本發(fā)明屬于能量收集領(lǐng)域，涉及一種能量收集裝置，具體涉及一種多臂耦合型碰撞式壓電能量收集裝置，可用于將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

背景技術(shù)：

能量收集裝置能夠從周?chē)h(huán)境中獲取能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能。利用能量收集裝置對(duì)設(shè)備或電路進(jìn)行供電，與傳統(tǒng)的電池供電方式相比，可以降低因更換電池產(chǎn)生的維護(hù)成本以及因電池電能耗盡帶來(lái)的工作故障。

目前，能量收集裝置根據(jù)收集和轉(zhuǎn)化的對(duì)象和原理的不同，可以分為光伏能量收集裝置、熱電能量收集裝置和壓電能量收集裝置三類(lèi)。其中，壓電能量收集裝置，利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)將周?chē)h(huán)境中的振動(dòng)能量收集并轉(zhuǎn)化為電能。壓電效應(yīng)，分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電材料產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，在壓電材料表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象。逆壓電效應(yīng)是指對(duì)壓電材料施加交變電場(chǎng)引起材料機(jī)械變形的現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置，包括基座，彈性基板，壓電片，質(zhì)量塊和兩個(gè)電極。彈性基板的一端由基座固定；壓電片粘貼在彈性基板上表面，用于感知周?chē)h(huán)境中的振動(dòng)；質(zhì)量塊固定在彈性基板的自由端，用于調(diào)整壓電能量收集裝置自身的諧振頻率；兩個(gè)電極分別焊接在壓電片的上表面和彈性基板的下表面，作為電荷的輸出接口。傳統(tǒng)的壓電能量收集裝置能夠感知環(huán)境中的振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為電能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但其采用單壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此只具有單一的諧振頻率，而且，其諧振頻率過(guò)高，無(wú)法與環(huán)境中的低頻振動(dòng)的頻率相匹配，實(shí)現(xiàn)高效地能量轉(zhuǎn)化。

為了提高壓電能量收集裝置的轉(zhuǎn)換效率，科研人員提出了多種改善能量收集裝置性能的方法。這些方法可以分為如下三類(lèi)：自適應(yīng)諧振、多模態(tài)和頻率變換。其中，自適應(yīng)諧振，是指壓電能量收集裝置通過(guò)自動(dòng)地調(diào)整自身的諧振頻率，與環(huán)境中的振動(dòng)頻率相匹配達(dá)到諧振的效果，從而拓寬能量收集裝置的頻帶寬度，但是在調(diào)節(jié)過(guò)程中，需要不斷地檢測(cè)壓電懸臂梁的振動(dòng)幅度，同時(shí)調(diào)節(jié)壓電懸臂梁的諧振頻率，這在實(shí)際中是難以實(shí)現(xiàn)的；多模態(tài)，是指壓電能量收集裝置具有多個(gè)不同諧振頻率，且在不同的諧振頻率附近具有不同的振動(dòng)傳輸參數(shù)，即通過(guò)增加諧振點(diǎn)數(shù)目實(shí)現(xiàn)能量收集裝置頻帶寬度的拓寬，但是，并不是所有模態(tài)都能夠有效地傳輸?shù)皖l振動(dòng)，大部分模態(tài)由于諧振頻率過(guò)高，無(wú)法與環(huán)境中的低頻振動(dòng)頻率相匹配，成為無(wú)用模態(tài)；頻率變換，是指將環(huán)境中頻率較低的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為頻率較高的壓電懸臂梁的振動(dòng)。目前，常見(jiàn)的頻率變換方式有：磁耦合和碰撞。其中碰撞是指將環(huán)境中的低頻振動(dòng)能量以碰撞的形式傳遞給壓電懸臂梁，使壓電懸臂梁以自然頻率振動(dòng)，從而達(dá)到使壓電材料發(fā)生形變，產(chǎn)生電荷的目的。例如：授權(quán)公告號(hào)為CN101714834B，名稱(chēng)為“碰撞式壓電振動(dòng)能量收集裝置”的發(fā)明專(zhuān)利，公開(kāi)了一種碰撞式壓電振動(dòng)能量收集裝置，該裝置包括支撐基片、墊片、振動(dòng)塊、固定塊等；支撐基片固定在墊片上，墊片固定在振動(dòng)塊上，振動(dòng)塊在環(huán)境振動(dòng)或沖擊的作用下與固定塊之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與固定塊發(fā)生碰撞，碰撞后支撐基片帶動(dòng)壓電層以其自振頻率振動(dòng)。所述支撐基片為壓電材料或固定有壓電層。所述支撐基片上有質(zhì)量塊。本發(fā)明可以有效地收集低頻、高強(qiáng)度沖擊的振動(dòng)能量，緩解了因低頻振動(dòng)與收集裝置的諧振頻率不易匹配、頻帶寬度太窄造成的能量收集效率低的問(wèn)題。但是，由于該能量收集裝置采用單壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此其仍然具有諧振頻率單一，頻帶寬度較窄的問(wèn)題，并且由于該結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生電荷的支撐基板與振動(dòng)塊連接不夠緊密，致使振動(dòng)塊碰撞后得到的能量只有一部分傳遞到支撐基板上，從而降低了能量收集的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出了一種多臂耦合型碰撞式壓電能量收集裝置，用于解決現(xiàn)有壓電能量收集裝置中存在的因諧振頻率單一和頻帶寬度較窄導(dǎo)致的能量收集效率低的技術(shù)問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種多臂耦合型碰撞式壓電能量收集裝置，包括外框1和壓電振子2，其特征在于：還包括單擺結(jié)構(gòu)4，所述壓電振子2，至少包括第一壓電振子21和第二壓電振子22，所述第一壓電振子21和第二壓電振子22平行排列，其底端被固定在第一基板3上，該兩個(gè)壓電振子21，22之間的距離小于任一壓電振子諧振時(shí)的振動(dòng)幅度；所述單擺結(jié)構(gòu)4包括第二基座41、連桿42、擺桿43和撞擊球44，所述連桿42的底端固定在第二基座41上，其頂端與擺桿43的上端活動(dòng)連接，所述擺桿43的下端與撞擊球44相連；所述外框1采用至少一個(gè)面開(kāi)口的腔體結(jié)構(gòu)，所述第一基座3和第二基座41安裝在外框1的底面上，該外框1靠近單擺結(jié)構(gòu)4的一側(cè)設(shè)置有第一磁體5，靠近壓電振子2的頂部設(shè)置有第二磁體6；所述撞擊球44的擺動(dòng)方向與第一壓電振子21和第二壓電振子22的排列方向一致。

