本發(fā)明涉及一種微能源技術(shù)領(lǐng)域的環(huán)境能量采集器件，具體是一種基于模態(tài)分離技術(shù)的帶寬可調(diào)n×3點(diǎn)陣式振動(dòng)能量采集器。

背景技術(shù)：

隨著無線移動(dòng)傳感技術(shù)在野外環(huán)境、工況監(jiān)測和隨身醫(yī)療電子系統(tǒng)等方面的廣泛應(yīng)用與迅猛發(fā)展，如何為這些應(yīng)用于特殊領(lǐng)域中的電子器件供電成為進(jìn)一步推進(jìn)其應(yīng)用的關(guān)鍵問題。擺脫化學(xué)電池體積大、壽命短，有線電源架接困難等傳統(tǒng)能量供給方法的束縛，采集傳感器周邊環(huán)境中的能量直接為系統(tǒng)供電已成為無線移動(dòng)傳感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

振動(dòng)能廣泛存在于交通運(yùn)輸（汽車、飛機(jī)等運(yùn)輸工具和軌道），工礦設(shè)備（大型煤機(jī)、數(shù)控機(jī)床），工程建筑（橋梁、樓宇）以及生物體活動(dòng)等應(yīng)用環(huán)境。與太陽能、風(fēng)能等環(huán)境能量形式相比，振動(dòng)能對上述應(yīng)用環(huán)境中的可移動(dòng)便攜式無線傳感器具有明顯的供電優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)振動(dòng)能量采集器頻帶窄、能量轉(zhuǎn)化效率低、輸出功率小，目前尚不能滿足無線移動(dòng)傳感器件的供電需求。如何提高能量采集器的輸出功率，拓寬采集頻帶并使之與環(huán)境振動(dòng)頻率相匹配是振動(dòng)能量采集領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

公告號為CN 103346696 A的中國專利設(shè)計(jì)了一種陣列式壓電與電磁復(fù)合的能量采集器，通過陣列式結(jié)構(gòu)拓寬能量采集頻率寬度，提高能量轉(zhuǎn)化效率，但是壓電與電磁結(jié)合的方式使得拾振結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于調(diào)試和加工。公告號為CN 103023378 A的中國專利提出了一種寬頻帶多方向振動(dòng)能量采集器，通過6個(gè)T型結(jié)構(gòu)懸臂梁在多個(gè)方向的能量采集來拓寬頻帶，但是此裝置體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。公告號為CN 102931340 A的中國專利設(shè)計(jì)了一種寬頻帶微型壓電振動(dòng)能量收集器，利用多組不同的懸臂梁陣列來實(shí)現(xiàn)較寬的頻帶輸出，但其微加工工藝復(fù)雜，制作成本較高。Xue 等人于2008年提出了多個(gè)雙壓電晶片串聯(lián)和并聯(lián)的能量采集結(jié)構(gòu)，利用每個(gè)雙壓電晶片的不同厚度而得到不同的一階共振頻率，從而使得所有一階共振頻率非?？拷鼇碓黾硬杉鞯念l帶寬度。這種方法明顯拓寬了工作頻帶，但是其工作頻率范圍（90-110 Hz）仍然高于一些環(huán)境中振動(dòng)源的頻率（橋梁：7-10 Hz，樓宇：15-20 Hz，旋轉(zhuǎn)機(jī)械：43-50 Hz，動(dòng)物活動(dòng)：1-45 Hz）?；诖耍环N低頻、寬頻帶，高能量轉(zhuǎn)化效率，高功率穩(wěn)定輸出，易于加工的振動(dòng)能量采集器設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有能量采集器工作頻帶窄，能量轉(zhuǎn)化效率低，輸出功率小等問題，本發(fā)明提出一種基于模態(tài)分離技術(shù)的帶寬可調(diào)n×3點(diǎn)陣式振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅能調(diào)節(jié)和拓寬采集器的頻帶范圍，而且采用點(diǎn)陣式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效提高能量轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于模態(tài)分離技術(shù)的帶寬可調(diào)n×3點(diǎn)陣式振動(dòng)能量采集器，包括柔性框架主梁結(jié)構(gòu)、壓電懸臂梁和質(zhì)量塊；柔性框架主梁結(jié)構(gòu)為矩形，選定矩形的一條中心線作為軸線，矩形上面沿該軸線方向順次開有n-1個(gè)大小相等間距相同的中空矩形孔，所有中空矩形孔沿軸線方向兩側(cè)的實(shí)體部分作為柔性主梁，共形成n排柔性主梁，其中n≥2；每個(gè)柔性主梁上均粘貼固定有數(shù)量相同的多個(gè)壓電懸臂梁；所有壓電懸臂梁的朝向相同且均與軸線方向平行；所有壓電懸臂梁的一端粘貼固定在柔性主梁的上表面，位于一個(gè)最邊緣柔性主梁上的壓電懸臂梁的另一端懸浮在該最邊緣柔性主梁的外側(cè)，其余壓電懸臂梁的另一端均懸浮在鄰近的矩形孔之上；同一個(gè)柔性主梁上的多個(gè)壓電懸臂梁等間距排列；在每個(gè)壓電懸臂梁的懸浮端均粘附有一個(gè)質(zhì)量塊。（圖1）。

