三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置及其方法
【专利摘要】本发明涉及三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置及其方法。主要包括：横向振子和纵向振子两部分构成，其中横向振子由下振子和上振子两部分组成，具体包括横向振动导出片、蛇形导电电极、压电纤维复合物、绝缘层、钕铁硼永磁体；纵向振子由后振子前振子和两部分组成，具体包括其中纵向振动导出片、蛇形导电电极、压电纤维复合物、绝缘层、钕铁硼永磁体。通过三维驱动双晶片变截面体系大幅度提高了能量俘获效率，解决了目前无线数据采集装置的能量供给问题，使得基于无线网络的大数据量实时监测成为可能，对形成智能化、集成化的结构健康监控网络，实现自主式、动态的结构健康监测体系具有重要的意义。
【专利说明】三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置及其方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置及其方法。
【背景技术】
[0003]振动能量俘获自供电技术是一种将振动机械能转换为电能的方法。近年来，无线传感器等技术广泛应用于工业领域，然而传统的无线传感器网络节点往往采用电池供电，一方面，定期更换电池不仅影响无线传感器网络的正常工作、工作量大、成本高，而且有些应用领域电池更换极不方便；另一方面，极大的制约了传感器节点的计算能力、通讯能力、存储能力以及数据采集能力，是无线传感器网络在工业应用中的关键瓶颈。
[0004]因此，研究一种可以从周围环境的持续振动中获取电能，即振动能量捕获自供电技术，正越来越受到重视。潜在的应用领域包括设备状态监测、结构健康监测、环境监测等。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是要提供了振动能量俘获自供电装置及其方法，一方面可以解决传统无线传感器网络技 术存在的由电池供电而带来的定期更换、使用成本高的问题，另一方面可以解决目前自供电无线传感器网络俘能技术效率低、能量供给不足的问题，可以本质上解决监测领域对无线传感器网络计算能力、通信能力、数据采集能力对能量供给的需求。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置，包括横向振子和纵向振子两部分构成，其中横向振子由下振子和上振子两部分组成，具体包括横向振动导出片、蛇形导电电极、压电纤维复合物、绝缘层、钕铁硼永磁体；纵向振子由后振子前振子和两部分组成，具体包括其中纵向振动导出片、蛇形导电电极、压电纤维复合物、绝缘层、钕铁硼永磁体，横向振子和纵向振子包含在防磁外罩内。
[0007]进一步的，四个两两相对成井字形的变截面梁，两两相对的成井字形的变截面梁的相对面各有一片同极钕铁硼永磁体，同时对侧的永磁体与另一侧也是同极的，每个梁一端与壳体固定连接，同时自供电装置一侧与被监测构件的竖直切线平行，另一侧与被监测构件的水平切线平行。
[0008]进一步的，中间主梁两边各有一层防止压电片电荷泄漏的陶瓷层，压电片材料由陶瓷或聚合物构成，压电片上用来传输电荷的电极采用叉指电极，更有效地传输电荷。
[0009]进一步的，采用防磁外罩，以消除永磁体振动产生的电磁影响。
[0010]一种基于三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置的方法，由以下步骤实现:
步骤一、外界振动传导到三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置，通过振动片将包括横向与纵向的振动能转变为自身的振动； 步骤二、横向或者纵向振动能量大的一侧，振幅大于另一侧，使得振幅大的一侧先振动，另一侧在永磁极的带动下随机发生振动；当振幅相当时，将会同时起振；
步骤三、振子振动带动压电纤维复合物的振动，进而产生电能，通过蛇形导电电极向外传输，实现能量的俘获。
