一种多谐振振动能量采集装置的制作方法

本发明涉及环境能量采集相关技术领域，特别是一种多谐振振动能量采集装置。

背景技术：

近年来，面向无线传感器网络的环境能量采集技术(energyharvesting)受到关注，它可替代传统化学电池解决微型电子设备的供电问题。其中，振动能量是普遍赋存于各式机械设备、土木结构和人体运动中的一种环境能量，相比太阳能、风能、电磁辐射和温差，振动能量采集装置具有功率密度较高、受天气影响小、结构简单易微型化等特点，其技术成熟之后，有望在无线传感器网络中替代化学电池并应用于物联网、可穿戴电子设备和植入型医用传感器，以及能源、交通、航天和军用等领域。

压电式振动能量采集装置具有结构简单、输出电压高、无电磁干扰、可微型化等优点。目前，压电式能量采集装置多是利用其结构固有自振频率下的窄带响应来采集振动能量，而实际的环境中的振动通常是宽频激励，振动能量的分布具有随机性，窄频带的能量采集装置对此类振动源的适应性较差，导致能量采集很不充分、能量采集损失大。为了宽泛地采集振动能量，需要压电式采集装置在某一较小频域范围内具有多个谐振频率。

不同振动源的振动能量通常也会分布在不同频域范围，而传统多谐振采集装置的结构和固定条件一旦确定，既具有特定的谐振频率，因此针对不同振动源的匹配性不好。通常来说，采集装置的压电材料应粘合在基底结构应力分布最大处，此时机电耦合性能较好。但压电材料较脆，表面镀有电极，通过环氧树脂等材料和基底金属粘合之后无法拆卸，安装位置就被固定了。若不改变采集装置的结构，仅通过改变夹持和固定位置等边界条件来改变振动频率，首先同时调整多个振动模态的谐振频率的分布和振动性能比较困难，此外会导致振型的改变，进而影响结构的应力分布，此时虽然改善了与振动源的匹配，但可能造成压电材料安装位置和最大应力分布的位置不匹配，机电耦合性能下降。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术多个振动频率的分布、振动的机械和机电耦合性能和振源匹配性不好，以及采集装置结构固定不可调的及技术问题，提供一种多谐振振动能量采集装置。

本发明提供一种多谐振振动能量采集装置，包括：两片或两片以上层状叠放的梁状的基底层、一片或多片设置有输出电极的压电材料、以及一块或多块质量块，所述压电材料设置在所述基底层，所述质量块安装在所述基底层的上表面或者下表面，且相邻两所述基底层与至少一相同质量块连接，至少一所述基底层的一端设置有用于外部夹持的夹持位置。

进一步的，还包括将所述质量块或者所述压电材料固定在所述基底层的一个或多个夹片组。

更进一步的，每个所述夹片组包括两配合夹紧的夹片。

再进一步的，每个所述夹片组的至少一所述夹片中间设有凹陷部。

再进一步的，所述夹片组的两所述夹片分别设置在所述质量块的上方和下方，所述质量块容置于所述夹片的所述凹陷部中。

再进一步的，两所述夹片组分别夹紧所述压电材料的两端，且所述压电材料容置在所述夹片组的所述夹片的所述凹陷部中。

再进一步的，所述基底层包括从下往上依次平行叠放的第一基底层、以及第二基底层，所述第一基底层的第一端设置所述夹持位置，所述质量块包括第一质量块和第二质量块，所述第一基底层的第二端、以及在所述第一基底层的第二端上方的第二基底层的第二端分别与所述第一质量块连接，所述第二质量块设置在所述第二基底层上。

再进一步的，所述基底层包括从下往上依次平行叠放的第三基底层、第四基底层、以及第五基底层，所述第三基底层的第一端设置所述夹持位置，所述质量块包括第三质量块、第四质量块和第五质量块，所述第三基底层的第二端、以及在所述第三基底层的第二端上方的第四基底层的第二端分别与所述第三质量块连接，所述第四基底层的第一端、以及在所述第四基底层的第一端上方的第五基底层的第一端分别与所述第四质量块连接，在所述第四基底层的第二端上方的第五基底层的第二端上设置所述第五质量块。

