能量采集设备和方法
能量采集设备和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及能量采集设备和方法，该能量采集设备和方法用于从振动源（诸如周 围或环境振动）采集或收集能量。
【背景技术】
[0002] 在常规能量采集器中，直接共振器或在一些情况中多个直接共振器响应于输入振 动，例如该输入振动是能量采集器连接到其上的结构的振动。（在该技术领域中，直接共振 器也可W称为线性或普通共振器。）该振动激励共振器并且该共振器例如通过共振器承载 的永久磁体被电力地衰减，使得它在导电线圈附近振荡W提取电功率输出。该种能量采集 器可WW已知方式用于充电电池或操作电子装置，该电子装置诸如自包含装置中的传感器 和/或无线传输器。
[0003] 该种常规能量采集器遭受数个问题，该些问题限制它们用于将振动能量转化为电 能的效能。两个问题特别地与共振器的性能有关。首先，常规能量采集器中的共振器具有 特别的共振频率并且仅可W被接近那个共振频率的振动频率有效地激励。可用于驱动能量 采集器的自然的或周围的振动倾向于包含多种或一系列振动频率，并且直接共振器仅可被 接近共振器的共振频率的窄带的可用振动频率激励。已经用于解决该个问题的一种方法是 并入能量采集器不同共振频率的多个直接共振器，但该增加能量采集器的复杂性。第二，可 存储在直接共振器中的功率密度被限制为驱动振动幅值的线性函数，并且该约束了能够从 输入振动传递到常规能量采集器中的共振器的能量。
[0004] 本发明人认为，解决常规能量采集器的该些限制的替代方法可能是使用参数共振 的现象。但本发明人意识到仅仅一个现有技术试图研究将参数共振用于能量采集，并且该 个研究发现了重要的问题。该在M.Daqaq,C.St油ler,Y.QaroushandT.Seuaciuc-〇s如io 的W下论文中被描述，"InvestigationofPowerHarvestingviaParametric Excitations",J.Intel.Mat.Syst.Str. ,vol. 20,no. 5,pp. 547-557, 2009.Daqaq等人执行 W承载检测重物的弹性悬臂梁（elasticcantileverbeam)的形式的参数激励的共振器 的性能的实验研究。该梁的共振被电力地衰减W提取电功率输出。Daqaq等人报告的问题 是，需要阔值振动幅值来激励参数共振器，并且因此，他们的能量采集器中的参数共振器不 能采集低幅值输入振动。该急剧地减小他们的采集器可W收集的能量。相比之下，在包括 直接共振器的常规能量采集器中，不存在该种阔值振动幅值。
【发明内容】
[0005] 本发明提供如所附独立权利要求中限定的用于采集能量的能量采集器和方法，现 在将参考独立权利要求。本发明的优选的或有利的特征在从属子权利要求中被阐述。
[0006] 本发明在优选实施方式中因此可W提供一种能量采集器，该能量采集器包括第一 机械放大器和第二机械放大器。第一机械放大器响应于诸如周围或环境振动的输入振动， 使得第一机械放大器可W被该振动激励或致动。第二机械放大器被禪合到第一机械放大器 使得第一和第二机械放大器按第一和第二机械自由度操作或提供第一和第二机械自由度。 第一和第二机械放大器彼此可W直接禪合或者它们可W通过一个或更多个另外的机械自 由度被禪合。第一和第二机械放大器的至少一个，但优选地仅仅一个包括参数共振器。能 量采集器功率输出通过阻巧过程被生成，但有利地或优选地，该阻巧过程不在第一机械放 大器上操作。优选地，能量采集器功率输出通过衰减第二机械放大器而生成。
[0007] 在本发明的一些方面中，用于生成能量采集器功率输出的阻巧过程可W在第一和 第二机械放大器上操作，使得能量采集器的总能量输出的一部分从每一个机械放大器被提 取。但在本发明的大多数实施中重要的是，第一机械放大器的阻巧被减小或最小化，使得能 量采集器的能量输出的至少一部分，并且优选地能量输出的全部，优选地通过衰减第二机 械放大器被提取。
[0008] 本发明的实施方式因此可W利用参数共振的特性（包括与直接共振器相比的激 励振动频率的较宽带宽和较高功率密度），而该里描述的禪合的第一和第二机械放大器 的布置用于最小化或减小参数共振器的启动阔值幅值。该可W有利地解决现有技术中的 Daqaq等人描述的问题，并且允许较小幅值振动的有效采集。
[0009] 本发明的操作原理的说明可W为如下。参数共振器的性能可W使用如下面更详细 地描述的Mathieu方程被描述。如图11中示出的参数共振器的性能的一个方面是启动幅 值阔值随着共振器的阻巧的增加而增加。在能量采集器中，需要阻巧（通常为电阻巧）来 生成功率输出。本发明的实施方式因此使用机械结构，其中能量通过参数共振器的激励被 采集，但其中该参数共振器为（1)无衰减的（参数共振器被禪合到另外的机械放大器，该另 外的机械放大器被衰减W提取功率）或者（2)通过机械放大器被驱动，该机械放大器是无 衰减的并且可W增加禪合到参数共振器的驱动幅值。
[0010] 在选项（1)中，由于参数共振器是无衰减的，因此其启动幅值阔值可W被最小化。 在选项（2)中，参数共振器可W被衰减W提取功率，在该种情况中，其启动幅值阔值可能通 过该阻巧被提高。然而，参数共振器通过机械放大器被驱动，该机械放大器优选地增加能量 采集器的振动输入的幅值W便超过启动幅值阔值。
[0011] 在选项（2)中，特别的实施方式可W是自动参数共振器结构，其中输入振动驱动 第一机械放大器，该第一机械放大器包括直接或普通共振器。第一机械放大器被禪合到第 二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器。直接共振器和参数共振器的共振频率 被匹配使得直接共振器的共振频率是参数共振器的共振频率的约数。（换句话说，参数共振 器的共振频率是直接共振器的共振频率的多倍，诸如2、3或4倍其共振频率。）两个共振器 的组合因此用作自动参数共振器，其中参数共振可W通过很小的启动幅值被驱动。
[0012] 在选项（1)和（2)中，第一机械放大器（在选项（1)中包括参数共振器并且在选 项（2)中包括用于驱动参数共振器的机械放大器）被描述为无衰减的。然而，如上面进一 步描述的，在本发明的一些实施方式中，第一和第二机械放大器都可W被衰减W提取能量 采集器的能量输出的相应部分。在该种实施方式中，重要的因素是，能量输出的至少一些是 从第二机械放大器被获取，例如使得第一机械放大器的阻巧通过其被禪合到第二机械放大 器而被减小。
[0013] 术语机械放大器是指装置或结构，优选地无源的装置或结构，该装置或结构放大 机械位移和/或力，并且包括诸如杠杆，参数共振器、或普通共振器等的结构。术语参数共 振器是指被布置用于w参数共振被驱动的共振器。典型地取决于输入振动的方向和频率， 共振器结构能够作为参数共振器或普通共振器被驱动。参数共振器因此W参数共振被输入 振动驱动并且普通共振器W普通共振被输入振动驱动。该种共振器可W包括诸如双稳定的 或多稳定的共振器，或双稳定的或多稳定的梁。
[0014] 在该个文件中，参考衰减的和无衰减的机械放大器。在真实世界中，所有机械结构 在一定程度上被衰减。在该个文件中，术语无衰减的是指机械放大器不直接连接到阻巧机 构，该阻巧机构用于从能量采集器提取功率。如果机械致动器被描述为无衰减的，它可能虽 然被禪合到衰减的机械致动器，该衰减的机械致动器例如被电力地衰减W生成能量采集器 功率输出。在该种情况中，虽然一个机械放大器被描述为无衰减的，但电阻巧可W从两个机 械放大器（包括无衰减的和衰减的机械放大器）提取一些能量。
[0015] 能量采集器的MEMS(微电子机械系统）实施可能适合于实施本发明的实施方式， 并且被实施用于MEMS振动能量采集器（VEH)的S种最常用的机械到电变换机构在下面被 总结。
[0016] ?电磁的：由于在较小尺寸下使用目前的微机械加工技术减小线圈应密度和填充 系数，功率输出不随着递减的尺寸良好地缩放。该个技术因此更适合于较大的能量采集器。
[0017] ?静电的；成熟的MEMS技术，可W被容易地制造且与1C技术集成。然而，理论的 和该文献中报告的峰值功率密度比其对应物低一个数量级。
[0018] ?压电的：良好地缩放并且提供高的性能，特别地PZT(压电变换器），但MEMS制 造与静电的相比不太容易。基于A1N和ZnO的采集器现在通过已有制造技术实际上可实现。
[0019] 下面数点总结本发明的实施方式的一些重要方面。
[0020] 衰减的Mathieu方程用于描述参数共振器的性能：
[0021] 克+ CX + (5 + 2€C〇s(2t))x二0
[0022] 其中X是位移，C是阻尼，t是时间域，e是通用激励幅值参数并且5是通用自然 频率平方参数。
[0023] ?图11示出用于参数共振器的不同阻巧水平的阻巧的Mathieu方程的S个分支 图。如图11中所示，在没有阻巧C的情况下，对于主要参数共振（一阶），不存在启动幅值 阔值。
[0024] ?当实现参数共振时，潜在地能够达到与其在基本共振模式下常规线性或直接共 振器相比较高的幅值和较宽的频率响应。
[00巧]?随着增加的阻巧（在真实世界中机械阻巧总是存在于共振器中，并且需要电阻 巧来提取电功率输出），启动幅值阔值增加。该在图11中的第二和第=图中被示出。
[0026] ?对于小幅值输入振动，该种启动幅值阔值在达到参数共振中引起问题。
[0027] ?本发明的实施方式将参数共振用于振动能量采集。
[0028] ?本发明旨在减小该个启动阔值的影响W实际上实现参数激励的振动能量采集 器。
[0029] ?该可W通过电力地衰减另一禪合的自由度机械放大器（另一共振器或非共振 机械放大器，诸如杠杆）而最小化或减小参数共振器上的电阻巧被实现。该是上述选项 (1)，并且可W固有地减小分支图（图11)上的阔值。
[0030] ?另一方法可W是引入直接共振器或非共振机械放大器（诸如杠杆）作为第一自 由度。该是如上所述的选项（2)，并且可W放大基础或输入激励幅值W帮助它跨越该阔值并 且因此激励参数共振器。
[0031] 图12是流程图，该流程图示出本发明的优选实施方式的概述操作原理。图13是 更详细的流程图，该更详细的流程图示出具有减小的启动阔值幅值的参数激励的振动能量 采集器的可能设计思路。该些设计思路的【具体实施方式】将在下面进一步被描述。
[0032] 理论巧仿直-参撒共振
[0033](对于在能量采集器中使用参数共振）使用动机可W被总结为：
[0034] ?通过机械地放大位移幅值增加功率输出（可能比其直接共振器对应物高一 级）。
[00巧]?通过其共振峰值的非线性特性加宽操作频率带宽。
[0036] 与直接激励不同，参数激励在方向上通常竖直于且不平行于驱动位移。为了从该 种激励实现参数共振，激励频率《需要近似为2?yn;其中是共振器的自然频率并且 n是阶数（约数，submultiple)。因此，当激励频率是两倍自然频率时，可W获得一阶（主 要）参数共振。另外，存在非零初始位移的前提W便将该系统"推"出稳定的平衡。
[0037] 除了该些要求外，在达到如图1和11中的分支图中示出的参数共振区域之前，激 励幅值需要克服依赖于阻巧的启动阔值。在振动能量采集的情况下，该看起来达不到预 期 目的，该是由于该技术的本质依靠电力地衰减机械共振器W便提取电能。然而，一旦参数共 振被激活，振荡幅值增长就不受线性阻巧限制并且仅可W通过物理极限或非线性的开始而 饱和。
[0038] 悬臂共振器
[0039] 悬臂共振器是该技术中的常见设计选择。它能够在自由端部附近实现大的位移 (对于电磁的和静电的变换器是理想的）且在夹紧的端部附近经受高水平的压力（对于压 电变换器是理想的）。通常，如下面总结的，悬臂通过平行于该位移的直接激励（普通共振） 被驱动。
[0042]其中，Cl是粘性阻巧，C2是二次阻巧，yX3是S次几何非线性，A是激励位移幅值，k 是弹黃刚性，m是有效质量，1是有效梁长度，E是弹性模量并且I是截面惯性矩（thearea momentofinertia)。
[0043] 当参数激励竖直于位移的方向被施加时，可W观察到W下运动方程（衰减的 Mathieu方程的一种形式）。
