一种基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置的制作方法

本发明涉及能量转化及收集领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置。

背景技术：

振动能量是自然界常见的能量形式。常用的振动能量采集装置有膜式、钹式、悬臂梁式。由于悬臂梁式振动能量采集具有结构简单、容易实现的优点，即使在较低的振动频率下也能保证高输出功率，所以悬臂梁式能量采集装置在振动能量采集中被广泛的关注。传统悬臂梁式振动能量采集装置的共振频率不可调、频带窄，降低了振动能量采集的效率。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供了一种基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，包括：振源、悬臂梁、压电材料块、质量块、加热部、形状记忆合金部，悬臂梁的一端固定在振源上，压电材料块设置在悬臂梁顶面上靠近固定端的部位，压电材料块与外部能量采集电路连接，质量块设置在悬臂梁顶面靠近自由端的部位，加热部设置在悬臂梁上、质量块和压电材料块之间，加热部与外部加热电路连接，形状记忆合金部设置在加热部上，形状记忆合金部为各向异性结构，形状记忆合金部的对称轴不沿悬臂梁方向。

更进一步地，形状记忆合金部的形状为长方形，长方形的长边与悬臂梁的方向之间的夹角大于30度、小于60度。

更进一步地，形状记忆合金部的形状为椭圆形，椭圆形的长轴与悬臂梁的方向之间的夹角大于30度、小于60度。

更进一步地，形状记忆合金部为开口的环形，环形所在平面法线方向与悬臂梁的方向之间的夹角大于30度、小于60度。

更进一步地，开口在悬臂梁的正上方。

更进一步地，形状记忆合金部延伸出悬臂梁。

更进一步地，形状记忆合金从悬臂梁的一侧延伸出悬臂梁。

更进一步地，悬臂梁的材料为铝合金、硅、半导体材料、金刚石。

更进一步地，压电材料块的材料为压电陶瓷或聚偏氟乙烯。

更进一步地，质量块的材料为铝合金。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，加热部设置在悬臂梁上、质量块和压电材料块之间，加热部与外部加热电路连接，形状记忆合金部设置在加热部上，形状记忆合金部为各向异性结构，形状记忆合金部的对称轴不沿悬臂梁方向。应用时，振源带动悬臂梁振动，压电材料块两侧产生电荷，外部电路采集压电材料块产生的电能。本发明应用加热部改变形状记忆合金部的温度，从而改变形状记忆合金部的质量分布，从而调节悬臂梁的共振频率。此外，形状记忆合金部为各向异性结构，并且对称轴不沿悬臂梁方向，从而导致悬臂梁上的杨氏模型分布产生各向异性，悬臂梁内不同部位之间的耦合导致悬臂梁固有振动频率的宽度增加，从而实现宽频能量收集。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置的示意图。

图2是基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置的俯视图。

图中：1、振源；2、悬臂梁；3、压电材料块；4、质量块；5、加热部；6、形状记忆合金部。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明提供了一种基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置。如图1所示，该能量收集装置包括振源1、悬臂梁2、压电材料块3、质量块4、加热部5、形状记忆合金部6。悬臂梁2的一端固定在振源1上。此外，悬臂梁2也可以通过其他连接件与振源1连接，例如通过韧性高的金属材料与振源1连接。悬臂梁2的材料为铝合金、硅、半导体材料、金刚石、氮化硅。压电材料块3设置在悬臂梁2顶面上靠近固定端的部位，压电材料块3与外部能量采集电路连接，用以收集压电材料块3产生的能量。压电材料块3的材料为压电陶瓷或聚偏氟乙烯。质量块4设置在悬臂梁顶面靠近自由端的部位。质量块4的材料为铝合金。加热部5设置在悬臂梁2上、质量块4和压电材料块3之间，加热部5与外部加热电路连接。加热部5的材料在此不做限制，当通电时，加热部5能够产生热量即可。优选地，加热部5的材料为掺杂的半导体材料，因为掺杂的半导体材料具有较好的韧性。如图2所示，形状记忆合金部6设置在加热部5上。形状记忆合金部6为各向异性结构，形状记忆合金部6的对称轴不沿悬臂梁2方向。形状记忆合金部6在不加热和加热后，根据温度的不同，具有不同的形状。优选地，形状记忆合金部6的材料为镍-钛合金。

