本發(fā)明涉及的是一種微電子領域的技術，具體是一種振幅放大疊加振動能量采集裝置。

背景技術：

隨著微電子技術的發(fā)展，微電子器件工作需要的能源更少,這使得采集自然環(huán)境下的能量為微電子器件供電成為可能。采集自然環(huán)境下的能量為微電子器件供電，不僅節(jié)能，而且不依賴外部電源更加便捷可靠，尤其在一些不方便進行外部供電或更換電池的工作環(huán)境中更是如此。機械振動是最普遍的可以采集的能量。目前振動能量采集技術主要分為三種類型：(1)利用電磁換能裝置將振動機械能轉換為電能的電磁式；(2)利用靜電發(fā)生器將振動機械能轉換為電能的靜電式；(3)利用壓電材料的壓電效應將振動機械能轉換為電能的壓電式。通過比較壓電式、電磁式和靜電式等俘能方法的能量密度，發(fā)現(xiàn)壓電式具有更大的功率密度。而且，壓電式能量采集裝置結構簡單，便于系統(tǒng)模塊化、集成化和微型化，有利應用于工程實踐。但是，壓電振動能量采集面臨的兩個最關鍵的問題是比較窄的工作頻帶和比較低的能量密度。

能量采集裝置的工作頻率與其自然頻率匹配可以產(chǎn)生共振以獲得最大的能量輸出。為此，人們設計了許多結構。因為自然環(huán)境下振動頻率一般較低，很多研究者通過降低振動壓電能量采集裝置的固有頻率以使之更容易在自然環(huán)境下共振從而提高俘能效率，設計了基于彈簧的振動能量采集結構、基于高分子聚合物的振動能量采集結構等。很多研究者設計了懸臂壓電梁陣列的能量采集裝置等，以匹配不同的環(huán)境頻率。很多研究者設計了自動調(diào)頻的振動能量采集系統(tǒng)，通過主動控制改變裝置的自然頻率以匹配工作頻率。由于非線性系統(tǒng)具有更寬的頻域響應，所以很多研究者提出要充分利用振動能量采集裝置的非線性用于寬頻的能量采集。其中尤其是雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)，通過突跳產(chǎn)生大的變形可以顯著提高能量輸出。

盡管如此，這些振動能量采集裝置適用的頻域也很有限，而且這些寬頻振動能量采集裝置都是利用d31模式發(fā)電，并不能顯著提高能量密度，而具有更高等效壓電系數(shù)的伸張結構式壓電單元并不能在微弱振動環(huán)境中使用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出一種振幅放大疊加振動能量采集裝置，克服了現(xiàn)有壓電振動能量采集裝置應用頻域窄、能量密度低的問題。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明包括：兩個設置于基座上的振動組件以及檢測電路，其中：第一振動組件一端與基座彈性連接且中部設置于基座上，第二振動組件與基座固定連接且正對第一振動組件的另一端，檢測電路與該第一振動組件的另一端相連。

所述的第一振動組件包括：彈簧和質量塊組成的單自由度彈簧振子、剛性梁、伸張結構式壓電單元，其中：質量塊通過第一軸與剛性梁連接，剛性梁通過第二軸與支撐座連接組成杠桿機構，帶有第一永磁鐵的伸張結構式壓電單元設置于剛性梁的末端。

所述的第二振動組件包括：懸臂彈性梁以及設置于懸臂彈性梁末端的第二永磁鐵，其中：第一永磁鐵與第二永磁鐵的磁極相對，伸張結構式壓電單元與檢測電路相連接。

技術效果

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明結構新穎、簡單，設計合理，通過第一振動組件的杠桿機構放大受迫振動的振幅，并與第二振動組件的受迫振動疊加，從而增加懸臂梁末端固定的磁鐵與伸展結構式壓電單元固定的磁鐵的相對位移，而且磁力作用使系統(tǒng)成為雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)，這些優(yōu)點使之可以具有更寬的工作頻寬；尤其，通過這種方式使得在微弱振動環(huán)境下可以采用伸張結構式壓電單元，壓電系數(shù)可以被放大100倍以上，能量俘獲密度更高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明中的第一振動組件結構示意圖；

圖3是圖2中A處的局部放大圖；

圖4是本發(fā)明中的第二振動組件的結構示意圖；

圖5是本發(fā)明中的伸張結構式壓電單元結構示意圖；

圖6是本發(fā)明中的永磁鐵布置示意圖；

圖7是本發(fā)明中的壓電能量采集電路示意圖；

圖8是本發(fā)明中的物理轉換流程示意圖；

圖中：1第一振動組件、2第二振動組件、3基座、4檢測電路、5彈簧、6質量塊、7第一軸、8剛性梁、9第二軸、10支撐座、11伸張結構式壓電單元、12第一永磁鐵、13懸臂彈性梁、14第二永磁鐵、15框架、16連接板、17第一滑動安裝座、18第二滑動安裝座、19壓緊片、20支座、21壓緊塊、22錳合金片、23壓電片。