再进一步的，所述基底层包括从下往上依次平行叠放的第六基底层、第七基底层、以及第八基底层，所述第七基底层的第一端设置所述夹持位置，所述质量块包括第六质量块、第七质量块、第八质量块和第九质量块，所述第七基底层的第二端、以及在所述第七基底层的第二端上方的第八基底层的第二端分别与所述第六质量块连接，所述第七基底层的中部、以及所述第六基底层的中部分别与所述第七质量块连接，在所述第八基底层的中部设置所述第八质量块，在所述第七基底层的第一端下方的第六基底层的第一端的底部设置所述第九质量块。

本发明可在某一频域范围内具有两个至多个谐振频率，并且可以通过调整结构和压电材料安装位置的方法任意调整多个振动模态下谐振频率的分布和振动性能。

附图说明

图1为本发明一实施例一种多谐振振动能量采集装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例一种多谐振振动能量采集装置的侧面示意图；

图3为本发明另一实施例一种多谐振振动能量采集装置的结构示意图；

图4为本发明再一实施例一种多谐振振动能量采集装置的结构示意图；

图5为本发明基底层的结构示意图；

图6为本发明质量块的结构示意图；

图7为本发明压电材料的结构示意图；

图8为本发明夹片的结构示意图；

图9为基底层数量和窄带采集装置的电能输出性能对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明一种多谐振振动能量采集装置的结构示意图，包括：两片或两片以上层状叠放的梁状的基底层11、12、一片或多片设置有输出电极的压电材料13、以及一块或多块质量块14、15，所述压电材料13设置在所述基底层11，所述质量块14、15安装在所述基底层11、12的上表面或者下表面，且相邻两所述基底层与至少一相同质量块连接，至少一所述基底层的一端设置有用于外部夹持的夹持位置10。

具体来说，如图5所示，基底层11、12为梁状结构。基底层11的一端在夹持位置10被夹持，固定安装在振动源上，形成悬臂梁结构。如图6所示，质量块14、15优选为方形。其中，质量块14安装在基底层11上表面，质量块的安装位置可以任意移动。基底层15在质量块14上表面，通常来说基底层11和12可以是平行且首尾对齐的，但也可以根据需要进行调整。基底层12上亦可以安装质量块15，质量块15上亦可以安装另外的基底层，层层重叠。上述重叠方式是从基底层11的上方进行安装，此外基底层11的下表面也可以安装质量块，质量块下表面可以安装另外的基底层，重叠方式与向上方重叠类似。由于质量块具有一定的高度，起到固定每层基底层的作用，每层基底层都可以看作悬臂梁结构。与此同时，质量块有一定的重量，根据质量位置的不同可以起到调节谐振频率的作用。

通过仿真建模分析可以得到不同基底层应力分布最大的区域，如图7所示压电材料13为片状结构。压电材料设置有输出电极，优选地，在压电材料的上下表面分别设置用于与负载连接的正负电极，压电材料将机械振动转换为电能并输出到负载。压电材料可以根据需求安装在基底层11的任意位置上，也可以安装在其他基底层的任意位置上。