上述第一壓電振子21，包括第一彈性基板211、第一壓電片212、第一質(zhì)量塊213和第一電極214；所述第一壓電片212粘貼在第一彈性基板211上，所述第一質(zhì)量塊213設(shè)置在第一彈性基板211的自由端，所述第一電極214采用導(dǎo)電膠粘劑粘接在第一壓電片212上。

上述第二壓電振子22，包括第二彈性基板221、第二壓電片222、第二質(zhì)量塊223和第二電極224；所述第二壓電片222粘貼在第二彈性基板221上，所述第二質(zhì)量塊223設(shè)置在第二彈性基板221的自由端，所述第二電極224采用導(dǎo)電膠粘劑粘接在第二壓電片222上。

上述第一彈性基板211和第二彈性基板221，均采用彈性良導(dǎo)體材料，且第一彈性基板211的長(zhǎng)度小于第二彈性基板221的長(zhǎng)度；所述第一壓電片212和第二壓電片222，均采用壓電材料，且第一壓電片212的長(zhǎng)度小于第二壓電片222的長(zhǎng)度；所述第一質(zhì)量塊213和第二質(zhì)量塊223質(zhì)量大小不同；所述第一電極214和第二電極224均采用良導(dǎo)體材料。

上述擺桿43，采用輕質(zhì)剛性材料，且長(zhǎng)度可調(diào)，用于實(shí)現(xiàn)撞擊球44擺動(dòng)時(shí)與第一壓電振子21或第二壓電振子22的自由端相撞。