[0044]
[004引图22数值地（W1E-05的"相对公差"使用MTLAB中的ode45求解器）对比当 在变化的加速度水平下通过任一类型的激励被引起时微悬臂的共振峰值。虽然直接激励总 是产生响应而与激励水平无关，但其参数对应物在启动阔值幅值之下具有零稳态响应，并 且需要小的非零初始位移条件。然而，随着递增的激励幅值超过该个阔值，参数共振快速地 胜过基本共振模式。
[0046] 该个数值仿真和该文献中的已有实验研究（如上面提及的化qaq等人）都对该启 动阔值订阅很大数量级；而实际上，对于采集来说可用的周围振动通常是非常小的。来自日 本铁路桥的记录的振动为大约0.Ims^2。因此，该个阔值和图11中示出的基础轴线的间隙 需要被最小化W便将参数共振的优点实际上用于该个技术。
[0047] 设计和制造
[0048]可能可W通过克服启动阔值幅值的限制使用有源致动器来激励参数共振器。然 而，能量采集不能提供另外的功率消耗。因此，满足该个关键标准的无源方案是高度期望 的。
[0049] 图12给出用于解决该个问题的提出的优选设计方法。第一设计思路使用电力地 无衰减的参数共振器，该电力地无衰减的参数共振器与另外的电力地衰减的机械放大器禪 合。在该里，参数共振器具有固有地低的启动阔值幅值。第二设计思路在电力地衰减的参 数共振器之前引入电力地无衰减的机械放大器。在该种情况中，基础振动幅值被放大并且 引向该阔值W便激活参数共振。回头参考图22,第一方法本质上降低不稳定区域，而第二方 法升高水平基础轴线。
[0050] 虽然参数共振技术理论上允诺与常规直接地激励的采集器相比更好的功率和频 率响应，但需要满足启动标准，诸如幅值阔值等。用于解决该个的无源设计方法已经实验地 显示该个阔值减小近似30倍。与W基本振动模式被驱动的相同采集器相比，对于参数激励 情况，已经记录高一个数量级W上的功率响应和接近两倍操作频率带宽。
[00引]周兩能量采集
[0052] 周围振动典型地包括沿一系列方向振荡的大范围的或一系列的频率。如上面描述 的，对于使用普通或直接共振器的常规能量采集器，因为它们的窄的频率响应，该引起特别 的问题。如该里描述的，与直接共振器相比，参数共振器可W具有更宽的频率响应并且因此 能够在更宽的频率带上俘获振动能量。然而，有效的能量采集器可W有利地包括响应于不 同的振动频率的两个或更多个参数共振器，和/或在不同方向的两个或更多个参数共振器 W便从一系列振动频率和/或一系列振动方向收集能量。
[0053] 能量采集器因此可W包括两个或更多个子单元的阵列，每一个子单元包括一个或 更多个参数共振器。该种阵列中的子单元或参数共振器可W被机械地禪合W便覆盖宽的操 作频率带宽。
【附图说明】
[0054] 包括本发明的【具体实施方式】的描述的本发明的操作原理现在将参考附图被更详 细地描述，其中；
[005引图1是曲线图，该曲线图示出Mathieu方程的5-e参数平面中的稳定的（没有 阴影的）和不稳定的（有阴影的）区域（数值地产生的）。不稳定的区域表示参数共振的 实现；
[0056] 图2是参数激励的振动能量采集器（PEVEH)实施方式的示意图。竖直驱动力获得 参数激励；
[0057] 图3是框图，该框图示出如下面描述的构造的MTLAB数值模型的总体结构；
[0058] 图4和5示出对于图2的实施方式在临界阻巧附近振荡幅值积累（在时间域中） 的数值仿真。图4设及普通共振的激励并且图5设及参数共振。在该种情况中，与普通共 振相比，参数共振需要较长的时间来收敛到稳态；
[0059] 图6a和化示出频率域中的参数共振和普通共振的数值计算响应之间的比较；
[0060]图7是激励幅值与峰值稳态功率输出图，该图示出对于变化的激励幅值的参数和 普通共振的峰值功率响应之间的定量数值比较；
[0061] 图8示出对于如图2中示出的且具有如表3中的规模的能量采集器的实验振荡幅 值积累的实验测量；
[0062] 图9示出对于图8中测试的能量采集器的对于各种激励幅值A的频率域中的实验 功率响应的波特图；
[0063] 图10示出对于图8和9中测试的能量采集器在可比加速度（~0. 6ms^下的参 数共振（为了对比的目的，频率刻度被减半）和普通共振的实验频率带宽和可提取功率；
[0064] 图11在衰减的Mathieu方程的分支图中示出对参数共振器的启动幅值阔值的阻 巧效果。有阴影的区域是当实现参数共振时。随着阻巧C的增加启动幅值增加；
[0065] 图12是流程图，该流程图概述用于构造包括本发明的多个方面的能量采集器的 优选设计原理。该些是用于无源地最小化启动阔值幅值的设计方法。在该图中，"另外的机 械放大器"包括直接和参数共振器W及非共振放大器，诸如杠杆；并且"nDOF"是n自由度 (n= 0, 1，2,…）；
[0066] 图13是比图12更详细的流程图，该流程图总结帮助减小启动阔值幅值或解决启 动阔值幅值的问题的参数激励的振动能量采集器的可能设计思路；
[0067] 图14到21示出体现图12和13中阐述的设计思路的不同的能量采集器结构； [006引图22是曲线图，该曲线图示出在各种激励加速度水平下直接和参数激励之间的 稳态共振峰值的数值比较；
[006引图23和24示出两个MEMS悬臂的C0MS0L设计。直接激励等于平面外驱动力，而 平面内激励可W潜在地引起图23中的参数共振和图24中的自动参数共振。电容梳齿延伸 离开悬臂梁。伴随的固定梳齿在该里没有被示出.
[0070] 图25和26分别示出图23和24中示出的参数地和自动参数地可激励的MEMS设 计的S0IMUMPS实现；
[0071] 图27是用于图24和26的悬臂共振器的双梁支撑件的放大视图；
[007引图28是曲线图，该曲线图示出在4. 2ms^2的输入加速度下的自动参数采集器的实 验功率响应。在自然频率f。的两倍和一半下分别可W见到一阶和=价参数共振；
[0073] 图29是示出图24、26和27的能量采集器设计的质量弹黃阻巧器（damper)等同 物的图；
[0074] 图30在30(a)示出包括被支撑在梁上的参数共振器（直接共振器）的本发明的 实施方式的示意图，该梁在两个端部被夹紧或错固在无应力状态中和在预应力双稳态状态 中，并且在30化）示出曲线图，该曲线图示出该梁的双稳态；
[0075] 图31示出禪合到如图30中示意性地示出的两端夹紧梁（clamped-clampedbeam) 的主要参数激励的悬臂；
[0076] 图32示出具有和没有对图31中示出的梁施加预应力引起的双稳态的实施方式的 实验测量的功率频谱；
[0077]图33是本发明的实施方式的模型图，该实施方式包括直接地和参数地激励的具 有侧弹黃的双稳态共振器；
[007引图34示出图33中示出的能量采集器类型。通过竖直激励，竖直悬臂充当PR(参 数共振器）并且水平悬臂充当DR(直接共振器）。两个辅助共振器搁置在预应力的双稳态 CCB(两端夹紧梁）上。两个侧弹黃帮助势垒（potentialbarrier)的调制并且增加突弹跳 变的可能性；
[0079] 图35给出曲线图，该曲线图示出具有侧弹黃的双稳态系统的势垒的高度的典型 调制，实现跳跃到相邻的势阱内（potentialintra-well)的较高可能性。参数T是与该调 制相关的时间周期；
[0080] 图36示出图34中示出的原型对真实振动数据的放大的采样的实验记录的电压响 应；
[008。图37、38和39示出本发明的另外实施方式，其中使用电磁能量采集装置；
[0082]图37示出能量采集器的透视图，其前部安装平面为了清楚而被省略；
[008引图38示出对应于图37的视图，但W虚线示出细节拟及
[0084] 图39示出图37和38的能量采集器的内部结构的视图。
【具体实施方式】
[0085] 在振动能量采集领域中，关键技术难题继续是已有设计的低功率密度和窄的操作 频率带宽。虽然惯例已经依靠通过直接激励的（直接共振器的）基本共振模式的激活，本 发明可W通过将参数共振用于能量采集有利地提供或实现新的范例。与直接共振不同，参 数共振中的振荡幅值增长由于线性阻巧而不收敛到稳态。因此，使用参数共振的能量采集 器的功率输出可能积累到较高的水平。另外，非线性的开始（onset)最终限制参数共振；因 此，该种方法也可能潜在地加宽操作频率范围。本发明人的理论预测和数值仿真已经表明， 振荡幅值增长高一个数量级可能是可实现的。
[0086] 在本发明人的原始实验中，大尺寸的电磁原型（实际体积大约1800cm3)被建造 且测试。该个装置在图2中被示出并且在下面被更详细地描述。当被参数地驱动时，相比 于W基本（普通的或直接的）共振直接驱动的相同原型（36.5yWcnTW，W〇.65ms^2， 27. 5mW)，该个装置已经展示半功率带的大约67%增加和相对于输入加速度平方的标准化 的高一个数量级的峰值功率密度（293yWcm-3m-2s4,W0. 57ms2,171. 5mW)。该个图表明与诸 如Pe巧e化um'SPMG-17(119yWcnTW)的现有技术大尺寸对应物相比有希望的潜力。
[0087] 在过去十年中，能量采集已经被见证了学术界和工业界对其兴趣的快速增加。与 常规功率生成的从顶向下的过程相比，能量采集的分散的且自维持的性质提供电池的方便 的机载补充W便远程和无线装置的寿命延长。
[0088] 太阳能已经出现作为用于分散发电的相对成熟的技术；然而，它不适合于光度不 足的封闭的或嵌入的应用。在另一方面，在很多种应用中观察到周围动力学振动；从轨道到 桥，工业压缩机到祸轮发动机，和通道到人类运动。因此，它是为供电和维持无线电传感器 节点的常用能量源，例如用于结构健康监视。
[0089] 大多数常规振动采集器依靠通过二阶质量弹黃阻巧器系统的直接激励的基本共 振模式的激活，在该二阶质量弹黃阻巧器系统中，平行于振荡位移（displacement)的方向 施加驱动力。当激励频率匹配该系统的共振频率时，获得基本共振模式。通过直接激励实 现的该种类型的共振也称为"普通共振"。
[0090] 该种新兴技术的两个主要 的持续存在的技术难题是小的功率密度和窄的操作 频率带宽。由于真实世界振动源的随机的和连续变化的性质，理想的采集器应当能够在 宽的频率范围上运行。然而，通过阻巧调谐设计的具有较平坦的共振响应的系统折中了 (compromise)可实现的峰值功率。因此，理想目标是最大化峰值功率和频率带宽两者。
[0091] 为了试图解决该个困境，本发明的实施方式使用参数共振（一种类型的自激励非 线性共振）作为机械放大的手段，同时利用其非线性共振特性来加宽频率带。当外部激励 导致内部系统参数的周期性调制时，引起该个特别的共振现象。与普通共振相比，该驱动力 通常垂直于振荡位移被施加。
[0092] 如上所述，该种方法遭受重要的问题，即在接近参数共振机制（regime)之前需 要激励幅值超过一定启动阔值。本发明的实施方式旨在克服参数激励的振动能量采集器 (PEVEH)的缺点W实现该种类型的装置的实际实现。
[0093] 参数共振由于自激励不稳定现象而不同于大多数振动共振。存在两种分类；异性 参数共振（在现代学术界中它被简称为参数共振）和自动参数共振。异性参数激励由响应 于外部力的某些系统参数的周期性调制引起。自动参数共振起因于多个自由度系统的各种 自然频率之中的某些整数比关系，导致该系统的一个振荡分量在第二振荡器上引入该系统 参数的周期性调制。本发明的实施方式可W使用任一形式的参数共振。
[0094] 表1总结了胜于使用普通共振的振动能量采集的目前范例的参数共振的优点。与 普通共振不同，受普通无衰减的Mathieu方程（下面的方程1)支配的由于参数共振的振荡 幅值增长不通过线性阻巧收敛到稳态并且仅可W在高的幅值下由非线性的开始或物理极 限限制。非线性的该种出现可W另外帮助参数共振器可W在其内操作的频率带的加宽，因 此同时满足W下两个目标。
[0095] ?使用参数共振作为机械放大的手段W最大化功率峰值。
[0096] ?使用其非线性共振峰值来加宽操作的频率带宽。
[0097]
[009引在普通共振上使用参数共振的动机。由前者投入的能量Ei。，巧;帛A)正比于通过线 性阻巧的能量耗散而在后者中它与成比例。因此，理论预测振荡幅值增 长相对于普通共振高一个数量级。