具體實施方式

如圖1至圖4所示，本實施例包括：兩個設置于基座上的振動組件以及檢測電路，其中：第一振動組件一端與基座彈性連接且中部設置于基座上，第二振動組件與基座固定連接且正對第一振動組件的另一端，檢測電路與該第一振動組件的另一端相連。

所述的第一振動組件1包括：彈簧5和質量塊6組成的單自由度彈簧振子、剛性梁8、伸張結構式壓電單元11，其中：質量塊6通過第一軸7與剛性梁8連接，剛性梁8通過第二軸9與支撐座10連接組成杠桿機構，帶有第一永磁鐵12的伸張結構式壓電單元11設置于剛性梁8的末端。

所述的伸張結構式壓電單元11包括：壓電陶瓷片23和設置于其兩側的凸形錳合金片22。

所述的凸形錳合金片22的斜面傾角小于45°且滿足其他約束條件下越小越好。

所述的第一永磁鐵12粘接在所述的凸形錳合金片22的凸面。

所述的壓電陶瓷片23兩面鍍銀電極焊接導線與所述的檢測電路4相連接。

所述的第一振動組件1通過第一滑動安裝座17和第二滑動安裝座18設置于基座3上，其中：第一滑動安裝座17與第二滑動安裝座18可以沿所述的基座3調(diào)整位置從而調(diào)節(jié)所述的懸臂彈性梁13長度從而調(diào)節(jié)所述的第二振動組件2固有頻率。

所述的彈簧5與所述的質量塊6及所述的滑塊安裝座17通過壓緊片19固定。

所述的質量塊6上設有安裝螺紋孔用于調(diào)整質量從而調(diào)節(jié)所述的第一振動組件1固有頻率。

所述的第二振動組件2包括：懸臂彈性梁13以及設置于懸臂彈性梁13末端的第二永磁鐵14，其中：第一永磁鐵12與第二永磁鐵14的磁極相對，伸張結構式壓電單元11與檢測電路4相連接。

所述的第二振動組件2通過支座20設置于基座3上，所述的懸臂彈性梁13被壓緊塊21壓緊固定在所述的支座20。

如圖5所示，所述的第二永磁鐵14與第一永磁鐵12的磁極相反。

所述的第一永磁鐵12優(yōu)選為一對，且對稱設置于第二永磁鐵14的兩側并磁極相反。

所述的檢測電路4中設有壓電能量收集電路和超級電容。

如圖6所示，第二永磁鐵14在兩個第一永磁鐵12中間，并且磁極分別相對，兩個第一永磁鐵12安裝在對稱的兩個伸張結構式壓電單元11的磁極方向相反。如圖7所示，檢測電路4中設有壓電能量收集電路和超級電容C。

如圖8所示，本裝置通過以下方式進行工作：當基座受到激勵時，彈簧和質量塊組成的單自由度彈簧振子與懸臂彈性梁同時受迫振動，質量塊通過杠桿機構將位移傳遞給伸張結構式壓電單元，伸張結構式壓電單元產(chǎn)生反向且更大的位移，而懸臂彈性梁末端也產(chǎn)生位移，于是伸張結構式壓電單元相對于懸臂梁彈性梁末端的相對位移等于二者位移的疊加，即固定在二者的永磁鐵之間的相對位移被放大疊加了，永磁鐵之間的距離變化導致磁力的變化，從而對伸張結構式壓電單元產(chǎn)生周期性磁力激勵，磁力被伸張結構變換為壓力和放大的拉伸力作用到壓電片，壓電片變形從而因為壓電效應發(fā)電，產(chǎn)生的電壓經(jīng)過電路處理后直接使用或存儲備用。

通過第一振動組件的杠桿機構放大受迫振動的振幅，并與第二振動組件的受迫振動疊加，從而增加懸臂梁末端固定的磁鐵與伸展結構式壓電單元固定的磁鐵的相對位移，如此即便工作頻率沒有接近諧振頻率，受迫振動的振幅比較小，通過放大疊加也能產(chǎn)生較大的位移，而當工作頻率接近諧振頻率，則具有更大的相對位移，而且磁力作用使系統(tǒng)成為雙穩(wěn)態(tài)非線性系統(tǒng)，雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)具有較大的工作頻寬，這種結構放大了雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)點，具有更大的工作頻寬；而且，通過懸臂梁受迫振動，再將振動轉換為周期性磁力作用到伸張結構式壓電單元，使得在微弱振動環(huán)境下可以采用伸張結構式壓電單元，壓電系數(shù)可以被放大100倍以上，能量俘獲密度更高。

上述具體實施可由本領域技術人員在不背離本發(fā)明原理和宗旨的前提下以不同的方式對其進行局部調(diào)整，本發(fā)明的保護范圍以權利要求書為準且不由上述具體實施所限，在其范圍內(nèi)的各個實現(xiàn)方案均受本發(fā)明之約束。