上述撞擊球44，已經(jīng)被磁化。

上述第一磁體5、第二磁體6和撞擊球44表面的磁性相同，且第一磁體5的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于第二磁體6的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明由于壓電振子至少包括平行排列的第一壓電振子和第二壓電振子，該兩個(gè)壓電振子具有不同的諧振頻率，且第一壓電振子或第二壓電振子諧振時(shí)，可以與其他壓電振子發(fā)生相互耦合，增加了諧振頻率點(diǎn)，提高了機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化的效率，同時(shí)，本發(fā)明由于引入了單擺結(jié)構(gòu)感知環(huán)境中的低頻振動(dòng)，并以碰撞的方式將感知到的振動(dòng)傳遞給壓電振子，實(shí)現(xiàn)了將環(huán)境中低頻振動(dòng)頻率變換為壓電振子的自然頻率，克服了低頻振動(dòng)頻率與壓電振子的諧振頻率難以匹配的問(wèn)題，拓展了頻帶寬度，使更多的低頻振動(dòng)可以被能量收集裝置感知并收集，與現(xiàn)有的壓電能量收集技術(shù)相比，有效地提高了能量收集的效率。

2.本發(fā)明由于在引出電極時(shí)，采用了粘結(jié)的方式，降低了對(duì)壓電片表面的損傷程度，同時(shí)，本發(fā)明由于在以碰撞的方式實(shí)施頻率變換時(shí)，采用了長(zhǎng)度可以調(diào)整的擺桿，可以通過(guò)調(diào)節(jié)擺桿長(zhǎng)度，保證撞擊球與壓電振子的自由端相撞，避免了撞擊球與壓電片相撞，使壓電片損壞的問(wèn)題，與現(xiàn)有技術(shù)相比，避免了壓電片因表面損傷導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)化性能降低的問(wèn)題，進(jìn)一步地提高了能量收集的效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明壓電振子的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明撞擊球撞擊第一壓電振子的工作狀態(tài)示意圖；

圖4是本發(fā)明撞擊球撞擊第二壓電振子的工作狀態(tài)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：

參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括：外框1、壓電振子2、第一基座3、單擺結(jié)構(gòu)4、第一磁體5和第二磁體6，其中，壓電振子2至少包括第一壓電振子21和第二壓電振子22，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其底端被固定在第一基座3上，為了使第一壓電振子21或第二壓電振子22在諧振時(shí)，可以通過(guò)碰撞進(jìn)行振動(dòng)能量的相互耦合，第一壓電振子21和第二壓電振子22間的距離小于任一壓電振子諧振時(shí)的振動(dòng)幅度，為了保證在第一壓電振子21和第二壓電振子22進(jìn)行耦合時(shí)具有較大的耦合系數(shù)，壓電振子2的排列方式是第一壓電振子21的橫、縱軸線與第二壓電振子22的橫、縱軸線均相互平行，且正對(duì)面積最大；單擺結(jié)構(gòu)4，包括第二基座41、連桿42、擺桿43和撞擊球44，其中，連桿42的底端固定于第二基座41上，其頂端與擺桿43的上端活動(dòng)連接，擺桿43由輕質(zhì)剛性材料制成，撞擊球44固定在擺桿43的下端，該撞擊球的表面被磁化；為了能夠在外框1的底面安裝固定第一基座3和第二基座41，外框1采用至少有一個(gè)開(kāi)口的腔體結(jié)構(gòu)，該外框靠近單擺的一側(cè)設(shè)置有第一磁體5，靠近壓電振子2的頂部設(shè)置有第二磁體6，為了利用磁體間的作用力對(duì)撞擊球44的擺動(dòng)幅度進(jìn)行限制，避免撞擊球44因擺動(dòng)幅度過(guò)大與外框1的側(cè)面或頂部相撞導(dǎo)致能量損耗的問(wèn)題，第一磁體5和第二磁體6的磁性與撞擊球44表面的磁性相同，第一磁體5的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于第二磁體6的磁場(chǎng)強(qiáng)度。為了保證撞擊球44在擺動(dòng)過(guò)程中，可以與壓電振子2的自由端發(fā)生碰撞，撞擊球44的擺向與壓電振子2的排列方向一致，為了保證撞擊球44在擺動(dòng)過(guò)程中，可以與第一壓電振子21或第二壓電振子22的自由端發(fā)生碰撞，擺桿43的長(zhǎng)度可以被靈活調(diào)整。在撞擊球44與第一壓電振子21或第二壓電振子22發(fā)生碰撞時(shí)，第一壓電振子21或第二壓電振子22以其自然頻率振動(dòng)，與撞擊球44的碰撞頻率無(wú)關(guān)，與環(huán)境中低頻振動(dòng)的頻率無(wú)關(guān)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率的變換和頻帶寬度的拓展，解決因?yàn)榈皖l振動(dòng)頻率與壓電振子諧振頻率不匹配造成的能量收集效率低的問(wèn)題。在本實(shí)施例中，外框采用的是不銹鋼材料，且底面可以拆卸，以便將第一基座、單擺結(jié)構(gòu)、第一磁體和第二磁體在其內(nèi)部進(jìn)行安裝固定，其中，該外框內(nèi)側(cè)底面固定有第一基座和第二基座，該外框靠近單擺結(jié)構(gòu)的一側(cè)內(nèi)面貼有第一永磁鐵，靠近壓電振子的頂部?jī)?nèi)側(cè)貼有第二永磁鐵，且第一永磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于第二永磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度；壓電振子采用了兩個(gè)尺寸不同，諧振頻率不同的第一壓電振子和第二壓電振子，其中，第一壓電振子的尺寸小于第二壓電振子的尺寸，其諧振頻率高于第二壓電振子的諧振頻率，該兩個(gè)壓電振子的底端以垂直于外框底面的方式被固定在第一基座上，其固定端之間的距離小于任一壓電振子諧振時(shí)的振動(dòng)幅度；單擺結(jié)構(gòu)被設(shè)置在壓電振子的左側(cè)，其中，第二基座是一個(gè)定制的夾具，連桿采用由廉價(jià)的不銹鋼材料制成的彎板結(jié)構(gòu)，其底端固定在第二基座上，頂端通過(guò)活動(dòng)連接件連接擺桿上端，擺桿采用輕質(zhì)剛性的鋁合金材料，由多節(jié)較短的鋁合金圓柱桿銷(xiāo)接而成，其長(zhǎng)度可以靈活地調(diào)節(jié)，撞擊球采用容易被磁化的鐵電材料，且已經(jīng)被磁化，其外表面磁極與第一永磁鐵與壓電振子相對(duì)的表面和第二永磁鐵與單擺結(jié)構(gòu)相對(duì)的磁極相同，且磁場(chǎng)強(qiáng)度小于兩個(gè)永磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度，只有當(dāng)撞擊球靠近永磁鐵時(shí)，永磁鐵才對(duì)它產(chǎn)生排斥力，改變撞擊球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)撞擊球擺動(dòng)幅度的限制。為了保證壓電振子不被折斷和碰撞過(guò)程有較高的能量傳遞效率，該撞擊球的質(zhì)量略小于壓電振子的質(zhì)量，其直徑也略小于壓電振子的寬度。