[0099]
[0100] 根据无衰减的Mathieu方程（方程1);
[0101] X+ {5 + 2scos(2t))x = 0 (1)
[010引5和e和是通用参数，其值确定该系统的稳定性，化及t为时间。当位移XX具有 无界解时，可W实现振荡幅值的指数增进。该种幅值增长在纯线性环境中可W理论地接近 无限并且在图1中示出的分支图中由不稳定区域（有阴影的）表示。通常在周期性激励的 系统的两倍自然频率（如下面给出的）下观察到的一阶或主要参数共振展示最大的不稳定 区域。
[0103] 在衰减情况中（即，对于衰减的参数共振器）主要的一个阻碍因素是在克服初始 阻巧之前需要激励幅值超过一定阔值幅值；例如化qaq等人经验和所报告的。另外，该系统 将被限制在稳定的平衡内。所需的精确阔值幅值取决于具体系统的工作机理。另外，也需 要初始非零位移来将该系统"推"离稳定的平衡。
[0104] 图2中的设计示意图示出了大尺寸参数激励的振动能量采集器（PEVEH)原型。参 数激励可W在依赖于精确激励标准的多种系统中被观察到。图2示出一个该种系统，其中 摆键112被悬挂在杠杆梁108的左手端上，该杠杆梁当摆键静止时在支点110上平衡，该支 点110被固定到基座（未示出）。在该梁的右手端安装变换器（trans化cer) 114。该包括 固定到该梁的磁体，当该杠杆梁相对于支点倾斜时该磁体可W在固定线圈（未示出）内移 动。然后，可W从该线圈提取电能。该个系统可W如图2中所示被直接地且/或参数地驱 动。经由支点的从错固的基座的振动的传播W角位移0 (t)驱动摆键。该杠杆机构在具有 竖直位移y(t)的变换器侧上实现进一步的机械放大（假定小的弧度）。在没有振动的情况 下，杠杆梁108平衡使得它保持水平。施加水平驱动振荡（Ahcos?ht)到支点110,并且因 此到摆键112等于直接激励，当等于摆键的自然频率《。时，该直接激励允许激活普通 共振。在竖直驱动该支点并且因此该摆键（Ahcost)是参数激励并且当2?。时 可W激活摆键的参数共振。由摆键运动引起的杠杆的位移在变换器侧上被杠杆进一步机械 放大，使得电能可W从变换器被吸取。
[0105] 主要阻巧（变换器的电阻巧）不直接作用在摆键上。因此，激活参数共振所需的 启动幅值阔值低于摆键质量被主要地或直接地衰减的设计。
[0106] 在摆键悬挂时水平地驱动摆键（通过支点的水平振荡）引起由方程2支配的直接 激励。
[0107]
[010引其中0是摆键的角位移，《。是摆键的角自然频率，《h是水平激励角频率，Ah是 水平激励位移幅值，C是摆键阻巧系数，1是摆键臂长，W及t是时间域。在竖直驱动力参数 地驱动该摆键的情况下，方程3支配该系统的运动。随时间变化的系数的存在暗示该是衰 减的Mathieu方程并且可W启动参数激励。
[0109]
[0110] 其中是竖直激励角频率并且Av是竖直激励位移幅值。当水平（直接）和竖直 (参数）激励都存在时，方程4变成支配方程（governingequation)。
[0111]
[om]当《h= ?。时，在方程2和4中可w获得普通共振。当《v=2?〇/n(其中n是 阶数）时，在方程3和4中可W获得参数共振。当n= 1时观察到主要参数共振。
[0113] 图2中示出的采集器的核屯、机制设及振动激励在竖直方向上沿系统支撑件（支点 和平衡的杠杆）传播W在摆键悬挂时参数地驱动摆键。当摆键的角位移0 (t)是非零时， 杠杆梁108 (充当另外的机械放大器）不平衡并且沿竖直方向驱动变换器。Fi(t)是摆键的 重量施加的力，F2是变换器侧的重量，并且F3(t)是由于变换器的电阻巧而作用在杠杆梁上 的力。
[0114] 描述静止的平衡的（t= 0W及0 = 0)杠杆梁的平衡方程由方程5给出。
[011 引Fi(t)la(t) =Fglb
[011 引其中，Fi(t)=相-m)g+mgcos(白（t))
[0117]并且，Fi(0) = (mi-m)g+mgcos(0) =mig[011 引 而且，F2=ni2g
[0119] 因此，migla(O) =niiglb(5)
[0120] 其中m是摆键质量，mi是摆键侧总质量，m2是变换器侧总质量，lg(t)是摆键的质 屯、和支点之间的有效长度，1。(〇)是静止的原始的常数参数，1b是变换器侧质屯、和支点之 间的有效长度，并且g是由于重力的加速度。在动态响应下，lg(t)由方程6表示并且在杠 杆梁中引起不平衡。
[0121] la(t) =la(0)-Sgn( 0 (t) )Ala(t)化）
[012引其中，A/a的=Zcos(0的）
[012引其中，Al,(t)是当摆键运动时有效长度Ut)的改变并且0 = 0.5TT-e。在杠杆梁 根据时间绕支点摇动时，变换器侧质量（磁体）114W位移y(t)相对于紧密放置（closely placed)的固定线圈移动。对于lb>>y(t)，可W假定小的弧度并且y(t)可W近似为化e approximatedas)简单的竖直位移。对变换器的电阻巧做的机械功和从该系统可提取的电 功率可W通过关于杠杆梁的动态力被估计。因此，该系统的支配方程总结为如下。
[0124] ((mi-m)g+mgcos(日（t))) (la(t) =Ib(ni2g+F3(t)) (7)
[0125] Fs(t)项在该里被假定为近似等于来自当0是非零时由于杠杆的不平衡引起的扭 矩的机械力。对于理想的变换器该种假定是正确的，在该理想的变换器中在机械到电功率 转换期间保持能量守恒，同时考虑各种阻巧项。
[012引对于电磁变换器，位移W平方关系与电功率输出Pdw相关；即0 在 理想的电载荷条件下（当电阻巧D。等于寄生阻巧Dp时）可实现的理论最大电功率输出的 估计值Pmaxele立方程8中被假定。
[0127]
[012引其中m'是总质量，并且a'是该个质量的随时间变化的加速度。来自该个方程的 总的m'a'项是理想电磁变换器经历的机械力。因此，m'a' 和最大电功率输出的 估计值可W通过将该个项代回到方程7中被计算W获得方程9中的0 (t)依赖的功率输出 关系。取决于激励标准，0 (t)自身由方程2到4的一个确定。
[0129]
[0130] 在载荷下可提取的最大功率P胃tit,^)的实际量也取决于如方程10和11 中分别限定的电阻性载荷条件和电磁变换的电阻巧值。）。其中RiMd(Rife^)是电阻性载荷， Rccii(R线)是线圈的电阻，N是线圈应数，…(1线圈）是线圈的长度，B是通量密度，Lewi(L 线目）是线圈的电感。对于频率<1曲Z，方程11的虚数分量可W被忽略。
[0133] 虽然D。直接抵抗y(t)，但它也部分地影响0 (t)，该是由于它限制杠杆的动态运 动。该系统和变换器的实际效率W及另外非线性阻巧因素进一步减小上面估计的最大功 率。因此，需要各种拟合的数值因子（常数或位移的函数）作为诸如Fs(t)，Dp, D。，的变量和 从D。到摆键阻巧的反馈阻巧的系数W便数值模型提供更真实的估计并且与实验模型匹配。
[0134] 数值仿真
[013引图3中概述的使用MTLABSimulink的数值模型用表2中的数值参数被构造W在 各种激励条件下研究PEVH1设计（图2中）的性能。
[0136]表 2
[0137] 数值仿真中使用的系统参数 [013引
[0139]
[0140]m是摆键的质量并且叫和m,是杠杆梁的每一个端部的质量。1是摆键的长度并且 ll和1 2是杠杆梁的每一个端部的长度。
[0141] 由于临界阻巧附近的普通和参数共振的在时间域中的摆键的角位移积累的定性 对比分别在图4和5中被给出。参数共振固有地具有较长的过渡状态。然而，它可W潜在 地积聚到较大的位移幅值（注意，与图4的竖直轴线相比，图5的竖直轴线被压缩）。如上 面已经建立的，输出功率响应正比于位移平方。因此，增加振荡幅值的效果在功率峰值的上 升中通过该个平方关系被放大。图6a和化定性地比较在频率域中该系统对两种情况的功 率响应（注意，与图6a的竖直轴线相比，图化的竖直轴线被压缩）。对于具有增加的激励 幅值A的普通共振，自然频率f。附近的非线性的开始，并且因此频率带的加宽是相对平缓 的。在另一方面，即使在低的A，参数共振展示相对更显著的非线性，之后是在更高A的更高 阶的非线性（较睹的峰值）的开始。然而，恰好在该频率带外部且/或当A在启动阔值幅 值（在该个情况中，该启动阔值幅值是大约4. 25mm)之下时，后者具有零稳态响应。
[0142] 可W观察到，参数共振中的非线性起更重要的作用并且甚至在低的幅值下被见 至IJ。在另一方面，与普通共振相关的非线性仅在高的幅值下变得显著。因此，对于给定的激 励幅值，参数情况展示相对较宽的操作频率带。然而，图化中的自然频率标记线的左手侧 上的较高的非线性峰值仅当初始位移存在时或在向下频率扫描期间是可实现的。该是因 为在向上频率扫描期间，在达到该些另外操作频率带时，初始系统位移是不存在的；换句话 说，该系统可W被俘获在较低分岐点。
[0143] 非线性峰值中的急剧跳跃（细长的峰值形状）在图化中在高的激励幅值被观察 至IJ，表明较高阶的非线性的开始。对该种性质的理论解释是，在该些大的幅值，摆键振荡不 再接近简谐运动，而是经历霍普夫分岐Olopfbi化rcation)达到极限循环运动，因此在峰 值功率水平中产生更快的增长。
[0144] 随着激励幅值增加，振荡幅值（并且因此峰值功率）也对应地增加。对于普通共 振，由于0 -P关系，二阶多项式关系存在于位移幅值和功率增长之间。然而，对于参数共 振，位移幅值增长通过较高阶非线性系数被夸大，如图7中的定量对比中展示的。图7是相 对于激励幅值的峰值稳态功率输出的图，该图示出参数和普通共振的对变化的激励幅值的 峰值功率响应之间的定量数值对比。超过激励幅值的某些阔值，参数共振快速地胜过普通 共振。定性地，普通共振匹配二阶多项式曲线，而参数共振展示更高阶非线性特性。因此， 响应于增加的激励幅值，后者的位移幅值（和峰值功率）增长更快。
[0145]此外，在高的激励幅值下参数共振的幅值增长速率的另外急剧跳跃可W被观察 至IJ。该表明另外较高阶的非线性的开始并且与图化中的观察一致。
[0146] 显然，数值仿真已经表明，参数共振由于与其普通共振对应物相比更显著的非线 性和更高的可实现功率峰值而具有更宽的操作频率带。然而，应当注意，如上面描述的性 能"高一级"不一定表示绝对功率量级，而是更本质上地表示图7中展示的较高阶多项式性 能。实际上，当激励幅值正好少量地超过所需启动阔值幅值时，可实现的绝对峰值功率可W 低于其普通对应物。因此，参数方法在较高的激励幅值下愈发有益。
[0147] 为了验证理论和数值预测，如图2中示出的并且具有如下面的表3中列出的系统 参数的大尺寸电磁原型被构造和研究。表3中的未测量的参数被数值地估计且拟合W便将 数值模型与实验功率响应匹配。
[014引表3
[0149] 实验原型的系统参数和对应数值模型的拟合值（用于匹配记录的功率响应）。
[0150]
[0151] 变换器具有大约50cm3的总组件体积和近似90cm3的实际装置体积。四磁体布置 用于变换器电功率产生。该磁体是圆盘形烧结的钦铁棚，具有22mm直径和10mm深度的尺 寸。该线圈也是圆柱形形状的，其尺寸是50mm外直径，5mm内直径，10mm深度，90微米线直 径和近似25万的估计线圈应数。该原型的总组件体积近似为500cm3并且其实际装置体积 是大约1800cm3。
[0152] 记录的峰值电功率（具有理想的载荷电阻）在参数共振下在1. 70ms^是956. 6mW 并且在普通共振下在〇.65ms^是27. 75mW。此外，在该种情况（从此记下峰值功率图）下 的参数共振不达到稳态，而是由该设计的物理极限约束，该物理极限仅允许摆键展示±f弧 度的最大角位移。如果适应更大的角位移或圆形运动，则可W实现更高的功率水平。
[0153] 图8示出对于如图2中示出的且具有如表3中的尺寸的能量采集器的实验振荡幅 值积累的实验测量。0的幅值正比于电压输出V且与电压输出V直接地和线性地成比例； 并且通过关系：0VP与功率输出P相关。注意，图8中记录的最大峰值到峰值电压 (Vpp)对于参数共振远远大于对于普通共振巧6. 4V对比21. 8V)。
