一种力‑电‑流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器的制作方法

本实用新型涉及新能源与微电子器件供能技术领域，具体涉及一种力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器。

背景技术：

随着微制造技术和现代集成电路的迅速发展，大量的电子产品，如健康监测仪、无线传感器心率起搏器等，显示出高精度、小型化和低功耗等特点。例如，用于结构健康监测的传感器在正常工作时所需的平均功率不到48μW。目前，这些电子产品通常采用有线输电或借助电池以实现能量供给。然而，有线输电会造成铺线困扰，特别是对于远距离、环境较恶劣的偏远地区；而电池供电具有寿命短、环保性差、维护成本高等缺点，这无疑给工程界带来巨大挑战。鉴于此，一些新型的“能量采集”技术应运而生。迄今，一种可能的途径是将自然环境中废弃的能量转化为可利用的电能，以期减少或取代对电池或有线输电方式的长期依赖。

目前，主要有三种方式将环境中的振动能量转换为电能：电磁、静电和压电换能机制。与其它发电原理相比，压电换能的最大优势在于结构简单，易于制作成各种所需尺寸和形状，便于与微机电系统集成或置于系统内部，并且压电俘能产生的电压比较大。

流致振动现象包括涡激振动、驰振、颤振等。其中，驰振和颤振是随着流速或风速的增大逐渐增大。而涡激振动是一种自激和自限的振动现象，当流速在某一范围内时，结构会发生共振响应产生较大输出电压。这样可以避免因较大流速或风速导致结构发生大的变形，从而引起梁或压电结构的破坏。因此，涡激振动能量采集具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

基于上述现有技术，本实用新型提供了一种力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器，该采集器结构简单，其是在引入非线性磁铁力(单稳态或双稳态特征)的作用下，进而提高涡激振动强度，增大锁频区域(共振流速范围)，以期增强能量采集器的环境适应能力，提高能量采集效率。

实现本实用新型上述目的所采样的技术方案为：

一种力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器，包括上顶板、下底板、支撑柱、悬臂梁、双压电晶片、圆柱体、上磁力机构和下磁力机构，上顶板平行于下底板，支撑柱的两端分别固定于上顶板和下底板上，支撑柱垂直于上顶板和下底板，悬臂梁的一端通过夹紧机构安装于支撑柱的中部上，另一端固定在圆柱体侧壁的中部上，圆柱体悬空且位于上顶板和下底板之间，圆柱体平行于支撑柱，悬臂梁垂直于支撑柱，双压电晶片对称固定于悬臂梁的侧壁上，上磁力机构包括上永磁铁、上斥力磁铁和两块上吸引力磁铁，下磁力机构包括下永磁铁、下斥力磁铁和两块下吸引力磁铁，上永磁铁和下永磁铁分别固定于圆柱体上下两端面的中央，上斥力磁铁和两块上吸引力磁铁均固定于上顶板上，且两块上吸引力磁铁对称分布于上斥力磁铁的两侧，下斥力磁铁和两块下吸引力磁铁均固定于下底板上，且两块下吸引力磁铁对称分布于下斥力磁铁的两侧，上斥力磁铁位于上永磁铁的正上方，下斥力磁铁位于下永磁铁的正下方。

所述的夹紧机构包括两块夹板和多个螺栓，两夹板位于同一侧的端部固定于支撑柱上，悬臂梁的一端位于两夹板之间并贴紧两夹板，且悬臂梁通过多个螺栓固定在两夹板上。

还包括整流电路和超级电容，超级电容通过整流电路与双压电晶片连接，所述的整流电路由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8和电阻R2，在振动的正半周，二极管D2和二极管D4导通，二极管D5和二极管D7导通，并联后连接电阻R1和超级电容C1；在振动的负半周，二极管D1和二极管D3导通，二极管D6和二极管D8导通，并联后连接电阻R2和超级电容C1。

上斥力磁铁和上永磁铁的间距以及下斥力磁铁和下永磁铁的间距均为0.5-2cm，其中一块上吸引力磁铁与上斥力磁铁的间距为2-5cm，其中一块下吸引力磁铁与下斥力磁铁的间距为2-5cm。

所述的上斥力磁铁、上永磁铁、上吸引力磁铁、下斥力磁铁、下永磁铁和下吸引力磁铁均呈纽扣状。

所述圆柱体的材质为挤塑板，双压电晶片的材质为压电纤维复合材料。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果和优点在于：

1、该采集器利用压电效应在振动条件下俘能，在风载和磁力的耦合作用下，有效的增加了压电在单独风载作用下较小的锁定范围，更有利于在较小风速或者较大风速下俘获风能，增加了采集器的环境适应能力。

2、该采集器是一种风-磁耦合作用供能的压电式俘能器，由于磁斥力或磁吸引力的引入使得圆柱体涡激振动发生变化，从而使悬臂梁的振幅和振动频率都发生了变化，进而使得能量采集器俘获的电压和功率均有所提高，增强了能量采集器的俘能效果。