所述的n×3點(diǎn)陣式振動(dòng)能量采集器拾振結(jié)構(gòu)，包括柔性框架主梁結(jié)構(gòu)，壓電懸臂梁和質(zhì)量塊。所述柔性框架主梁結(jié)構(gòu)采用低楊氏模量的高彈性分子材料，本發(fā)明優(yōu)選聚二甲基硅氧烷（PDMS）。所述的壓電懸臂梁包括基板和壓電層，其中壓電層為壓電陶瓷薄膜，與基板一端之間通過導(dǎo)電銀膠粘合，質(zhì)量塊粘附在基板的懸浮端。基板選用彈性模量小且強(qiáng)度大，能承受較大形變的材料，本發(fā)明優(yōu)選銅片基板。壓電層選用壓電性強(qiáng)，壓電常數(shù)高的壓電材料，本發(fā)明優(yōu)選PZT。質(zhì)量塊選用密度大，廉價(jià)，易加工的金屬材料，本發(fā)明優(yōu)選鐵塊。

本發(fā)明的工作原理為：柔性框架主梁結(jié)構(gòu)兩端固定（沿軸線方向的兩端固定），當(dāng)把本發(fā)明放置于實(shí)際環(huán)境振動(dòng)體系中時(shí)，在外界的激勵(lì)下，柔性框架主梁結(jié)構(gòu)的固定端振動(dòng)并帶動(dòng)整個(gè)柔性框架主梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而使粘貼在柔性框架主梁結(jié)構(gòu)表面上的壓電懸臂梁一起振動(dòng)，壓電懸臂梁通過在振動(dòng)中發(fā)生形變將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。通過n排柔性主梁的設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)每排柔性主梁上壓電懸臂梁和質(zhì)量塊尺寸來改變?nèi)嵝灾髁旱挠行з|(zhì)量，實(shí)現(xiàn)不同柔性主梁間的振動(dòng)模態(tài)分離，進(jìn)而達(dá)到拓寬低頻頻帶的效果。所有壓電懸臂梁采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

采用柔性框架結(jié)構(gòu)作為主梁。柔性材料的楊氏模量小、結(jié)構(gòu)彈性高。采用柔性框架結(jié)構(gòu)更容易感受外界環(huán)境的振動(dòng)，并將振動(dòng)能傳遞給壓電懸臂梁，從而降低每排壓電懸臂梁的振動(dòng)模態(tài)，可以在50 Hz以下的低頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬頻帶振動(dòng)能量采集。

采用n×3點(diǎn)陣式壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)每排柔性主梁上的壓電懸臂梁和質(zhì)量塊尺寸，改變不同柔性主梁的有效質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)不同柔性主梁間的振動(dòng)模態(tài)分離，進(jìn)而達(dá)到拓寬低頻頻帶的效果。

隨著n×3點(diǎn)陣式壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)中排數(shù)n的增大，能量采集器的振動(dòng)模態(tài)增加，可利用的有效頻帶得到拓寬。隨著排數(shù)n增大，能量采集器中壓電懸臂梁的數(shù)量增加，輸出電壓增大，同時(shí)提高了系統(tǒng)的輸出功率。