[0011]本发明的三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置及其方法的俘能效率非常高。同时，可避免电池的使用带来的电能耗尽二次更换问题，以及电池不稳定性的问题，可避免节点使用过程中出现信号的不连续性问题。由于本发明的自供电装置能够实时的将机械振动能转换为电能，因此也不需要昂贵的节能器件，大幅度降低无线传感器网络的制造成本。在此基础上可以构建无需电池供电、部署灵活、扩展性强、安装维护方便的结构健康监测系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1表示三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置的示意图，图1A为正视图，图1B为俯视图；
图2表示变截面梁阵子的示意图，图2A为俯视图，图2B为正视图；
图3表示悬臂梁组协同振动的三大类运动情形分类示意图，图3A为横向振动大于纵向振动的运动情形，图3B为横向振动小于纵向振动的运动情形，图3C为横向振动等于纵向振动的运动情形，其中，每一大类运动情形又分为六小类。
[0013]图中，一、横向振子，二、纵向振子，a、下振子,b、振子，C、后振子，d、前振子，1、横向振动导出片，2、蛇形导电电极，3、压电纤维复合物，4、绝缘层，5、钕铁硼永磁体，6、纵向振动导出片，7、蛇形导电电极，8、压电纤维复合物，9、绝缘层，10、钕铁硼永磁体，11、防磁外罩。
【具体实施方式】
[0014]在本发明的一个实施方式中，包含两对安装平面相互垂直的压电振子:横向振子(一)和纵向振子(二)，横向振子(一)包括了:横向振动导出片、蛇形导电电极、压电纤维复合物、绝缘层、钕铁硼永磁体五部分。纵向振子(二)包括了:纵向振动导出片、蛇形导电电极、压电纤维复合物、绝缘层、钕铁硼永磁体五部分。两对压电振子的组合方式见附图1，两对压电振子之间呈相互垂直关系，并且其中一对压电振子的安装平面与轨道的竖直一侧垂直，另外一对压电振子贴近被监测结构的水平侧与水平一侧平行，且振子端部的两对永磁体内侧为相同磁极。
[0015]在本发明的另一个实施方式中，所述压电振子的结构是弹性基板上下两侧各覆盖一层绝缘粘接层防止电荷外泄，然后在通过粘接层将压电纤维复合物进行粘接，压电片的表面镀有蛇形导电电极(增大电极的导电面积)，永磁体固定在变截面悬臂梁的自由端。
[0016]在本发明的另一个实施方式中，同一压电振子的上下两层压电纤维采用串联连接，不同压电振子之间的压电纤维采用并联连接，压电纤维之间的串联可提高输出电压，压电纤维之间的并联可提高输出电流。
[0017]本发明的自供电方法，在于依靠结构受到来自外部不断变化的振动激励，结构的振动频率处个一个范围，这个范围包括了悬臂梁的共振频率，从而延长向能量收集存储电路供应电能的持续时间。[0018]在本发明的装配过程中，安装悬臂梁的外罩采用防磁外罩，以消除在悬臂梁振动过程中因为高频振动产生电磁信号而对信号检测产生的不利影响。
[0019]三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置及其方法，它由以下步骤来实现:
步骤一、外界振动传导到自供电装置，通过振动片(I或6)将振动能(包括横向振动能与纵向振动能)转变为自身的振动；
步骤二、振动片的振动带动压电纤维复合物(3或8)振动，压电振子(一或二)的振动情形分三种情况:(以正视图为对象进行描述)
(i)对于纵向振动大于横向振动的情形，横向阵子(一)的a振子首先向上起振,b振子在斥力作用下进而向上振动；纵向振子(二)的c振子会因为横向振动而向前振动，但因纵向振动大于横向振动，使得横向阵子(一)的振幅大于纵向振子(二)的振幅，所以当c振子起振的时候，a振子会对其产生斥力阻止其振动，在纵向振动远大于横向振动时，c振子向后振动，而d振子会在a振子的斥力下向前振动；a、b振子回弹，C、d振子也同时回弹,然后a振子在b振子的斥力作用下向下振动，C、d振子因相互之间的斥力作用加上b振子向下运动产生的斥力作用，使得c振子再次向后振动，d振子再次向前振动。振动如此进行，周而复始；
(ii)对于横向振动大于纵向振动的情形，纵向振子(二)的c振子首先向前起振，d振子在斥力作用下进而向前振动；横向振子(一)的a振子会因为纵向振动而向上振动，但因横向振动大于纵向振动，使得纵向阵子(二)的振幅大于横向振子(一)的振幅，所以当a振子起振的时候，c振子会对其产生斥力阻止其振动，在横向振动远大于纵向振动时，a振子会因斥力作用而向下振动，b振子会在c振子的斥力作用下向上振动；c、d振子回弹，a、b振子也同时回弹，然后c振子在d振子的斥力作用下向后振动，a、b振子因相互之间的斥力作用加上d振子向后运动产生的斥力作用，使得a振子再次向下振动，b振子再次向上振动。振动如此进行,周而复始；