[0154] 关于对于参数情况的较长过渡状态，图8中示出的振荡幅值积累的定性对比符合 图4和5的数值模型。然而，最终稳态积聚到远远高于普通共振的功率水平。
[0155] 图9示出对于图8中测试的能量采集器的对于各种激励幅值A的频率域中的实验 功率响应的波特图。记录的峰值功率数据的拟合的模拟等同物也被绘制。通过更高的A，参 数共振的非线性快速地变得显著并且导致频率带宽的加宽，而普通共振的非线性保持相对 有限的。如图化中描述的在高的幅值下与参数共振相关的非线性峰值的急剧跳跃被验证。 非线性峰值在向上和向下频率扫描期间具有不同的响应，因为它们仅当显著的初始位移存 在W允许该系统跳跃到较高分歧点时才是可实现的。
[0156] 在类似的激励水平附近（见表4)，在该些实验中，参数共振产生比普通共振高6倍 W上的峰值功率。用于驱动能量采集器的机械震动器（shaker)在幅值上具有近似5mm的 物理极限。在该种约束内，普通共振未能展示可观察的非线性。操作频率带宽从半功率点 (峰值被测量。
[0157]表 4
[015引普通和参数共振的实验性能的对比。后者已经表明超过6倍的较高绝对峰值功率 (在可比较的加速度~0. 6ms^并且在相对于加速度平方标准化的功率密度方面也表现好 一级。因为震动器的近似5mm的物理幅值限制，对于普通共振的较高加速度没有被测量到。 [0159]
[OW] 图10示出对于图8和9中测试的能量采集器在可比加速度（~0. 6ms气下的参 数共振（为了对比的目的，频率刻度被减半）和普通共振的实验频率带宽和可提取功率。 较暗的有阴影的区域表示半功率带内的可提取功率。按绝对意义，普通和参数共振分别具 有0. 033和0. 055化的半功率带。较亮的有阴影的区域代表普通共振的半功率点（峰值 上方的通过参数共振可提取的额外潜在功率（带宽~0. 153Hz，超过4倍（4-fold) 更宽）。图10对比在类似输入加速度水平（~0. 6ms^的两种共振的频率带宽和可提取 功率。在该种情况中，与普通共振相比，参数驱动的系统展示操作频率带的大约67%增加。 将普通共振半功率点作为参考，参数情况功率曲线经历超过4倍的更宽频率带宽。
[0162] 图2中示出的并且具有如表3中的尺寸的能量采集器已经在实验上表现出在参数 共振下比在普通共振下好一个数量级，确认其优点的理论和数值预测。两种情况的优点和 缺点的总结对比在表5中被给出。除了与自身对比，表6简要地将原型的性能与选择的现 有技术大尺寸电磁振动能量采集器对比。该里报告的实验结果优于现有技术。
[0163] 如上面提及的，Daqaq等人（2009)看起来是第一的且到目前为止仅有的已经研究 将参数激励用于振动能量采集的人。但尽管存在该分析，而实现实用性能的进一步发展在 现有技术中尚未被报告。如在现有技术中描述的，参数激励的系统的严重限制是需要激励 幅值克服初始阔值；在该初始阔值之下，稳态响应将是零。Daqaq等人已经提供用于该种阔 值幅值的分析模型，但没有提供该问题的任何解决方案。
[0164]表 5
[0165] 普通和参数共振之间的总结对比。
[0166]
[0167]启动阔值幅值问题不是化qaq等人的参数激励的悬臂特有的。然而，该里报告的二自由度PEVH1设计有利地较少受该个缺点约束。该是因为本发明人已经理解，该系统中 的主要阻巧充当该种限制的关键贡献者（并且对于理论上无衰减的情况该阔值是不存在 的）。对于PEVEH，主要阻巧源（变换器）作用于辅助振荡元件（杠杆梁）。因此，主振荡元 件（摆键）的激励处于不同的自由度上并且初始阻巧的效果被最小化。如化qaq等人提出 的，如果主要阻巧源与参数共振处于相同的自由度上，则需要不利地较高的启动阔值幅值。 [016引需要非零初始位移（用于将该系统"推"出稳定的平衡）是大多数参数激励的系 统的另一性质。将静止位置置于不稳定平衡中的设计可W用作解决方案。
[0169] 尽管参数驱动的采集器展示了显著较高性能的潜在能力，但其是不完美的。因此， 用于彼此补偿和补充的直接和参数激励的集成可W用作振动能量采集的理想解决方案。
[0170] 也可W有利地使用自动参数共振的现象。该种工作机理内的直接激励分量的存在 减小启动阔值幅值并且有助于克服非零初始位移的要求。因此，它可W补充参数激励的采 集器的缺点，同时利用其性能优点。
[0171] 本发明人的实验已经表明将参数共振用于振动能量采集。数值仿真和构造的实验 原型已经验证W下理论预测；与普通共振相比，振荡幅值（此后功率）增长高一级。按照 对输入加速度平方标准化的功率密度，在参数共振下实验记录的峰值功率（在0. 57ms^2为 171.5mW)已经胜过普通共振（在0.65ms^2为27.75mW) -个数量级。随着增加的幅值的显 著的非线性的增长也表明从它们的相应的半功率点测量的操作频率带宽增加了 67% (或 者如果普通共振的半功率点作为参考，则超过4倍）。另外，该些初始实验结果优于现有技 术。
[0172]表 6
[0173] 在相对于加速度平方标准化的功率密度方面，将PEVEH与选择的现有技术大尺寸 电磁振动能量采集器比较。
[0174]
[0175]
[0176] 图12和13总结可W用于开发本发明的实施方式的优选设计原理。特别地，该些图 总结有利地（可选地）通过形成自动参数共振器可W实现参数共振器的振动幅值阔值的减 小或用于驱动参数共振器的输入振动幅值的放大的第一和第二机械放大器的属性的选项。
[0177] 该些设计原理设及上述选项（1)和选项（2)，并且设及
【发明内容】
中限定的结构，该 结构指的是禪合在一起的第一和第二机械放大器或机构。在选项（1)中，包括参数共振器 的第一机械放大器被禪合到被衰减W提取功率的另外的（第二）机械放大器。该对应于图 12中的图的上行。在选项（2)中，包括参数共振器的（第二）机械放大器被禪合到第一机 械放大器并且通过第一机械放大器被驱动，并且该第二机械放大器被衰减W提取功率。该 对应于图12中的图的下行。
[0178] 图13然后列出该些设计原理的各种实施方式。例如，在选项（1)中，包括参数共振 器的第一机械放大器可W被禪合到包括诸如直接共振器或杠杆的部件的第二机械放大器。 在选项（2)中，例如，第一机械放大器可W包括诸如直接共振器或杠杆的部件，并且可W被 禪合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器，但该第二机械放大器可W额 外地包括第二参数共振器或直接共振器。
[0179] 图12和13设及用于生成电功率输出的第一和第二机械放大器之间和第二机械放 大器和机械到电变换级（step)或阻巧器之间的"n个自由度"。在每一种情况中，n的值可 W是零或任何整数。因此，例如，第一机械放大器可W直接（不通过其它自由度）被禪合到 第二机械放大器，且/或机械到电变换级可W直接作用于第二机械放大器。而且，在图12 和13中的每一个情况中，n的值可W是不同的。
[0180] 图14到21示出图12和13中概述的具体设计。
[0181] 图14示出微尺寸或MEMS能量采集器，该能量采集器合并有第一机械放大器和第 二机械放大器，该第一机械放大器包括参数共振器2,该第二机械放大器包括直接共振器 4,其中第一机械放大器被禪合到第二机械放大器。该参数共振器包括在两个错固点8之间 延伸的弹性梁6。该梁在其中点承载检测质量10。如图14中所示，该个共振器通过平行于 梁6的轴线的振动被参数地驱动。
[0182] 参数共振器的检测质量10被禪合到直接共振器的弹性悬臂梁12的中点。检测质 量14被承载在梁12的两个自由端部的每一端。梁12为压电材料，使得当该梁共振时电功 率可W被提取。
[0183] 有利地，参数和直接共振器的共振频率彼此匹配，彼此相等或是彼此的多倍。其 适当的类似地适用于下面描述的本 发明的其它实施方式。特别地，在参数共振器（第二机 械放大器）通过直接共振器（第一机械致动器（actuator))被驱动的情况下，直接共振器 的共振频率可W有利地是参数共振器的共振频率的两倍，使得自动参数共振可W是可获得 的。
[0184] 在图14中，参数共振器和直接共振器都被示出为由压电材料（压电板）制造。该 种材料选择对于能量采集器的制造是适当的，但不暗示当参数共振器共振时应从参数共振 器提取电功率。在该个实施方式中，参数共振器实施为第一机械放大器并且直接共振器实 施为第二机械放大器，并且优选的是，应当从第二机械放大器且不是从第一机械放大器提 取电功率。然而，如果期望，可W从第一机械放大器提取一些电功率。通过与仅使用参数共 振器（从该参数共振器提取所有的电功率输出）的能量采集器（如在现有技术中）对比， 该可能不利地增加参数共振器的激活（activation)幅值，但参数共振器到直接共振器（第 二机械放大器）的禪合和从直接共振器的能量采集器的电功率输出的至少一部分的提取 有利地减小参数共振器的阻巧并且因此减小其激活幅值。
[0185] 该些相同点适当的适用于下面描述的每一个实施方式，其中能量采集器的多于一 个部件被描述为由压电材料制造。
[0186] 图15示出微尺寸或MEMS能量采集器，该能量采集器合并有第一机械放大器、第 二机械放大器，该第一机械放大器包括参数共振器20,该第二机械放大器包括直接共振器 22,其中第一机械放大器被禪合到第二机械放大器。图15的能量采集器W类似于图14的采 集器的方式进行操作。该参数共振器包括从错固28延伸的悬臂梁16。该梁在其自由端部 承载检测质量30并且W参数共振由平行于梁轴线的振动驱动。直接共振器包括悬臂梁32， 该悬臂梁从参数共振器的检测质量延伸，并且在其另一端部承载直接共振器检测质量34。
[0187] 在图14和15的能量采集器中，电能输出优选地取自直接共振器，最小化参数共振 器的阻巧，并且因此最小化参数共振器的启动幅值阔值。
[018引在图14和15中，压电地提取电功率。例如，本领域技术人员将理解的，可W使用 诸如静电梳齿的其它装置。
[0189] 图16示出能量采集器的结构，其中第一机械放大器包括参数共振器40并且被禪 合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括杠杆42。该是与图2中所示相同的结构。
[0190] 图17示出微尺寸或MEMS能量采集器，其中第一机械放大器包括直接共振器50并 且被禪合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器52。如果直接和参数共振 器的共振频率适当地匹配，则该种结构可W形成自动参数共振器。直接共振器包括在两个 错固56之间延伸的一对弹性梁54。该参数共振器包括悬臂梁58,该悬臂梁从直接共振器 的梁的中点延伸，在其自由端部承载检测质量60。直接共振器由振动驱动，该振动竖直于其 梁54的轴线并且平行于参数共振器的梁58的轴线。该引起沿图17中示出的方向y的参 数共振器的振动。可W从参数共振器提取电功率。
[0191] 图18是能量采集器的示意图，该能量采集器合并有第一机械放大器和第二机械 放大器，该第一机械放大器包括直接共振器70,该第二机械放大器包括参数共振器72,其 中第一机械放大器被禪合到第二机械放大器。如图17中，该种结构可W形成自动参数共振 器。
[0192] 图19示出微尺寸或MEMS能量采集器，其中第一机械放大器包括直接共振器80、82 并且被禪合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器84。第二机械放大器通 过另外的自由度被禪合到第二参数共振器86,该第二参数共振器可W被电力地衰减。
[0193] 图20示出微尺寸或MEMS能量采集器，其中第一机械放大器包括直接共振器90并 且被禪合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器92。第二机械放大器被禪 合到第二直接共振器94,该第二直接共振器94可W被电力地衰减。
[0194] 图21是能量采集器的示意图，其中第一机械放大器包括杠杆100并被禪合到第二 机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器102。参数共振器可W被电力地衰减。