通過增加或者減少壓電懸臂梁的排數(shù)n，同時(shí)改變壓電懸臂梁和質(zhì)量塊尺寸大小，可適時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有效頻帶寬度，提高能量采集器輸出的連續(xù)性和穩(wěn)定性，進(jìn)而增強(qiáng)振動(dòng)能量采集器的環(huán)境適應(yīng)能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖（a-柔性框架主梁結(jié)構(gòu)，b-壓電懸臂梁，c-質(zhì)量塊）。

圖2為壓電懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖（c-質(zhì)量塊，d-基板，e-壓電層）。

圖3為實(shí)施例1所發(fā)明的2×3點(diǎn)陣拾振結(jié)構(gòu)的輸出頻率響應(yīng)特性曲線。

圖4為實(shí)施例2所發(fā)明的3×3點(diǎn)陣拾振結(jié)構(gòu)的輸出頻率響應(yīng)特性曲線。

圖5為實(shí)施例3所發(fā)明的5×3點(diǎn)陣拾振結(jié)構(gòu)的輸出頻率響應(yīng)特性曲線。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例子對本發(fā)明作進(jìn)一步清楚、完整的說明。

實(shí)施例1

本發(fā)明包括柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a，壓電懸臂梁b和質(zhì)量塊c，柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a為矩形框狀結(jié)構(gòu)，中心開有一個(gè)中空的矩形孔；壓電懸臂梁b的一端粘貼固定在柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a的上表面，另一端懸空，壓電懸臂梁b懸空的長度小于矩形孔的寬度，質(zhì)量塊c粘附在壓電懸臂梁b的懸浮端；六個(gè)壓電懸臂梁b（n=2）分別在矩形孔兩側(cè)沿同一方向等間距排列。

柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a選用PDMS材料，與壓電懸臂梁b平行的框體兩邊的外側(cè)面固定。

壓電懸臂梁b包括基板d和壓電層e，壓電層e使用導(dǎo)電銀膠粘貼在基板d的后端表面，質(zhì)量塊c用AB膠粘貼在基板d的前端。其中：基板d采用銅片材料，壓電層e采用PZT-5H材料。如圖3所示，基板d的寬度和壓電層e的寬度相等，但基板d的長度大于壓電層e的長度，在實(shí)施過程中，讓壓電層e與基板d一端對齊后，用導(dǎo)電銀膠粘貼固定。本實(shí)施實(shí)例中所示的六個(gè)壓電懸臂梁尺寸和質(zhì)量塊尺寸完全相同，在矩形孔兩側(cè)朝右呈兩排分布，并沿中空矩形的長邊方向等間距平行排列；第1排的3個(gè)基板d一側(cè)與柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a的左端對齊排列，第2排的3個(gè)基板d一側(cè)與柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a上中空矩形的右側(cè)長邊對齊排列，然后用AB膠將壓電懸臂梁b的基板d粘貼固定在柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a的上表面，另一端懸空；六個(gè)壓電懸臂梁b的連接方式為串聯(lián)連接。

質(zhì)量塊c采用鐵質(zhì)材料。質(zhì)量塊c用AB膠粘貼固定在基板d的前端，與基板d前端邊界對齊，且與壓電層e不接觸；質(zhì)量塊c與壓電懸臂梁b的寬度相同。其輸出的頻率響應(yīng)特性曲線如圖3所示。

實(shí)施例2

本發(fā)明包括柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a，壓電懸臂梁b和質(zhì)量塊c，柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a為矩形框狀結(jié)構(gòu)，矩形結(jié)構(gòu)上開有兩個(gè)中空的矩形孔；壓電懸臂梁b的一端粘貼固定在柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a的上表面，另一端懸空，壓電懸臂梁b懸空的長度小于矩形孔的寬度，質(zhì)量塊c粘附在壓電懸臂梁b的懸浮端；九個(gè)壓電懸臂梁b（n=3）分別在兩個(gè)矩形孔兩側(cè)沿同一方向等間距排列。

柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a選用PDMS材料，與壓電懸臂梁b平行的框體兩邊的外側(cè)面固定。

