突變位置也會發(fā)生變化。所述第一磁體與第二磁體的間距d越小，驅動第二級振子2所要 克服的磁排斥力就越大，第一級振子1所需的行程也越大，從而有效發(fā)電的振動幅度閾值 也就越高。以上是本發(fā)明的能量采集器閾值驅動功能的理論基礎。
[0069] 本發(fā)明的能量采集器中，所述第一彈簧11及第二彈簧21可采用多種彈簧形式。本 實施例中，所述第一彈簧11及第二彈簧21均以平面彈簧懸臂梁結構為例。在其它實施例 中，所述第一彈簧11及第二彈簧21也可采用其它彈簧結構。
[0070] 請參閱圖8,顯示為本實施例中能量采集器的結構示意圖，圖8及圖9分別顯示為 圖8所示結構的A-A向剖面圖及B-B向剖面圖。如圖所示，所述第一級振子1及第二級振 子2均安裝于所述基座3上。對于所述第一級振子1，其中，所述第一彈簧11為并聯雙梁結 構，所述第一質量塊12及所述第一磁體13設置于所述并聯雙梁結構末端；對于所述第二級 振子2,所述第二彈簧21為單懸臂梁結構，設置于所述并聯雙梁結構之間并連接于所述基 座3,所述第二磁體23設置于所述單懸臂梁結構自由端，所述第二磁體23同時作為所述第 二質量塊22,所述單懸臂梁結構的表面還設置有壓電薄膜25,所述壓電薄膜25作為換能機 構，用以將所述第二級振子2的振動轉化為電能。當所述單臂梁結構振動時，其表面的壓電 薄膜25發(fā)生形變，從而發(fā)電。如圖8所示，所述壓電薄膜25為矩形薄膜，設置于所述第二 磁體23旁。在其它實施例中，所述壓電薄膜25也可以為其它形狀，其位置也可進行調整， 只要位于所述單懸臂結構表面并能夠隨單懸臂結構的振動發(fā)生形變即可，此處不應過分限 制本發(fā)明的保護范圍。
[0071] 具體的，所述第一磁體13的數量可不限于一個，即可大于或等于兩個，所述第二 磁體23的數量亦可大于或等于兩個。本實施例中，所述第一磁體13的數量及所述第二磁 體23的數量均以兩個為例。
[0072] 作為示例，所述第一彈簧11及第二彈簧21制作在同一片厚度為50微米的銅片 上。所述第一彈簧11為并聯雙梁，每根梁寬度2毫米，長度12. 8毫米，梁末端的第一質量塊 12為鉛制，質量0.24克。所述第二彈簧21為單懸臂梁，寬度9毫米，長度11.3毫米。所述 第一磁體13與第二磁體23均為釹鐵硼磁鐵，形狀為長方體，尺寸1. 5毫米X 1. 5毫米X 0. 5 毫米，磁場強度0. 95特斯拉。所述第二磁體23同時也作為第二級振子2的質量塊，其質量 為9毫克。所述第二級振子2上的壓電薄膜25為PVDF (聚偏氟乙烯）壓電薄膜，厚度28 微米，有效長度11毫米。
[0073] 需要指出的是，因為器件梁結構長度和寬度遠大于厚度，為清楚展示各部分結構， 圖8、9及10并非按照實際比例。
[0074] 請參閱圖11及圖12,可見實測該能量采集器（磁體間距0· 6毫米）在頻率30赫 茲、幅值2.6個重力加速度（g)的外界正弦振動下，輸出電壓非常低，平均值低于0.7V(圖 11);當振動幅值增加到2. 8個重力加速度時，輸出電壓急劇提高，平均值超過5V (圖12)。 顯示出典型的閾值驅動特點。
[0075] 請參閱圖13、14及15,分別顯示為本實施例中采取三種不同磁體間距的性能計算 和測試結果。計算模型由方程（1)描述。三種間距分別是0. 8毫米、0. 6毫米和0. 4毫米。 激勵振動頻率30赫茲，振動加速度峰值從0掃描到6個重力加速度?？梢娙N間距的器件 均具有振動幅度閾值驅動功能，圖中虛線示出了驅動閾值位置。閾值的大小可以通過調整 磁體間距來精確設定，其具體關系可通過方程（1)確定。
[0076] 請參閱圖16,顯示為本實施例中磁體間距和驅動閾值的關系，激勵振動頻率30赫 茲。可見驅動閾值與磁體間距明確的單調關系?？梢姡鲱A設閾值的大小可通過調整第 一磁體與第二磁體的間距d來設定。
[0077] 本發(fā)明還提供一種采用上述能量采集器的自供能傳感器，所述傳感器將所述能量 采集器的發(fā)電行為作為傳感信號，用于報告待檢測振動幅度是否達到預設閾值。本發(fā)明可 以應用于無線傳感網節(jié)點和可穿戴設備等，實現自供能的"事件驅動"傳感功能，傳感信號 為脈沖形式，可采用傳感器自身所獲電能發(fā)射出去。
[0078] 綜上所述，本發(fā)明的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器及傳感器，具有以下有 益效果：（1)具備閾值驅動功能，在外界振動幅度不達到特定閾值時幾乎不發(fā)電，只有當外 界振動幅度達到或超過該閾值時才發(fā)出電能；(2)驅動閾值可以由磁體參數精確決定，可 面向不同的應用環(huán)境；（3)兩級振子之間的作用依靠磁排斥力，相互間不發(fā)生碰撞、摩擦、 劃撥等，能量采集器具有較高的可靠性和耐久性；(4)第二級振子振動發(fā)電的頻率是其本 身的諧振頻率，與外界振動頻率無關，有利于匹配后級電路接口，方便系統集成；（5)采用 所述能量采集器的傳感器可將所述能量采集器的發(fā)電行為作為傳感信號，并以脈沖形式發(fā) 射，用于報告待檢測振動幅度是否達到預設閾值，實現自供能的"事件驅動"傳感功能。所 以，本發(fā)明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業(yè)利用價值。