參照?qǐng)D2，第一壓電振子21，包括第一彈性基板211、第一壓電片212、第一質(zhì)量塊213和第一電極214，第一壓電片212粘貼在第一彈性基板211上，第一質(zhì)量塊213固定在第一彈性基板211的一端，該端稱(chēng)作在第一彈性基板211的頂端，第一電極214采用導(dǎo)電膠粘劑粘接在第一壓電片212上；第二壓電振子22，包括第二彈性基板221、第二壓電片222、第二質(zhì)量塊223和第二電極224，第二壓電片222粘貼在第二彈性基板221上，第二質(zhì)量塊223置在第二彈性基板221的一端，該端稱(chēng)作第二彈性基板221的頂端，第二電極224采用導(dǎo)電膠粘劑粘接在第二壓電片本222上。為了保證第一壓電振子21和第二壓電振子22均具有較大的彈性模量和靜態(tài)電容，第一彈性基板211和第二彈性基板221均采用彈性良導(dǎo)體材料，且第一彈性基板211的尺寸小于第二彈性基板221的尺寸；為了改善傳統(tǒng)壓電材料的性能參數(shù)，進(jìn)而提高能量收集和轉(zhuǎn)化的效率，第一壓電片212和第二壓電片222均采用壓電復(fù)合材料，且第一壓電片212的尺寸小于第二壓電片222的尺寸；為了增加諧振頻率點(diǎn)，擴(kuò)大頻帶寬度，第一質(zhì)量塊213和第二質(zhì)量塊223質(zhì)量大小不同；為了保證第一壓電振子21和第二壓電振子22具有較低的輸出阻抗，第一電極214和第二電極224均采用良導(dǎo)體材料。在本實(shí)施例中，兩個(gè)彈性基板采用的是寬度相同的銅片，但第一彈性基板的長(zhǎng)度小于第二彈性基板的長(zhǎng)度；兩個(gè)壓電片均采用由壓電陶瓷和壓電薄膜復(fù)合而成的壓電復(fù)合材料，且寬度相同，但第一壓電片的長(zhǎng)度小于第二壓電片本的長(zhǎng)度；第一質(zhì)量塊的質(zhì)量小于第二質(zhì)量塊的質(zhì)量，從而第一壓電振子的諧振頻率高于第二壓電振子的諧振頻率；第一電極和第二電極采用的良導(dǎo)體均是銅絲。目前，壓電片分為壓電單晶片和壓電雙晶片兩種，該兩種壓電片在彈性基板上的粘貼方式不同，對(duì)應(yīng)的電極的設(shè)置方式也不同，其中，電極包括上表面電極和下表面電極。其中，壓電單晶片的粘貼方式是指僅在彈性基板的上表面粘貼有壓電片，該壓電片的上表面設(shè)置有上表面電極，作為供電正極，下表面電極設(shè)置在彈性基板上，作為供電負(fù)極；壓電雙晶片的粘貼方式是指在彈性基板的上下表面分別粘貼有上表面壓電片和下表面壓電片，上表面壓電片上的上表面設(shè)置有上表面電極，作為供電正極，下表面壓電片的下表面設(shè)置有下表面電極，作為供電負(fù)極。在本實(shí)施例中，為了制作方便，第一壓電片和第二壓電片均選擇壓電單晶片，對(duì)應(yīng)的第一電極和第二電極的設(shè)置方式與壓電單晶片的粘貼方式相一致；為了降低高溫焊接帶給壓電片表面損傷程度，避免壓電片因表面損傷導(dǎo)致的能量轉(zhuǎn)化性能降低的問(wèn)題，從而提高能量收集的效率，第一電極和第二電極與壓電片之間的連接均通過(guò)具有超強(qiáng)導(dǎo)電能力的石墨烯材料粘接實(shí)現(xiàn)。