[0195] 具有电容梳齿202的微尺寸悬臂200的设计模型在图23中被示出。面外振动 (out-of-planevibration)等同于直接激励，而面内驱动力在适当的频率和幅值条件下可 W潜在地引起参数共振。图24是通过在悬臂的（基座）端部210和错固208之间添加双 梁206的从图12的第二设计思路的迭代（iteration)。该种另外的初始弹黃结构充当电力 地无衰减的另外（第一）机械放大器（直接共振器）。图24中的结构可W潜在地观察到自 动参数共振。该是参数共振的子集，它不是通过外部（异性）参数激励被启动，而是通过作 用在系统的直接可激励部件（另外的初始双梁或弹黃206)上的直接激励被启动，该直接可 激励部件内部地传递能量到参数共振器（悬臂）。在数学上，异性和自动参数共振归纳为相 同的事物。
[0196] 图23和24的设计使用MEMSCAP铸造的绝缘娃片（SOI)多用户MEMS过程（MUM巧被 制造并且样品装置可W在图25和26中示出。图27示出图26的装置的双梁206的放大图。 图29示出图26和27的装置的操作原理。娃厚度是25ym并且总装置体积是~0. 147mm3。 对于从悬臂梁延伸的每一个可移动梳齿，对应的固定电容梳齿W10ym间隙空间放置在其 旁边；因此形成静电变换器。
[0197] 实验测试使用该些设计被执行。所有测试在正常空气压力下进行并且悬臂安装成 自由端部直立W克服非零初始位移标准。该种直立布置等同于倒置的摆键并且悬臂末端搁 置在不稳定的平衡中。通过MEMS装置的化lyTec激光振动计的C0MS化仿真（图23和24) 和频率扫描揭示在自然频率的两倍或一半下没有共振模式。因此，在该些频率范围附近的 其它共振峰值的可能存在可W被排除。通过震动器的机械激励，为图26的自动参数采集器 记录一阶和=阶参数共振。虽然二阶参数共振的开始也在f。附近被观察到，但稳态响应总 是向着基本共振模式收敛。如预测的，该种设计具有比图25装置低的启动阔值幅值，
[0198] ?参数采集器：~3g。
[0199] ?自动参数采集器（具有另外的弹黃）
[0200]-一阶；~0.Ig。
[0201] -^阶；~0.3径。
[0202] 表7 ;在相对于加速度平方标准化的功率密度方面，将该结果与该文献的选定对 应物比较。
[0203]
[0204] 实际上，对于参数共振的高一数量级的功率响应可W在Ig的加速度内很好地观 察到并且在图28中被清楚地展示。在4. 2ms^2,对基本模式，一阶参数和S阶参数共振分别 记录0.011yW、0. 156yW、和0. 127yW的功率峰值。表7简要地将该些结果与文献中的数 个选定的静电采集器对比。另外，主要参数共振的操作频率带宽（从半功率点测量）近似 地为基本共振模式的操作频率带宽的两倍。
[0205] 因此，W4. 2ms-2被驱动的面外（用于适应大的位移）静电MEMS原型（~ 0. 147mm3)已经在基本共振模式下展示0. 011yW的峰值功率并且在主要参数共振下展示 0. 16yW的峰值功率。对于参数情况，也观察到频率带宽的两倍增加。
[0206]MEMS、薄的/厚的膜和大尺寸装置被本发明人开发用于研究当被诱导到真实基础 结构的振动时与直接激励的采集器相比的该种新颖技术的功率效率。
[0207] 通过同时使用直接和参数共振，和/或将双稳定性并入到基础共振器（第一机械 放大器）中，另外的改进可W是可获得的，该基础共振器可W通过加宽输出功率频谱进一 步改进机械到电能量转换效率。在本发明人的实验中，观察到来自多自由度系统的多个直 接和参数共振峰值，并且对第一 40化记录累积的~10化半功率带宽。
[020引任何共振器可W潜在地展示直接和参数共振两者，但取决于激励标准，仅仅对一 个最敏感。因此，被配置成平行于强制激励放置的共振器可W被看作主要直接共振器值时， 并且被配置成竖直于强制激励放置的共振器可W被看作主要参数共振器（PR)。
[0209]固有地，与直接激励的共振相比，参数激励的共振与较高的能量存储关联，该是由 于线性阻巧不使幅值增长饱和。虽然几乎总是与参数共振关联的振动非线性可W潜在地导 致与线性直接激励的对应物相比频率响应的中等加宽，但仍然期望增加参数共振器的操作 频率带。
[0210] 本发明的另外方面因此可W提供可W容易地达到多个直接共振峰值的固有地多 频率补充采集器；并且当边界条件变得有利时，可W要求更有效的参数共振。
[0211] 参数共振的成问题的边界条件是上述依赖于阻巧的启动阔值幅值的存在，在接近 该个共振现象的更"有益的"区域之前，该激励需要达到该启动阔值幅值。诸如图30(a)中 示出的正交的初始两端夹紧梁（CCB)弹黃的添加有助于通过放大基础激励而无源地减小 该种激活障碍。该类似于图17、19、20、24、26、27和29中示出的结构。
[0212] 实际上，CCB可W在其端部被错固或者W任何方便的方式被支撑，而不是被夹紧。
[0213] 通过减小夹紧装置之间的距离，因此对CCB预应力（弯曲），双稳定性可W被引入 到该个系统中。如图30(b)所示，对称的双稳定系统具有零位移处的不稳定的平衡和布置 在原点的任一侧上的两个稳定的平衡点，且由下面的通用方程限定。
[0214] "? +山'+ (-.(乂）=厂(/) "2)
[0引引U(X)= -0. 5kx2+0. 25y又4 (1扣
[0216] 其中，U、x、m、c、F、k和y分别是势能、位移、质量、阻巧、驱动力、线性负弹黃常数、 和Duffing参数。方程14限定势阱内的位置+X,，并且方程15表示势垒AU(跳到其它稳 定状态所需的能量）。
[0217]
(14)
[021 引AU=k2/4y (15)
[0219] 每当该系统从一个阱内跳到另一个，即，CCB的突弹跳变状态（snap-t虹OU曲 state)，释放可W被电力地采集的相对大量的能量。
[0220] 如图31中示出的实验装置（部件体积：~8. 14cm3)用于表征由预应力引起的双 稳定性的效果。CCB220充当初始弹黃，该初始弹黃用于W从CCB延伸的悬臂的形式的辅 助PR(参数共振器）222。APCInternational(APC国际）的压电陶瓷（PZT) 224被用作机 械到电变换器并且使用环氧树脂粘合剂连接到悬臂。CCB被保持在夹紧装置228之间。
[0221] 通过调节安装在PR的悬臂的端部的震测（seismic)质量226的尺寸和位置，CCB 的自然频率可W被调谐到匹配或不匹配PR的主要参数共振。当频率匹配发生时，可W激活 自动参数共振。该是起因于组成共振元件的自然频率的某些整数比关系的能量的内部传递 引起的参数共振的子集。CCB的基本模式和的主要参数模式不共存并且该系统在该两个 共振模式之间交替。主要参数共振的特性标识是激励频率是观察到的响应的频率的两倍。
[0222] 变化的水平的预应力被施加到CCB220W形成如图30所示的双稳定的梁，并且如 图32所示观察到不变的趋势。随着递增的双稳定性，实验地观察到PR的直接和参数共振 峰值的显著的 且渐进的上升。在另一方面，CCB示出品质因子的降低并且见证原始自然频 率附近的双共振峰值的开始。该个观察符合C0MS化仿真，其中CCB看起来具有与不同的势 阱内（突弹跳变状态）关联的略微不同的共振频率。表8给出对于~5ms^2的激励输入加 速度、0. 38MQ的载荷电阻、和80mm(单稳定的）、70mm(适度双稳定的）和60mm(高度双稳 定的）的夹紧间隙获得的峰值功率结果。
[022引表8 ;W~5ms-2的恒定值驱动的在变化的水平的双稳定性下的PR和CCB的各种 基本模式W及PR的主要参数模式的功率峰值。
[0224]
[0225] 虽然一旦激活，PR(在参数共振下操作）就在较高双稳定性情况下显著较好地运 行，激活它所需的启动阔值的限制障碍也增加如下，
[0226] ?单稳定的；3. 60ms-2
[0227] ?适度双稳定的；4. 05ms-2
[022引?高度双稳定的；4. 58ms-2
[0229] 该种性能是从较刚性的预应力的CCB的较低振动响应的结果，该较刚性的预应力 的CCB用于放大用于PR的基础激励。因此，由于预应力增加，CCB作为在降低参数共振的 启动阔值方面的无源（passive)协助的有效性被减少，尽管CCB在传递能量到PR方面的有 效性增加。
[0230] 虽然参数共振可W比其直接激励的对应物提供显著较高的能量转换效率，但其初 始激活可能需要满足如下一系列标准。
[0231]? ? = ?n/2 ;其中《、《n、和n分别是激励频率、自然频率、和表示参数共振的级 的整数。
[0232] ?激励幅值必须克服依赖于阻巧的启动阔值幅值。
[0233] ?必须存在非零初始位移。
[0234] ?在获得参数共振峰值之前必须忍受瞬态建立时间（transientbuildup time)。
[0235] 因此，与参数共振一起使用更加可达到的直接共振帮助最大化从随机振动输入的 响应。在双稳定性的情况中，在突弹跳变状态期间释放最大能量。然而，跨越该些状态之间 的势垒需要大的能量输入。取代上述预应力的CCB的错固的夹紧装置的另外的侧弹黃可W 有助于调节或减小势垒的高度并且增加突弹跳变的可能性。该种直接地且参数地激励的双 稳定共振器的总构思可W在图33示出的模型图中被描绘，其中相同的附图标记在图34中 被使用（在下面被描述）。
[023引参数叫、1112、和A表示直接共振器值时的有效质量、参数共振器（PR)的有效质量、 和外部加速度的幅值。根据图33中的模型图，具有平行于激励的位移的共振器被看作主要 直接激励的共振器值时，对于PR反之亦然。在图34中示出了展示C0MS化模型的该种设计 迭代。在该个结构中，双稳定的梁230在其端部由两个侧弹黃232支撑。侧弹黃的端部被 错固234并且侧弹黃将双稳定的梁的端部推向彼此，提供预应力W将梁230保持在双稳定 状态中。参数和直接共振器236、238W悬臂的形式从双稳定的梁延伸。每一个悬臂包括用 于提取电功率的压电变换器240、242。该结构被布置用于被沿平行于参数共振器且竖直于 直接共振器的方向的振动激励。
[0237]图35示出图34的双稳定系统中的势垒调节。在侧弹黃振动时，被施加到CCB的 预应力也随着时间周期T变化。T/4和3T/4是在振动的侧弹黃减轻预应力时势垒从势阱 内的一个最小的时候。0T和T/2是侧弹黃返回到它们的相应原点并且势垒没有被改变的 时候。该增加了跳跃到双稳定的梁的相邻的阱内的可能性。如果侧弹黃的共振模式也被激 活，则能量传递可W被最大化。
[023引图34中的原型受限于来自铁路轨道的测量的振动数据（放大12倍）并且来自DR和PR变换器的电压响应可W在图37中见到。（在该个原型中，没有震测端部质量被附着 到共振的悬臂的端部。在改进的装置中，端部质量可W被附着W便增加能量采集器的敏感 度。）具有随机频率峰值的输入振动覆盖具有快速频率振动的将近60化的跨度。电压输出 的FFT分析确认宽带响应。如从该个初始实验见到的，该种多频率采集器对于宽带真实振 动比单独直接共振器更敏感，并且包括当边界条件变得有利时激活与参数共振相关的高变 换效率的可能性。
[0239] 因此，概括地说，借助通过预应力的CCB的增加的双稳定性，本发明人的实验显示 基本模式峰值和主要参数峰值的显著增加。通过近似覆盖10化到40化之间的积累带宽的 =分之一，直接地且参数地激励的双稳定原型也已经表明宽带操作。该种多频率设计容易 地提供直接激励的峰值，而当边界条件变得有利时也可W要求更有效的参数共振。
[0240] 为了总结本发明的该个方面，第一机械放大器可W包括双稳定的或多稳定的结 构，诸如预应力的梁，或者更一般地说，具有两个或更多个稳定状态的机械放大器。第二机 械放大器可W包括参数共振器并且借助或通过第一机械放大器由外部振动驱动。在第一机 械放大器中的双稳定的或多稳定的结构的使用可W具有两个主要优点。首先，在其稳定状 态的每一个中，多稳定的结构可W比等同的单稳定结构更加刚性。例如，通过对梁预应力形 成的双稳定结构可W在其稳定状态的一个或更多个中比没有被预应力的类似的梁更加刚 性。更加刚性的梁可W有利地能够传递更多能量到第二机械放大器的参数共振器，自身吸 收较少能量。第二，多稳定结构在其稳定状态之间的转变（突弹跳变）可W传递更大量的 能量到第二机械放大器的参数共振器。该可W有利地克服激活、或阔值、幅值W便引起参数 共振器的共振。一旦激活幅值已经被克服，通过在其稳定状态的一个中的多稳态结构传递 的能量可W足W维持参数共振。