应用时，振源1带动悬臂梁2振动，悬臂梁2挤压压电材料块3，压电材料块3两侧产生电荷，外部电路采集压电材料块3产生的电能。本发明应用加热部5改变形状记忆合金部6的温度，从而改变形状记忆合金部6的形状和质量分布，从而调节悬臂梁2的共振频率。此外，形状记忆合金部6为各向异性结构，并且对称轴不沿悬臂梁2方向，从而导致悬臂梁2上的杨氏模型分布产生各向异性，悬臂梁2内不同部位之间的耦合导致悬臂梁2固有振动频率的宽度增加，从而实现宽频能量收集。

更进一步地，形状记忆合金部6的形状为长方形，长方形的长边与悬臂梁的方向之间的夹角大于30度、小于60度。

更进一步地，形状记忆合金部6的形状为椭圆形，椭圆形的长轴与悬臂梁的方向之间的夹角大于30度、小于60度。

更进一步地，形状记忆合金部6为开口的环形，环形所在平面的法线方向与悬臂梁2的方向之间的夹角大于30度、小于60度。更进一步地，开口在所述悬臂梁2的正上方。也就是说，开口的环形在悬臂梁2的竖直方向，当形状记忆合金部6的温度增加时，开口的环形张开，更多地改变悬臂梁2的质量分布，更多地改变悬臂梁2的共振频率，提高磁场探测的灵敏度。

实施例2

在实施例1的基础上，形状记忆合金部6延伸出悬臂梁2。也就是说，当没有给加热部5加热时，形状记忆合金部6就已经伸出了悬臂梁。这样一来，当形状记忆合金部6的温度改变时，形状记忆合金部6的形貌改变更大，更多地改变悬臂梁2的质量分布和悬臂梁2的共振频率，提高磁场探测的灵敏度。更进一步地，形状记忆合金部6从悬臂梁2的一侧延伸出悬臂梁2。这样一来，增加了悬臂梁2侧向质量分布更大的变化，更多地改变了悬臂梁2的杨氏模量分布，增加了悬臂梁2不同部位间的耦合，增加了悬臂梁2共振频率的宽度，以实现更好的宽频能量收集。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于，包括：振源、悬臂梁、压电材料块、质量块、加热部、形状记忆合金部，所述悬臂梁的一端固定在所述振源上，所述压电材料块设置在所述悬臂梁顶面上靠近固定端的部位，所述压电材料块与外部能量采集电路连接，所述质量块设置在所述悬臂梁顶面靠近自由端的部位，所述加热部设置在所述悬臂梁上、所述质量块和所述压电材料块之间，所述加热部与外部加热电路连接，所述形状记忆合金部设置在所述加热部上，所述形状记忆合金部为各向异性结构，所述形状记忆合金部的对称轴不沿所述悬臂梁方向。

2.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述形状记忆合金部的形状为长方形，所述长方形的长边与所述悬臂梁的方向之间的夹角大于30度、小于60度。

3.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述形状记忆合金部的形状为椭圆形，所述椭圆形的长轴与所述悬臂梁的方向之间的夹角大于30度、小于60度。

4.如权利要求1所述的基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述形状记忆合金部为开口的环形，所述环形所在平面法线方向与所述悬臂梁的方向之间的夹角大于30度、小于60度。

5.如权利要求4所述的基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述开口在所述悬臂梁的正上方。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述形状记忆合金部延伸出所述悬臂梁。

7.如权利要求6所述的基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述形状记忆合金从所述悬臂梁的一侧延伸出所述悬臂梁。

8.如权利要求7所述的基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述悬臂梁的材料为铝合金、硅、半导体材料、金刚石。

9.如权利要求8所述的基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述压电材料块的材料为压电陶瓷或聚偏氟乙烯。

10.如权利要求9所述的基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，其特征在于：所述质量块的材料为铝合金。

技术总结
本发明提供了一种基于形状记忆合金的宽频悬臂梁能量收集装置，加热部设置在悬臂梁上、质量块和压电材料块之间，加热部与外部加热电路连接，形状记忆合金部设置在加热部上，形状记忆合金部为各向异性结构，形状记忆合金部的对称轴不沿悬臂梁方向。本发明应用加热部改变形状记忆合金部的温度，从而改变形状记忆合金部的质量分布，从而调节悬臂梁的共振频率。此外，形状记忆合金部为各向异性结构，并且对称轴不沿悬臂梁方向，从而导致悬臂梁上的杨氏模型分布产生各向异性，悬臂梁内不同部位之间的耦合导致悬臂梁固有振动频率的宽度增加，从而实现宽频能量收集。

技术研发人员：不公告发明人
受保护的技术使用者：金华伏安光电科技有限公司
技术研发日：2020.07.31
技术公布日：2020.10.09