(iii)对于横向振动等于纵向振动的情形，a、c振子同时起振，相互之间用因为磁极的斥力作用使得振幅减小，但斥力相比于振动片导出的振动要小，从而使得a向上运动，c向前运动，在斥力作用下，b、d也分别向上向前振动；b、d回弹，b、d也会因磁极的斥力作用而振幅减小，但斥力相比于振动力也要小，所以b向下振动，d向后运动，在斥力作用下，a、c也分别向下向后运动。
[0020]步骤三、振子振动带动压电纤维复合物的振动，进而产生电能，通过蛇形导电电极向外传输，实现能量的俘获。
[0021]本发明的优点在于:三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置及其方法的俘能效率非常高，最少是两个悬臂梁振动，大部分时间是四个悬臂梁同时振动，而且由于被监测结构的振动处在一个频率范围，永磁体的加入使得压电振子的共振频率降低处在钢轨的振动频率范围内，因此压电振子在振动过程中会出现共振的情形，进一步提高了自供电体系的俘能效率。同时，可避免电池的使用带来的电能耗尽二次更换问题，以及电池不稳定性的问题；可避免节点使用过程中出现信号的不连续性问题。由于本发明的自供电装置能够实时的将机械振动能转换为电能，因此也不需要昂贵的节能器件，大幅度降低无线传感器网络的制造成本。在此基础上可以构建无需电池供电、部署灵活、扩展性强、安装维护方便的结构健康监测系统。
[0022]上述技术方案仅体现了本发明的技术方案的优选技术方案，本【技术领域】的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置，其特征在于:包括横向振子(一)和纵向振子(二)两部分构成，其中横向振子(一)由下振子(a)和上振子(b)两部分组成，具体包括横向振动导出片(I)、蛇形导电电极(2)、压电纤维复合物(3)、绝缘层(4)、钕铁硼永磁体(5);纵向振子(二)由后振子(c)前振子(d)和两部分组成，具体包括其中纵向振动导出片出)、蛇形导电电极(7)、压电纤维复合物(8)、绝缘层(9)、钕铁硼永磁体(10)，横向振子和纵向振子包含在防磁外罩(11)内。
2.根据权利要求1所述的一种三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置，其特征在于:四个两两相对成井字形的变截面梁，两两相对的成井字形的变截面梁的相对面各有一片同极钕铁硼永磁体，同时对侧的永磁体与另一侧也是同极的，每个梁一端与壳体固定连接，同时自供电装置一侧与被监测构件的竖直切线平行，另一侧与被监测构件的水平切线平行。
3.根据权利要求2所述的一种三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置，其特征在于:中间主梁两边各有一层防止压电片电荷泄漏的陶瓷层，压电片材料由陶瓷或聚合物构成，压电片上用来传输电荷的电极采用叉指电极。
4.根据权利要求1所述的一种三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置，其特征在于:采用防磁外罩，以消除永磁体振动产生的电磁影响。
5.一种基于权利要求1所述的三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置的方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、外界振动传导到权利要求1所述的三维驱动双晶片变截面的振动能量俘获自供电装置，通过振动片(I或6)将包括横向与纵向的振动能转变为自身的振动； 步骤二、横向或者纵向振动能量大的一侧，振幅大于另一侧，使得振幅大的一侧先振动，另一侧在永磁极的带动下随机发生振动；当振幅相当时，将会同时起振； 步骤三、振子振动带动压电纤维复合物的振动，进而产生电能，通过蛇形导电电极向外传输，实现能量的俘获。
【文档编号】H02N2/18GK103944447SQ201410128898
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】杨斌, 刘国俊 申请人:北京科技大学