壓電懸臂梁b包括基板d和壓電層e，壓電層e使用導(dǎo)電銀膠粘貼在基板d的后端表面，質(zhì)量塊c用AB膠粘貼在基板d的前端表面。其中：基板d采用銅片材料，壓電層e采用PZT-5H材料?；錮的寬度和與其粘貼的壓電層e的寬度相等，但基板d的長度大于壓電層e的長度，在實(shí)施過程中，讓壓電層e與基板d一端對齊后，用導(dǎo)電銀膠粘貼固定。本實(shí)施實(shí)例中的九個(gè)壓電懸臂梁尺寸和質(zhì)量塊尺寸不完全相同（第1排和第3排壓電懸臂梁b的尺寸和質(zhì)量塊尺寸完全相同，與第2排的尺寸不同），分別在兩個(gè)中空矩形孔兩側(cè)沿同一個(gè)方向呈三排分布，并沿中空矩形的長邊方向等間距平行排列；第1排的3個(gè)基板d一側(cè)與柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a的左端對齊排列，第2排的3個(gè)基板d和第3排的3個(gè)基板d的一側(cè)分別與柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a上兩個(gè)中空矩形的右側(cè)長邊對齊排列，然后用AB膠將壓電懸臂梁b的基板d粘貼固定在柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a的上表面，另一端懸空；九個(gè)壓電懸臂梁b的連接方式為串聯(lián)連接。

質(zhì)量塊c采用鐵質(zhì)材料。質(zhì)量塊c用AB膠粘貼固定在基板d的前端，與基板d前端邊界對齊，且與壓電層e不接觸；質(zhì)量塊c的寬度和與其粘貼的壓電懸臂梁b的寬度相同。其輸出的頻率響應(yīng)特性曲線如圖4所示。

實(shí)施例3

本發(fā)明包括柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a，壓電懸臂梁b和質(zhì)量塊c，柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a為矩形框狀結(jié)構(gòu)，矩形結(jié)構(gòu)上開有四個(gè)中空的矩形孔；壓電懸臂梁b的一端粘貼固定在柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a的上表面，另一端懸空，壓電懸臂梁b懸空的長度小于矩形孔的寬度，質(zhì)量塊c粘附在壓電懸臂梁b的懸浮端；十五個(gè)壓電懸臂梁b（n=5）分別在四個(gè)矩形孔兩側(cè)沿同一方向等間距排列。

柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a選用PDMS材料，與壓電懸臂梁b平行的框體兩邊的外側(cè)面固定。

壓電懸臂梁b包括基板d和壓電層e，壓電層e使用導(dǎo)電銀膠粘貼在基板d的后端表面，質(zhì)量塊c用AB膠粘貼在基板d的前端表面。其中：基板d采用銅片材料，壓電層e采用PZT-5H材料?；錮的寬度和與其粘貼的壓電層e的寬度相等，但基板d的長度大于壓電層e的長度，在實(shí)施過程中，讓壓電層e與基板d一端對齊后，用導(dǎo)電銀膠粘貼固定。本實(shí)施實(shí)例中的十五個(gè)壓電懸臂梁尺寸和質(zhì)量塊尺寸不完全相同（其中不同排壓電懸臂梁的尺寸和質(zhì)量塊尺寸不完全相同，每一排的3個(gè)壓電懸臂梁的尺寸和質(zhì)量塊尺寸完全相同），分別在四個(gè)中空矩形孔兩側(cè)朝右呈五排分布，并沿中空矩形的長邊方向等間距平行排列；第1排的3個(gè)基板d一側(cè)與柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a的左端對齊排列，其余每排（第2、3、4和5排）的3個(gè)基板d一側(cè)分別與柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a上四個(gè)中空矩形的右側(cè)長邊對齊排列，然后用AB膠將壓電懸臂梁b的基板d粘貼固定在柔性框架主梁結(jié)構(gòu)a的上表面，另一端懸空；十五個(gè)壓電懸臂梁b的連接方式為串聯(lián)連接。

質(zhì)量塊c采用鐵質(zhì)材料。質(zhì)量塊c用AB膠粘貼固定在基板d的前端，與基板d前端邊界對齊，且與壓電層e不接觸；質(zhì)量塊c的寬度和與其粘貼的壓電懸臂梁b的寬度相同。其輸出的頻率響應(yīng)特性曲線如圖5所示。