附图说明

图1为本实用新型的力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器的结构示意图。

图2为图1中I的局部示意图。

图3为本实用新型的力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器工作流程示意图。

图4为整流电路连接的电路图。

图5为本实用新型的能量采集器产生的功率随风速变化而变化的规律图。

图6为试验一中测量能量采集器俘获能量的连接电路图。

其中，1-上顶板、2-下底板、3-支撑柱、4-悬臂梁、5-双压电晶片、6-圆柱体、7-上永磁铁、8-上斥力磁铁、9-上吸引力磁铁、10-下永磁铁、11-下斥力磁铁、12-下吸引力磁铁、13-夹板、14-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供的力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器的结构示意图如图1所示，该采集器包括上顶板1、下底板2、支撑柱3、悬臂梁4、双压电晶片5、圆柱体6、上磁力机构、下磁力机构、整流电路和超级电容。圆柱体的材质为挤塑板。双压电晶片的材质为压电纤维复合材料，相比普通压电陶瓷，其优点在于发电效率更高。

上顶板1平行于下底板2，支撑柱3的两端分别固定于上顶板1和下底板2上的同一侧上，支撑柱3垂直于上顶板1和下底板2。悬臂梁4的一端通过夹紧机构安装于支撑柱3的中部上，悬臂梁是弹性的，而且很薄，比较容易振动。如图2所示，夹紧机构包括两块夹板13和两个螺栓14，两夹板13位于同一侧的端部焊接于支撑柱3上，悬臂梁4的一端位于两夹板13之间并贴紧两夹板，且悬臂梁4通过两个螺栓14固定在两夹板上。悬臂梁4的另一端插入圆柱体6侧壁的中部中并通过胶水固定。圆柱体6悬空且位于上顶板1和下底板2之间，圆柱体6平行于支撑柱3，悬臂梁4垂直于支撑柱3。双压电晶片5通过粘贴的方式对称固定于悬臂梁4的侧壁上。

上磁力机构包括上永磁铁7、上斥力磁铁8和两块上吸引力磁铁9，下磁力机构包括下永磁铁10、下斥力磁铁11和两块下吸引力磁铁12，上斥力磁铁7、上永磁铁8、上吸引力磁铁9、下斥力磁铁10、下永磁铁11和下吸引力磁铁12均呈纽扣状。上永磁铁7和下永磁铁10通过粘贴的方式分别固定于圆柱体6上下两端面的中央。上斥力磁铁8和两块上吸引力磁铁9均通过粘贴的方式固定于上顶板1上，且两块上吸引力磁铁9对称分布于上斥力磁铁8的两侧，其中一块上吸引力磁铁与上斥力磁铁的间距为3cm。下斥力磁铁10和两块下吸引力磁铁11均通过粘贴的方式固定于下底板2上，且两块下吸引力磁铁12对称分布于下斥力磁铁11的两侧，其中一块下吸引力磁铁与下斥力磁铁的间距为3cm。上斥力磁铁8位于上永磁铁7的正上方，上斥力磁铁和上永磁铁的间距为1cm。下斥力磁铁11位于下永磁铁10的正下方，下斥力磁铁和下永磁铁的间距为1cm。上斥力磁铁8、上永磁铁7、下斥力磁铁11和下永磁铁10、圆柱体6的轴线在同一条线上。

超级电容通过整流电路与双压电晶片连接，整流电路将交流电转化为直流电。如图4所示，整流电路由二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电阻R1、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8和电阻R2，在振动的正半周，二极管D2和二极管D4导通，二极管D5和二极管D7导通，并联后连接电阻R1和超级电容C1；在振动的负半周，二极管D1和二极管D3导通，二极管D6和二极管D8导通，并联后连接电阻R2和超级电容C1。

该采集器的工作原理如下：

如图3所示，当横向流(风)经过圆柱体且流速在某一范围时，圆柱体产生漩涡脱落发生涡激振动，从而带动悬臂梁和双压电晶片发生往复振动，产生应变；在振动过程中，双稳态磁铁力可由永磁铁和斥力磁铁来实现(无需吸引力磁铁)；单稳态磁铁力可由永磁铁和吸引力磁铁实现(无需斥力磁铁)；这种非线性单稳态或双稳态磁铁力的引入，有望增大圆柱体的涡激振动幅值和共振流速范围，从而提供能量采集性能和效率；双压电晶片会随悬臂梁振动发生应变，产生交变电压，通过与外部整流电路相接可以输出可利用的直流电压，再通过超级电容储存电能，进而为传感器或微机电设备供能。

实验一、本实用新型的力-电-流体耦合作用的非线性涡激振动能量采集器的能量俘获实验

实验方法：

将上述实施例的能量采集器于风洞之中，电阻R为400千欧(为方便实验，只外接电阻R)，电路中安装电压表，测量电压，如图6所示，调节风速大小，得到不同风速下的电压均方根，进而得到不同风速下的平均功率值。

将上述实施例的能量采集器中的各种磁铁去掉，作为无磁力的对照组装置进行实验。

实验结果：

实验结果如图5所示，从图5可以看出，相比较没有磁力作用下，本实用新型的能量采集器(磁力和风力耦合)能提高能量采集效率和对提高锁定区间有比较明显的作用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所做的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如改变质量块磁铁形状，改变磁铁间距，都应当视为属于本实用新型的保护范围。