參照?qǐng)D3，調(diào)節(jié)擺桿43的長(zhǎng)度，當(dāng)感知到垂直于擺桿43的方向上的振動(dòng)時(shí)，撞擊球44開(kāi)始擺動(dòng)，在擺動(dòng)過(guò)程中，與第一壓電振子21相撞，完成能量的傳遞，該能量傳遞過(guò)程符合能量守恒定律。在發(fā)生碰撞以后，第一壓電振子21以其自然頻率振動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械形變，實(shí)施壓電效應(yīng)，從而使第一電極214有電壓輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化；當(dāng)?shù)谝粔弘娬褡?1達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，其振動(dòng)幅度達(dá)到最大，且大于第一壓電振子21和第二壓電振子22之間的距離，從而可以與第二壓電振子22發(fā)生碰撞耦合，將自身振動(dòng)能量耦合到第二壓電振子22上，帶動(dòng)第二壓電振子22以相同的頻率振動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械形變，實(shí)施壓電效應(yīng)，從而使第二電極224有電壓輸出，完成機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。

實(shí)施例2：實(shí)施例2與實(shí)施例1結(jié)構(gòu)相同，僅對(duì)擺桿43的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，使單擺結(jié)構(gòu)4中的撞擊球44在擺動(dòng)過(guò)程中，可以撞擊到第二壓電振子22的自由端。

參照?qǐng)D4，當(dāng)感知到垂直于擺桿43的方向上的振動(dòng)時(shí)，撞擊球44開(kāi)始擺動(dòng)，在擺動(dòng)過(guò)程中，與第二壓電振子22相撞，完成能量的傳遞，該能量傳遞過(guò)程符合能量守恒定律。在發(fā)生碰撞以后，第二壓電振子22以其自然頻率振動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械形變，實(shí)施壓電效應(yīng)，從而使第二電極224有電壓輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化；當(dāng)?shù)诙弘娬褡?2達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，其振動(dòng)幅度最大，且大于第一壓電振子21和第二壓電振子22之間的距離，從而可以與第一壓電振子21發(fā)生碰撞耦合，將自身振動(dòng)能量耦合到第一壓電振子21上，帶動(dòng)第一壓電振子21以相同的頻率振動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械形變，實(shí)施壓電效應(yīng)，從而使第一電極214有電壓輸出，完成機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。

以上描述僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例，顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)，在了解了本發(fā)明的內(nèi)容和原理后，都可能在不背離本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。