本发明可在某一频域范围内具有两个至多个谐振频率，并且可以通过调整结构和压电材料安装位置的方法任意调整多个振动模态下谐振频率的分布和振动性能。

在其中一个实施例中，还包括将所述质量块或者所述压电材料固定在所述基底层的一个或多个夹片组16。

如图8所示，在其中一个实施例中，每个所述夹片组16包括两配合夹紧的夹片161。

固定用的夹片成对出现，以夹紧基底层、质量块、或者压电材料。两夹片的夹紧方式，优选为在夹片两端设置螺栓通孔163，进行螺栓连接。

在其中一个实施例中，每个所述夹片组的至少一所述夹片161中间设有凹陷部162。

夹片中间内凹的凹陷部可镶嵌在基底层、质量块、或者压电材料上。

在其中一个实施例中，所述夹片组16的两所述夹片161分别设置在所述质量块的上方和下方，所述质量块容置于所述夹片的所述凹陷部中。

在其中一个实施例中，两所述夹片组16分别夹紧所述压电材料的两端，且所述压电材料13容置在所述夹片组的所述夹片的所述凹陷部中。

本实施例在压电材料两端分别设置一夹片组16，以夹紧压电材料13。

在其中一个实施例中，设置所述夹持位置10的所述基底层11为主基底层，所述压电材料13设置在所述主基底层上。

由于设置夹持位置的主基底层其应力一般较高，因此本实施例将压电材料设置在主基底层，从而提高机械振动转换为电能的转换效率。

在其中一个实施例中，所述压电材料13紧邻所述夹持位置10。

夹持位置附近的应力最高，本实施例压电材料紧邻夹持位置设置，使得转换效果最高。

如图1和图2所示，在其中一个实施例中，所述基底层包括从下往上依次平行叠放的第一基底层11、以及第二基底层12，所述第一基底层11的第一端设置所述夹持位置10，所述质量块包括第一质量块14和第二质量块13，所述第一基底层11的第二端、以及在所述第一基底层11的第二端上方的第二基底层12的第二端分别与所述第一质量块14连接，所述第二质量块15设置在所述第二基底层12上。

本实施例采集装置在位置10处被夹持固定，该装置包含两个基底层11和12，包含两个质量块14和15，压电材料13被固定在基底层11夹持位置10附近的位置，夹片组16一共使用四组。

如图3所示，在其中一个实施例中，所述基底层包括从下往上依次平行叠放的第三基底层31、第四基底层32、以及第五基底层33，所述第三基底层31的第一端设置所述夹持位置30，所述质量块包括第三质量块34、第四质量块35和第五质量块36，所述第三基底层31的第二端、以及在所述第三基底层31的第二端上方的第四基底层32的第二端分别与所述第三质量块34连接，所述第四基底层32的第一端、以及在所述第四基底层32的第一端上方的第五基底层33的第一端分别与所述第四质量块35连接，在所述第四基底层32的第二端上方的第五基底层33的第二端上设置所述第五质量块36。

本实施例采集装置在位置30处被夹持固定，该装置包含三个基底层31、32、33，包含三个质量块34、35、36，压电材料37被固定在被夹持的基底层31夹持位置30附近的位置，夹片组38一共使用五组。

如图4所示，在其中一个实施例中，所述基底层包括从下往上依次平行叠放的第六基底层41、第七基底层42、以及第八基底层43，所述第七基底层42的第一端设置所述夹持位置40，所述质量块包括第六质量块44、第七质量块45、第八质量块46和第九质量块47，所述第七基底层42的第二端、以及在所述第七基底层42的第二端上方的第八基底层43的第二端分别与所述第六质量块44连接，所述第七基底层42的中部、以及所述第六基底层41的中部分别与所述第七质量块45连接，在所述第八基底层43的中部设置所述第八质量块46，在所述第七基底层42的第一端下方的第六基底层41的第一端的底部设置所述第九质量块47。

本实施例采集装置在位置40处被夹持固定，该装置包含三个基底层41、42、43，包含四个质量块44、45、46、47，压电材料48被固定在被夹持的基底层42夹持位置40附近的位置，夹片组49一共使用六组。

本发明中的采集装置还可以设置更多的基底层，比如四个基底层，每个基底层均可以根据应力分布布置压电材料。当振动源改变或者振动能量分布频域发生变化，可以通过重新调整质量块，压电片，乃至基底层的位置，优化对振源的匹配性和输出性能。

传统窄带采集装置实际上只包含一个基底层，而该发明中的多层多谐振采集装置可以通过调整结构，改变每个共振峰的频率和性能，以提升对振动源的匹配性，达到采集更多振动能量的目的。基底层的数量越多，在某一频域内分布的共振峰数量越多。基底层数量和窄带采集装置的电能输出性能对比如图9所示。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。