285):25-34)利用离心力改变悬臂梁截面惯性矩调节振动能量收集器共振频率的方法提出了自调频振动能量收集器新结构。但该结构引入滚柱轴承，增加了结构的复杂度；同时该结构中的梯形梁在滚柱轴承中随着车速的变化来回移动，容易破坏压电材料或压电材料表面的电极，降低了器件可靠性低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种旋转式自调频振动能量收集器，利用转动过程中质量块自身的离心力改变质量块质心在主梁上的位置来调节振动能量收集器的共振频率，实现与激励频率相匹配，从而拓展振动能量收集器的工作频带范围、提高振动能量收集器的输出性能。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种旋转式自调频压电振动能量收集器，包括主梁、副梁、质量块和外框，主梁为压电梁，由压电层和衬底层构成，主梁的一端固定在外框上，主梁的另一端与质量块相连，副梁为弹性梁，副梁的一端与外框连接，副梁的另一端与质量块连接，质量块的中间设置有贯穿槽，质量块与主梁通过贯穿槽连接，质量块通过贯穿槽约束在主梁长度方向滑动，外框固定在旋转机构上，当旋转机构转动时，压电振动能量收集器在转动激励作用下发生振动而实现能量收集，质量块在离心力和副梁弹性力共同作用下，在主梁上发生滑动，调节压电振动能量收集器的谐振频率，实现与转动激励频率匹配。

本发明的进一步改进在于：所述压电梁为一端宽另一端窄的结构或为长方形。