[0241] 图37、38、和39示出本发明的另外实施方式，其中使用电磁能量采集布置。图37 示出能量采集器的透视图，其前部安装平面为了清楚而被省略，图38示出对应于图37的视 图，但W虚线示出细节，并且图39示出图37和38的能量采集器的内部结构的视图。
[0242] 该能量采集器包括W弹性梁300的形式的直接共振器，该弹性梁在其端部被错固 (未示出）。该是采集器的第一机械放大器。W悬臂302的形式的参数共振器从梁300向 上延伸。梁和悬臂由被铜或弹黃钢制造。悬臂优选地在使用期间向上取向W将它放置在不 稳定的位置中，从而促进参数共振。两个永久磁体304被固定在悬臂302的任一侧上。悬 臂和磁体被布置在线圈306之间并且与线圈306紧密地间隔，该线圈被保持在杯形线圈保 持器308内。每一个线圈保持器被固定到用于支撑的安装板310。梁300和参数共振器的 共振频率被匹配，优选地W便形成如上所述的自动参数共振器。
[0243] 所述磁体优选地为NdFeB磁体。
[0244] 在操作期间，线圈之间的磁体的振动使得电功率能够从线圈被抽取。
【主权项】
1. 一种用于从输入振动采集能量的能量采集器，该能量采集器包括： 响应于所述输入振动的第一机械放大器；和 耦合到所述第一机械放大器的第二机械放大器； 其中所述第一机械放大器和第二机械放大器中的至少一个机械放大器包括参数共振 器； 并且其中能量采集器功率输出通过衰减所述第二机械放大器而生成。2. 根据权利要求1所述的能量采集器，其中所述能量采集器功率输出是电功率输出并 且所述第二机械放大器被电力地衰减以生成所述电功率输出。3. 根据权利要求1或2所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器没有被衰减。4. 根据权利要求1、2、或3所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器没有被电力地 衰减。5. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器包括所述参数 共振器。6. 根据权利要求5所述的能量采集器，其中所述第二机械放大器包括非共振机械放大 器、直接共振器、或者另外的参数共振器。7. 根据权利要求6所述的能量采集器，其中所述非共振机械放大器、所述直接共振器、 或所述另外的参数共振器被衰减以生成所述能量采集器功率输出。8. 根据权利要求6所述的能量采集器，其中所述第二机械放大器包括另外的机械放大 器，所述另外的机械放大器耦合到所述非共振机械放大器、所述直接共振器、或所述另外的 参数共振器，以及其中所述另外的机械放大器被衰减以生成所述能量采集器功率输出。9. 根据权利要求1至4中的任一权利要求所述的能量采集器，其中所述第二机械放大 器包括所述参数共振器。10. 根据权利要求9所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器包括直接共振器。11. 根据权利要求10所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器的直接共振器和所 述第二机械放大器的参数共振器形成自动参数放大器。12. 根据权利要求10或11所述的能量采集器，其中所述直接共振器的共振频率是所述 参数共振器的共振频率的约数。13. 根据权利要求9所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器包括非共振机械放 大器。14. 根据权利要求9至13中的任一权利要求所述的能量采集器，其中所述参数共振器 被衰减以生成所述能量采集器功率输出。15. 根据权利要求9至13中的任一权利要求所述的能量采集器，其中所述第二机械放 大器包括另外的机械放大器，所述另外的机械放大器耦合到所述参数共振器，以及其中所 述另外的机械放大器被衰减以生成所述能量采集器功率输出。16. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，其中所述能量采集器是大尺寸装置、微 尺寸装置、厚膜装置、薄膜装置、或MEMS装置。17. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器和第二机械 放大器提供第一自由度和第二自由度。18. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器具有静止位 置，所述静止位置处于不稳定的平衡。19. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，所述能量采集器包括一个或更多个共 振器，所述一个或更多个共振器能够以直接和/或参数共振被激励。20. -种用于从输入振动采集能量的能量采集器，该能量采集器包括： 响应于所述输入振动的第一机械放大器；和 耦合到所述第一机械放大器的第二机械放大器； 其中所述第一机械放大器和第二机械放大器中的至少一个机械放大器包括参数共振 器；和 用于生成能量采集器功率输出的衰减机构，其中所述衰减机构不直接地作用于所述第 一机械放大器。21. -种用于采集机械振动的方法，该方法包括以下步骤： 使用所述振动驱动第一机械放大器； 使用所述第一机械放大器的输出驱动第二机械放大器；和 通过衰减所述第二机械放大器提取功率输出； 其中所述第一机械放大器和第二机械放大器中的至少一个机械放大器是以参数共振 被驱动的共振器。
【专利摘要】提供一种用于采集能量的能量采集器，并且特别地从诸如周围振动的输入振动采集电能。该能量采集器包括第一机械放大器(2)和第二机械放大器(4)，所述第一机械放大器(2)响应于输入振动，以及所述第二机械放大器(4)耦合到所述第一机械放大器。第一机械放大器和第二机械放大器中的至少一者包括参数共振器，并且能量采集器的功率输出通过衰减所述第二机械放大器而生成。
【IPC分类】H02N2/18
【公开号】CN104904110
【申请号】CN201380039064
【发明人】Y·贾, J·燕, A·A·塞西亚, K·索加
【申请人】剑桥企业有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年5月24日
【公告号】EP2856628A2, WO2013175449A2, WO2013175449A3
【技术领域】
[0001] 本发明设及能量采集设备和方法，该能量采集设备和方法用于从振动源（诸如周 围或环境振动）采集或收集能量。
【背景技术】
[0002] 在常规能量采集器中，直接共振器或在一些情况中多个直接共振器响应于输入振 动，例如该输入振动是能量采集器连接到其上的结构的振动。（在该技术领域中，直接共振 器也可W称为线性或普通共振器。）该振动激励共振器并且该共振器例如通过共振器承载 的永久磁体被电力地衰减，使得它在导电线圈附近振荡W提取电功率输出。该种能量采集 器可WW已知方式用于充电电池或操作电子装置，该电子装置诸如自包含装置中的传感器 和/或无线传输器。
[0003] 该种常规能量采集器遭受数个问题，该些问题限制它们用于将振动能量转化为电 能的效能。两个问题特别地与共振器的性能有关。首先，常规能量采集器中的共振器具有 特别的共振频率并且仅可W被接近那个共振频率的振动频率有效地激励。可用于驱动能量 采集器的自然的或周围的振动倾向于包含多种或一系列振动频率，并且直接共振器仅可被 接近共振器的共振频率的窄带的可用振动频率激励。已经用于解决该个问题的一种方法是 并入能量采集器不同共振频率的多个直接共振器，但该增加能量采集器的复杂性。第二，可 存储在直接共振器中的功率密度被限制为驱动振动幅值的线性函数，并且该约束了能够从 输入振动传递到常规能量采集器中的共振器的能量。
[0004] 本发明人认为，解决常规能量采集器的该些限制的替代方法可能是使用参数共振 的现象。但本发明人意识到仅仅一个现有技术试图研究将参数共振用于能量采集，并且该 个研究发现了重要的问题。该在M.Daqaq,C.St油ler,Y.QaroushandT.Seuaciuc-〇s如io 的W下论文中被描述，"InvestigationofPowerHarvestingviaParametric Excitations",J.Intel.Mat.Syst.Str. ,vol. 20,no. 5,pp. 547-557, 2009.Daqaq等人执行 W承载检测重物的弹性悬臂梁（elasticcantileverbeam)的形式的参数激励的共振器 的性能的实验研究。该梁的共振被电力地衰减W提取电功率输出。Daqaq等人报告的问题 是，需要阔值振动幅值来激励参数共振器，并且因此，他们的能量采集器中的参数共振器不 能采集低幅值输入振动。该急剧地减小他们的采集器可W收集的能量。相比之下，在包括 直接共振器的常规能量采集器中，不存在该种阔值振动幅值。
【发明内容】
[0005] 本发明提供如所附独立权利要求中限定的用于采集能量的能量采集器和方法，现 在将参考独立权利要求。本发明的优选的或有利的特征在从属子权利要求中被阐述。
[0006] 本发明在优选实施方式中因此可W提供一种能量采集器，该能量采集器包括第一 机械放大器和第二机械放大器。第一机械放大器响应于诸如周围或环境振动的输入振动， 使得第一机械放大器可W被该振动激励或致动。第二机械放大器被禪合到第一机械放大器 使得第一和第二机械放大器按第一和第二机械自由度操作或提供第一和第二机械自由度。 第一和第二机械放大器彼此可W直接禪合或者它们可W通过一个或更多个另外的机械自 由度被禪合。第一和第二机械放大器的至少一个，但优选地仅仅一个包括参数共振器。能 量采集器功率输出通过阻巧过程被生成，但有利地或优选地，该阻巧过程不在第一机械放 大器上操作。优选地，能量采集器功率输出通过衰减第二机械放大器而生成。
[0007] 在本发明的一些方面中，用于生成能量采集器功率输出的阻巧过程可W在第一和 第二机械放大器上操作，使得能量采集器的总能量输出的一部分从每一个机械放大器被提 取。但在本发明的大多数实施中重要的是，第一机械放大器的阻巧被减小或最小化，使得能 量采集器的能量输出的至少一部分，并且优选地能量输出的全部，优选地通过衰减第二机 械放大器被提取。
[0008] 本发明的实施方式因此可W利用参数共振的特性（包括与直接共振器相比的激 励振动频率的较宽带宽和较高功率密度），而该里描述的禪合的第一和第二机械放大器 的布置用于最小化或减小参数共振器的启动阔值幅值。该可W有利地解决现有技术中的 Daqaq等人描述的问题，并且允许较小幅值振动的有效采集。
[0009] 本发明的操作原理的说明可W为如下。参数共振器的性能可W使用如下面更详细 地描述的Mathieu方程被描述。如图11中示出的参数共振器的性能的一个方面是启动幅 值阔值随着共振器的阻巧的增加而增加。在能量采集器中，需要阻巧（通常为电阻巧）来 生成功率输出。本发明的实施方式因此使用机械结构，其中能量通过参数共振器的激励被 采集，但其中该参数共振器为（1)无衰减的（参数共振器被禪合到另外的机械放大器，该另 外的机械放大器被衰减W提取功率）或者（2)通过机械放大器被驱动，该机械放大器是无 衰减的并且可W增加禪合到参数共振器的驱动幅值。
[0010] 在选项（1)中，由于参数共振器是无衰减的，因此其启动幅值阔值可W被最小化。 在选项（2)中，参数共振器可W被衰减W提取功率，在该种情况中，其启动幅值阔值可能通 过该阻巧被提高。然而，参数共振器通过机械放大器被驱动，该机械放大器优选地增加能量 采集器的振动输入的幅值W便超过启动幅值阔值。