[0079] 上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因 此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。
【主權項】
1. 一種振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于，至少包括： 用于感應外界振動的第一級振子；所述第一級振子包括依次連接的第一彈簧、第一質 量塊及第一磁體； 用于產生電能的第二級振子；所述第二級振子包括依次連接的第二彈簧、第二質量塊 及第二磁體； 所述第一級振子與所述第二級振子均設置于一基座上； 當外界振動幅度小于預設閾值時，能量采集器不發(fā)電；當外界振動幅度大于所述預設 閾值時，所述第一級振子驅動所述第二級振子振動，產生電能。2. 根據權利要求1所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述第 一級振子通過兩極振子之間的脈沖磁排斥力驅動所述第二級振子振動。3. 根據權利要求1所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述第 二級振子上設有用于發(fā)電的換能機構。4. 根據權利要求3所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述換 能機構為壓電式或電磁感應式。5. 根據權利要求1所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述第 一級振子與第二級振子的振動方向相互平行，且所述第一級振子與第二級振子在工作過程 中不發(fā)生接觸。6. 根據權利要求1所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述第 二級振子被有效驅動時，其振動頻率為自身的諧振頻率，與外界振動頻率無關。7. 根據權利要求1所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述第 二質量塊同時作為所述第二磁體。8. 根據權利要求1所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述第 一彈簧與第二彈簧均為平面彈簧懸臂梁，其中，所述第一彈簧為并聯雙梁結構，所述第一質 量塊及所述第一磁體設置于所述并聯雙梁結構末端；所述第二彈簧為單懸臂梁結構，設置 于所述并聯雙梁結構之間，所述第二磁體設置于所述單懸臂梁結構自由端，所述第二磁體 同時作為所述第二質量塊，所述單懸臂梁結構的表面還設置有壓電薄膜。9. 根據權利要求8所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述第 一質量塊為鉛制；所述第一磁體與第二磁體均為釹鐵硼磁鐵。10. 根據權利要求8所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述壓 電薄膜為聚偏氟乙烯。11. 根據權利要求8所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述第 一磁體的數量大于或等于兩個，所述第二磁體的數量大于或等于兩個。12. 根據權利要求1所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述預 設閾值的大小通過調整第一磁體與第二磁體的間距來設定。13. 根據權利要求1所述的振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器，其特征在于：所述第 一級振子的的諧振頻率小于或等于200赫茲，所述第二級振子的諧振頻率大于300赫茲。14. 一種采用權利要求1~13任意一項所述能量采集器的自供能傳感器，其特征在于： 所述傳感器將所述能量采集器的發(fā)電行為作為傳感信號，用于報告待檢測振動幅度是否達 到預設閾值。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種振動幅度閾值驅動發(fā)電的能量采集器及傳感器，至少包括：用于感應外界振動的第一級振子；所述第一級振子包括依次連接的第一彈簧、第一質量塊及第一磁體；用于產生電能的第二級振子；所述第二級振子包括依次連接的第二彈簧、第二質量塊及第二磁體；所述第一級振子與所述第二級振子均設置于一基座上；當外界振動幅度小于預設閾值時，能量采集器不發(fā)電；當外界振動幅度大于所述預設閾值時，所述第一級振子驅動所述第二級振子振動，產生電能。本發(fā)明具備閾值驅動發(fā)電功能，采用所述能量采集器的傳感器可將發(fā)電行為作為傳感信號，并以脈沖形式發(fā)射，實現自供能的“事件驅動”傳感功能。
【IPC分類】H02N2/18
【公開號】CN105226992
【申請?zhí)枴緾N201410250499
【發(fā)明人】李昕欣, 唐翹楚
【申請人】中國科學院上海微系統與信息技術研究所
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2014年6月6日