[0011] 在选项（2)中，特别的实施方式可W是自动参数共振器结构，其中输入振动驱动 第一机械放大器，该第一机械放大器包括直接或普通共振器。第一机械放大器被禪合到第 二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器。直接共振器和参数共振器的共振频率 被匹配使得直接共振器的共振频率是参数共振器的共振频率的约数。（换句话说，参数共振 器的共振频率是直接共振器的共振频率的多倍，诸如2、3或4倍其共振频率。）两个共振器 的组合因此用作自动参数共振器，其中参数共振可W通过很小的启动幅值被驱动。
[0012] 在选项（1)和（2)中，第一机械放大器（在选项（1)中包括参数共振器并且在选 项（2)中包括用于驱动参数共振器的机械放大器）被描述为无衰减的。然而，如上面进一 步描述的，在本发明的一些实施方式中，第一和第二机械放大器都可W被衰减W提取能量 采集器的能量输出的相应部分。在该种实施方式中，重要的因素是，能量输出的至少一些是 从第二机械放大器被获取，例如使得第一机械放大器的阻巧通过其被禪合到第二机械放大 器而被减小。
[0013] 术语机械放大器是指装置或结构，优选地无源的装置或结构，该装置或结构放大 机械位移和/或力，并且包括诸如杠杆，参数共振器、或普通共振器等的结构。术语参数共 振器是指被布置用于w参数共振被驱动的共振器。典型地取决于输入振动的方向和频率， 共振器结构能够作为参数共振器或普通共振器被驱动。参数共振器因此W参数共振被输入 振动驱动并且普通共振器W普通共振被输入振动驱动。该种共振器可W包括诸如双稳定的 或多稳定的共振器，或双稳定的或多稳定的梁。
[0014] 在该个文件中，参考衰减的和无衰减的机械放大器。在真实世界中，所有机械结构 在一定程度上被衰减。在该个文件中，术语无衰减的是指机械放大器不直接连接到阻巧机 构，该阻巧机构用于从能量采集器提取功率。如果机械致动器被描述为无衰减的，它可能虽 然被禪合到衰减的机械致动器，该衰减的机械致动器例如被电力地衰减W生成能量采集器 功率输出。在该种情况中，虽然一个机械放大器被描述为无衰减的，但电阻巧可W从两个机 械放大器（包括无衰减的和衰减的机械放大器）提取一些能量。
[0015] 能量采集器的MEMS(微电子机械系统）实施可能适合于实施本发明的实施方式， 并且被实施用于MEMS振动能量采集器（VEH)的S种最常用的机械到电变换机构在下面被 总结。
[0016] ?电磁的：由于在较小尺寸下使用目前的微机械加工技术减小线圈应密度和填充 系数，功率输出不随着递减的尺寸良好地缩放。该个技术因此更适合于较大的能量采集器。
[0017] ?静电的；成熟的MEMS技术，可W被容易地制造且与1C技术集成。然而，理论的 和该文献中报告的峰值功率密度比其对应物低一个数量级。
[0018] ?压电的：良好地缩放并且提供高的性能，特别地PZT(压电变换器），但MEMS制 造与静电的相比不太容易。基于A1N和ZnO的采集器现在通过已有制造技术实际上可实现。
[0019] 下面数点总结本发明的实施方式的一些重要方面。
[0020] 衰减的Mathieu方程用于描述参数共振器的性能：
[0021] 克+ CX + (5 + 2€C〇s(2t))x二0
[0022] 其中X是位移，C是阻尼，t是时间域，e是通用激励幅值参数并且5是通用自然 频率平方参数。
[0023] ?图11示出用于参数共振器的不同阻巧水平的阻巧的Mathieu方程的S个分支 图。如图11中所示，在没有阻巧C的情况下，对于主要参数共振（一阶），不存在启动幅值 阔值。
[0024] ?当实现参数共振时，潜在地能够达到与其在基本共振模式下常规线性或直接共 振器相比较高的幅值和较宽的频率响应。
[00巧]?随着增加的阻巧（在真实世界中机械阻巧总是存在于共振器中，并且需要电阻 巧来提取电功率输出），启动幅值阔值增加。该在图11中的第二和第=图中被示出。
[0026] ?对于小幅值输入振动，该种启动幅值阔值在达到参数共振中引起问题。
[0027] ?本发明的实施方式将参数共振用于振动能量采集。
[0028] ?本发明旨在减小该个启动阔值的影响W实际上实现参数激励的振动能量采集 器。
[0029] ?该可W通过电力地衰减另一禪合的自由度机械放大器（另一共振器或非共振 机械放大器，诸如杠杆）而最小化或减小参数共振器上的电阻巧被实现。该是上述选项 (1)，并且可W固有地减小分支图（图11)上的阔值。
[0030] ?另一方法可W是引入直接共振器或非共振机械放大器（诸如杠杆）作为第一自 由度。该是如上所述的选项（2)，并且可W放大基础或输入激励幅值W帮助它跨越该阔值并 且因此激励参数共振器。
[0031] 图12是流程图，该流程图示出本发明的优选实施方式的概述操作原理。图13是 更详细的流程图，该更详细的流程图示出具有减小的启动阔值幅值的参数激励的振动能量 采集器的可能设计思路。该些设计思路的【具体实施方式】将在下面进一步被描述。
[0032] 理论巧仿直-参撒共振
[0033](对于在能量采集器中使用参数共振）使用动机可W被总结为：
[0034] ?通过机械地放大位移幅值增加功率输出（可能比其直接共振器对应物高一 级）。
[00巧]?通过其共振峰值的非线性特性加宽操作频率带宽。
[0036] 与直接激励不同，参数激励在方向上通常竖直于且不平行于驱动位移。为了从该 种激励实现参数共振，激励频率《需要近似为2?yn;其中是共振器的自然频率并且 n是阶数（约数，submultiple)。因此，当激励频率是两倍自然频率时，可W获得一阶（主 要）参数共振。另外，存在非零初始位移的前提W便将该系统"推"出稳定的平衡。
[0037] 除了该些要求外，在达到如图1和11中的分支图中示出的参数共振区域之前，激 励幅值需要克服依赖于阻巧的启动阔值。在振动能量采集的情况下，该看起来达不到预 期 目的，该是由于该技术的本质依靠电力地衰减机械共振器W便提取电能。然而，一旦参数共 振被激活，振荡幅值增长就不受线性阻巧限制并且仅可W通过物理极限或非线性的开始而 饱和。
[0038] 悬臂共振器
[0039] 悬臂共振器是该技术中的常见设计选择。它能够在自由端部附近实现大的位移 (对于电磁的和静电的变换器是理想的）且在夹紧的端部附近经受高水平的压力（对于压 电变换器是理想的）。通常，如下面总结的，悬臂通过平行于该位移的直接激励（普通共振） 被驱动。
[0042]其中，Cl是粘性阻巧，C2是二次阻巧，yX3是S次几何非线性，A是激励位移幅值，k 是弹黃刚性，m是有效质量，1是有效梁长度，E是弹性模量并且I是截面惯性矩（thearea momentofinertia)。
[0043] 当参数激励竖直于位移的方向被施加时，可W观察到W下运动方程（衰减的 Mathieu方程的一种形式）。
[0044]
[004引图22数值地（W1E-05的"相对公差"使用MTLAB中的ode45求解器）对比当 在变化的加速度水平下通过任一类型的激励被引起时微悬臂的共振峰值。虽然直接激励总 是产生响应而与激励水平无关，但其参数对应物在启动阔值幅值之下具有零稳态响应，并 且需要小的非零初始位移条件。然而，随着递增的激励幅值超过该个阔值，参数共振快速地 胜过基本共振模式。
[0046] 该个数值仿真和该文献中的已有实验研究（如上面提及的化qaq等人）都对该启 动阔值订阅很大数量级；而实际上，对于采集来说可用的周围振动通常是非常小的。来自日 本铁路桥的记录的振动为大约0.Ims^2。因此，该个阔值和图11中示出的基础轴线的间隙 需要被最小化W便将参数共振的优点实际上用于该个技术。
[0047] 设计和制造
[0048]可能可W通过克服启动阔值幅值的限制使用有源致动器来激励参数共振器。然 而，能量采集不能提供另外的功率消耗。因此，满足该个关键标准的无源方案是高度期望 的。
[0049] 图12给出用于解决该个问题的提出的优选设计方法。第一设计思路使用电力地 无衰减的参数共振器，该电力地无衰减的参数共振器与另外的电力地衰减的机械放大器禪 合。在该里，参数共振器具有固有地低的启动阔值幅值。第二设计思路在电力地衰减的参 数共振器之前引入电力地无衰减的机械放大器。在该种情况中，基础振动幅值被放大并且 引向该阔值W便激活参数共振。回头参考图22,第一方法本质上降低不稳定区域，而第二方 法升高水平基础轴线。
[0050] 虽然参数共振技术理论上允诺与常规直接地激励的采集器相比更好的功率和频 率响应，但需要满足启动标准，诸如幅值阔值等。用于解决该个的无源设计方法已经实验地 显示该个阔值减小近似30倍。与W基本振动模式被驱动的相同采集器相比，对于参数激励 情况，已经记录高一个数量级W上的功率响应和接近两倍操作频率带宽。
[00引]周兩能量采集
[0052] 周围振动典型地包括沿一系列方向振荡的大范围的或一系列的频率。如上面描述 的，对于使用普通或直接共振器的常规能量采集器，因为它们的窄的频率响应，该引起特别 的问题。如该里描述的，与直接共振器相比，参数共振器可W具有更宽的频率响应并且因此 能够在更宽的频率带上俘获振动能量。然而，有效的能量采集器可W有利地包括响应于不 同的振动频率的两个或更多个参数共振器，和/或在不同方向的两个或更多个参数共振器 W便从一系列振动频率和/或一系列振动方向收集能量。
[0053] 能量采集器因此可W包括两个或更多个子单元的阵列，每一个子单元包括一个或 更多个参数共振器。该种阵列中的子单元或参数共振器可W被机械地禪合W便覆盖宽的操 作频率带宽。
【附图说明】
[0054] 包括本发明的【具体实施方式】的描述的本发明的操作原理现在将参考附图被更详 细地描述，其中；
[005引图1是曲线图，该曲线图示出Mathieu方程的5-e参数平面中的稳定的（没有 阴影的）和不稳定的（有阴影的）区域（数值地产生的）。不稳定的区域表示参数共振的 实现；
[0056] 图2是参数激励的振动能量采集器（PEVEH)实施方式的示意图。竖直驱动力获得 参数激励；
[0057] 图3是框图，该框图示出如下面描述的构造的MTLAB数值模型的总体结构；
[0058] 图4和5示出对于图2的实施方式在临界阻巧附近振荡幅值积累（在时间域中） 的数值仿真。图4设及普通共振的激励并且图5设及参数共振。在该种情况中，与普通共 振相比，参数共振需要较长的时间来收敛到稳态；
[0059] 图6a和化示出频率域中的参数共振和普通共振的数值计算响应之间的比较；
[0060]图7是激励幅值与峰值稳态功率输出图，该图示出对于变化的激励幅值的参数和 普通共振的峰值功率响应之间的定量数值比较；
[0061] 图8示出对于如图2中示出的且具有如表3中的规模的能量采集器的实验振荡幅 值积累的实验测量；
[0062] 图9示出对于图8中测试的能量采集器的对于各种激励幅值A的频率域中的实验 功率响应的波特图；
[0063] 图10示出对于图8和9中测试的能量采集器在可比加速度（~0. 6ms^下的参 数共振（为了对比的目的，频率刻度被减半）和普通共振的实验频率带宽和可提取功率；
[0064] 图11在衰减的Mathieu方程的分支图中示出对参数共振器的启动幅值阔值的阻 巧效果。有阴影的区域是当实现参数共振时。随着阻巧C的增加启动幅值增加；
[0065] 图12是流程图，该流程图概述用于构造包括本发明的多个方面的能量采集器的 优选设计原理。该些是用于无源地最小化启动阔值幅值的设计方法。在该图中，"另外的机 械放大器"包括直接和参数共振器W及非共振放大器，诸如杠杆；并且"nDOF"是n自由度 (n= 0, 1，2,…）；
[0066] 图13是比图12更详细的流程图，该流程图总结帮助减小启动阔值幅值或解决启 动阔值幅值的问题的参数激励的振动能量采集器的可能设计思路；
[0067] 图14到21示出体现图12和13中阐述的设计思路的不同的能量采集器结构； [006引图22是曲线图，该曲线图示出在各种激励加速度水平下直接和参数激励之间的 稳态共振峰值的数值比较；
[006引图23和24示出两个MEMS悬臂的C0MS0L设计。直接激励等于平面外驱动力，而 平面内激励可W潜在地引起图23中的参数共振和图24中的自动参数共振。电容梳齿延伸 离开悬臂梁。伴随的固定梳齿在该里没有被示出.
[0070] 图25和26分别示出图23和24中示出的参数地和自动参数地可激励的MEMS设 计的S0IMUMPS实现；
[0071] 图27是用于图24和26的悬臂共振器的双梁支撑件的放大视图；
[007引图28是曲线图，该曲线图示出在4. 2ms^2的输入加速度下的自动参数采集器的实 验功率响应。在自然频率f。的两倍和一半下分别可W见到一阶和=价参数共振；
[0073] 图29是示出图24、26和27的能量采集器设计的质量弹黃阻巧器（damper)等同 物的图；
[0074] 图30在30(a)示出包括被支撑在梁上的参数共振器（直接共振器）的本发明的 实施方式的示意图，该梁在两个端部被夹紧或错固在无应力状态中和在预应力双稳态状态 中，并且在30化）示出曲线图，该曲线图示出该梁的双稳态；
[0075] 图31示出禪合到如图30中示意性地示出的两端夹紧梁（clamped-clampedbeam) 的主要参数激励的悬臂；
[0076] 图32示出具有和没有对图31中示出的梁施加预应力引起的双稳态的实施方式的 实验测量的功率频谱；
[0077]图33是本发明的实施方式的模型图，该实施方式包括直接地和参数地激励的具 有侧弹黃的双稳态共振器；
[007引图34示出图33中示出的能量采集器类型。通过竖直激励，竖直悬臂充当PR(参 数共振器）并且水平悬臂充当DR(直接共振器）。两个辅助共振器搁置在预应力的双稳态 CCB(两端夹紧梁）上。两个侧弹黃帮助势垒（potentialbarrier)的调制并且增加突弹跳 变的可能性；
[0079] 图35给出曲线图，该曲线图示出具有侧弹黃的双稳态系统的势垒的高度的典型 调制，实现跳跃到相邻的势阱内（potentialintra-well)的较高可能性。参数T是与该调 制相关的时间周期；
[0080] 图36示出图34中示出的原型对真实振动数据的放大的采样的实验记录的电压响 应；
[008。图37、38和39示出本发明的另外实施方式，其中使用电磁能量采集装置；
[0082]图37示出能量采集器的透视图，其前部安装平面为了清楚而被省略；
[008引图38示出对应于图37的视图，但W虚线示出细节拟及
[0084] 图39示出图37和38的能量采集器的内部结构的视图。
【具体实施方式】
[0085] 在振动能量采集领域中，关键技术难题继续是已有设计的低功率密度和窄的操作 频率带宽。虽然惯例已经依靠通过直接激励的（直接共振器的）基本共振模式的激活，本 发明可W通过将参数共振用于能量采集有利地提供或实现新的范例。与直接共振不同，参 数共振中的振荡幅值增长由于线性阻巧而不收敛到稳态。因此，使用参数共振的能量采集 器的功率输出可能积累到较高的水平。另外，非线性的开始（onset)最终限制参数共振；因 此，该种方法也可能潜在地加宽操作频率范围。本发明人的理论预测和数值仿真已经表明， 振荡幅值增长高一个数量级可能是可实现的。
[0086] 在本发明人的原始实验中，大尺寸的电磁原型（实际体积大约1800cm3)被建造 且测试。该个装置在图2中被示出并且在下面被更详细地描述。当被参数地驱动时，相比 于W基本（普通的或直接的）共振直接驱动的相同原型（36.5yWcnTW，W〇.65ms^2， 27. 5mW)，该个装置已经展示半功率带的大约67%增加和相对于输入加速度平方的标准化 的高一个数量级的峰值功率密度（293yWcm-3m-2s4,W0. 57ms2,171. 5mW)。该个图表明与诸 如Pe巧e化um'SPMG-17(119yWcnTW)的现有技术大尺寸对应物相比有希望的潜力。
[0087] 在过去十年中，能量采集已经被见证了学术界和工业界对其兴趣的快速增加。与 常规功率生成的从顶向下的过程相比，能量采集的分散的且自维持的性质提供电池的方便 的机载补充W便远程和无线装置的寿命延长。
[0088] 太阳能已经出现作为用于分散发电的相对成熟的技术；然而，它不适合于光度不 足的封闭的或嵌入的应用。在另一方面，在很多种应用中观察到周围动力学振动；从轨道到 桥，工业压缩机到祸轮发动机，和通道到人类运动。因此，它是为供电和维持无线电传感器 节点的常用能量源，例如用于结构健康监视。
[0089] 大多数常规振动采集器依靠通过二阶质量弹黃阻巧器系统的直接激励的基本共 振模式的激活，在该二阶质量弹黃阻巧器系统中，平行于振荡位移（displacement)的方向 施加驱动力。当激励频率匹配该系统的共振频率时，获得基本共振模式。通过直接激励实 现的该种类型的共振也称为"普通共振"。
[0090] 该种新兴技术的两个主要 的持续存在的技术难题是小的功率密度和窄的操作 频率带宽。由于真实世界振动源的随机的和连续变化的性质，理想的采集器应当能够在 宽的频率范围上运行。然而，通过阻巧调谐设计的具有较平坦的共振响应的系统折中了 (compromise)可实现的峰值功率。因此，理想目标是最大化峰值功率和频率带宽两者。
[0091] 为了试图解决该个困境，本发明的实施方式使用参数共振（一种类型的自激励非 线性共振）作为机械放大的手段，同时利用其非线性共振特性来加宽频率带。当外部激励 导致内部系统参数的周期性调制时，引起该个特别的共振现象。与普通共振相比，该驱动力 通常垂直于振荡位移被施加。
[0092] 如上所述，该种方法遭受重要的问题，即在接近参数共振机制（regime)之前需 要激励幅值超过一定启动阔值。本发明的实施方式旨在克服参数激励的振动能量采集器 (PEVEH)的缺点W实现该种类型的装置的实际实现。
[0093] 参数共振由于自激励不稳定现象而不同于大多数振动共振。存在两种分类；异性 参数共振（在现代学术界中它被简称为参数共振）和自动参数共振。异性参数激励由响应 于外部力的某些系统参数的周期性调制引起。自动参数共振起因于多个自由度系统的各种 自然频率之中的某些整数比关系，导致该系统的一个振荡分量在第二振荡器上引入该系统 参数的周期性调制。本发明的实施方式可W使用任一形式的参数共振。
[0094] 表1总结了胜于使用普通共振的振动能量采集的目前范例的参数共振的优点。与 普通共振不同，受普通无衰减的Mathieu方程（下面的方程1)支配的由于参数共振的振荡 幅值增长不通过线性阻巧收敛到稳态并且仅可W在高的幅值下由非线性的开始或物理极 限限制。非线性的该种出现可W另外帮助参数共振器可W在其内操作的频率带的加宽，因 此同时满足W下两个目标。
[0095] ?使用参数共振作为机械放大的手段W最大化功率峰值。
[0096] ?使用其非线性共振峰值来加宽操作的频率带宽。
[0097]
[009引在普通共振上使用参数共振的动机。由前者投入的能量Ei。，巧;帛A)正比于通过线 性阻巧的能量耗散而在后者中它与成比例。因此，理论预测振荡幅值增 长相对于普通共振高一个数量级。
[0099]
[0100] 根据无衰减的Mathieu方程（方程1);
[0101] X+ {5 + 2scos(2t))x = 0 (1)
[010引5和e和是通用参数，其值确定该系统的稳定性，化及t为时间。当位移XX具有 无界解时，可W实现振荡幅值的指数增进。该种幅值增长在纯线性环境中可W理论地接近 无限并且在图1中示出的分支图中由不稳定区域（有阴影的）表示。通常在周期性激励的 系统的两倍自然频率（如下面给出的）下观察到的一阶或主要参数共振展示最大的不稳定 区域。
[0103] 在衰减情况中（即，对于衰减的参数共振器）主要的一个阻碍因素是在克服初始 阻巧之前需要激励幅值超过一定阔值幅值；例如化qaq等人经验和所报告的。另外，该系统 将被限制在稳定的平衡内。所需的精确阔值幅值取决于具体系统的工作机理。另外，也需 要初始非零位移来将该系统"推"离稳定的平衡。
[0104] 图2中的设计示意图示出了大尺寸参数激励的振动能量采集器（PEVEH)原型。参 数激励可W在依赖于精确激励标准的多种系统中被观察到。图2示出一个该种系统，其中 摆键112被悬挂在杠杆梁108的左手端上，该杠杆梁当摆键静止时在支点110上平衡，该支 点110被固定到基座（未示出）。在该梁的右手端安装变换器（trans化cer) 114。该包括 固定到该梁的磁体，当该杠杆梁相对于支点倾斜时该磁体可W在固定线圈（未示出）内移 动。然后，可W从该线圈提取电能。该个系统可W如图2中所示被直接地且/或参数地驱 动。经由支点的从错固的基座的振动的传播W角位移0 (t)驱动摆键。该杠杆机构在具有 竖直位移y(t)的变换器侧上实现进一步的机械放大（假定小的弧度）。在没有振动的情况 下，杠杆梁108平衡使得它保持水平。施加水平驱动振荡（Ahcos?ht)到支点110,并且因 此到摆键112等于直接激励，当等于摆键的自然频率《。时，该直接激励允许激活普通 共振。在竖直驱动该支点并且因此该摆键（Ahcost)是参数激励并且当2?。时 可W激活摆键的参数共振。由摆键运动引起的杠杆的位移在变换器侧上被杠杆进一步机械 放大，使得电能可W从变换器被吸取。
[0105] 主要阻巧（变换器的电阻巧）不直接作用在摆键上。因此，激活参数共振所需的 启动幅值阔值低于摆键质量被主要地或直接地衰减的设计。
[0106] 在摆键悬挂时水平地驱动摆键（通过支点的水平振荡）引起由方程2支配的直接 激励。
[0107]
[010引其中0是摆键的角位移，《。是摆键的角自然频率，《h是水平激励角频率，Ah是 水平激励位移幅值，C是摆键阻巧系数，1是摆键臂长，W及t是时间域。在竖直驱动力参数 地驱动该摆键的情况下，方程3支配该系统的运动。随时间变化的系数的存在暗示该是衰 减的Mathieu方程并且可W启动参数激励。
[0109]
[0110] 其中是竖直激励角频率并且Av是竖直激励位移幅值。当水平（直接）和竖直 (参数）激励都存在时，方程4变成支配方程（governingequation)。
[0111]
[om]当《h= ?。时，在方程2和4中可w获得普通共振。当《v=2?〇/n(其中n是 阶数）时，在方程3和4中可W获得参数共振。当n= 1时观察到主要参数共振。
[0113] 图2中示出的采集器的核屯、机制设及振动激励在竖直方向上沿系统支撑件（支点 和平衡的杠杆）传播W在摆键悬挂时参数地驱动摆键。当摆键的角位移0 (t)是非零时， 杠杆梁108 (充当另外的机械放大器）不平衡并且沿竖直方向驱动变换器。Fi(t)是摆键的 重量施加的力，F2是变换器侧的重量，并且F3(t)是由于变换器的电阻巧而作用在杠杆梁上 的力。
[0114] 描述静止的平衡的（t= 0W及0 = 0)杠杆梁的平衡方程由方程5给出。
[011 引Fi(t)la(t) =Fglb
[011 引其中，Fi(t)=相-m)g+mgcos(白（t))
[0117]并且，Fi(0) = (mi-m)g+mgcos(0) =mig[011 引 而且，F2=ni2g
[0119] 因此，migla(O) =niiglb(5)
[0120] 其中m是摆键质量，mi是摆键侧总质量，m2是变换器侧总质量，lg(t)是摆键的质 屯、和支点之间的有效长度，1。(〇)是静止的原始的常数参数，1b是变换器侧质屯、和支点之 间的有效长度，并且g是由于重力的加速度。在动态响应下，lg(t)由方程6表示并且在杠 杆梁中引起不平衡。
[0121] la(t) =la(0)-Sgn( 0 (t) )Ala(t)化）
[012引其中，A/a的=Zcos(0的）
[012引其中，Al,(t)是当摆键运动时有效长度Ut)的改变并且0 = 0.5TT-e。在杠杆梁 根据时间绕支点摇动时，变换器侧质量（磁体）114W位移y(t)相对于紧密放置（closely placed)的固定线圈移动。对于lb>>y(t)，可W假定小的弧度并且y(t)可W近似为化e approximatedas)简单的竖直位移。对变换器的电阻巧做的机械功和从该系统可提取的电 功率可W通过关于杠杆梁的动态力被估计。因此，该系统的支配方程总结为如下。
[0124] ((mi-m)g+mgcos(日（t))) (la(t) =Ib(ni2g+F3(t)) (7)
[0125] Fs(t)项在该里被假定为近似等于来自当0是非零时由于杠杆的不平衡引起的扭 矩的机械力。对于理想的变换器该种假定是正确的，在该理想的变换器中在机械到电功率 转换期间保持能量守恒，同时考虑各种阻巧项。
[012引对于电磁变换器，位移W平方关系与电功率输出Pdw相关；即0 在 理想的电载荷条件下（当电阻巧D。等于寄生阻巧Dp时）可实现的理论最大电功率输出的 估计值Pmaxele立方程8中被假定。
[0127]
[012引其中m'是总质量，并且a'是该个质量的随时间变化的加速度。来自该个方程的 总的m'a'项是理想电磁变换器经历的机械力。因此，m'a' 和最大电功率输出的 估计值可W通过将该个项代回到方程7中被计算W获得方程9中的0 (t)依赖的功率输出 关系。取决于激励标准，0 (t)自身由方程2到4的一个确定。
[0129]
[0130] 在载荷下可提取的最大功率P胃tit,^)的实际量也取决于如方程10和11 中分别限定的电阻性载荷条件和电磁变换的电阻巧值。）。其中RiMd(Rife^)是电阻性载荷， Rccii(R线)是线圈的电阻，N是线圈应数，…(1线圈）是线圈的长度，B是通量密度，Lewi(L 线目）是线圈的电感。对于频率<1曲Z，方程11的虚数分量可W被忽略。
[0133] 虽然D。直接抵抗y(t)，但它也部分地影响0 (t)，该是由于它限制杠杆的动态运 动。该系统和变换器的实际效率W及另外非线性阻巧因素进一步减小上面估计的最大功 率。因此，需要各种拟合的数值因子（常数或位移的函数）作为诸如Fs(t)，Dp, D。，的变量和 从D。到摆键阻巧的反馈阻巧的系数W便数值模型提供更真实的估计并且与实验模型匹配。
[0134] 数值仿真
[013引图3中概述的使用MTLABSimulink的数值模型用表2中的数值参数被构造W在 各种激励条件下研究PEVH1设计（图2中）的性能。
[0136]表 2
[0137] 数值仿真中使用的系统参数 [013引
[0139]
[0140]m是摆键的质量并且叫和m,是杠杆梁的每一个端部的质量。1是摆键的长度并且 ll和1 2是杠杆梁的每一个端部的长度。
[0141] 由于临界阻巧附近的普通和参数共振的在时间域中的摆键的角位移积累的定性 对比分别在图4和5中被给出。参数共振固有地具有较长的过渡状态。然而，它可W潜在 地积聚到较大的位移幅值（注意，与图4的竖直轴线相比，图5的竖直轴线被压缩）。如上 面已经建立的，输出功率响应正比于位移平方。因此，增加振荡幅值的效果在功率峰值的上 升中通过该个平方关系被放大。图6a和化定性地比较在频率域中该系统对两种情况的功 率响应（注意，与图6a的竖直轴线相比，图化的竖直轴线被压缩）。对于具有增加的激励 幅值A的普通共振，自然频率f。附近的非线性的开始，并且因此频率带的加宽是相对平缓 的。在另一方面，即使在低的A，参数共振展示相对更显著的非线性，之后是在更高A的更高 阶的非线性（较睹的峰值）的开始。然而，恰好在该频率带外部且/或当A在启动阔值幅 值（在该个情况中，该启动阔值幅值是大约4. 25mm)之下时，后者具有零稳态响应。
[0142] 可W观察到，参数共振中的非线性起更重要的作用并且甚至在低的幅值下被见 至IJ。在另一方面，与普通共振相关的非线性仅在高的幅值下变得显著。因此，对于给定的激 励幅值，参数情况展示相对较宽的操作频率带。然而，图化中的自然频率标记线的左手侧 上的较高的非线性峰值仅当初始位移存在时或在向下频率扫描期间是可实现的。该是因 为在向上频率扫描期间，在达到该些另外操作频率带时，初始系统位移是不存在的；换句话 说，该系统可W被俘获在较低分岐点。
[0143] 非线性峰值中的急剧跳跃（细长的峰值形状）在图化中在高的激励幅值被观察 至IJ，表明较高阶的非线性的开始。对该种性质的理论解释是，在该些大的幅值，摆键振荡不 再接近简谐运动，而是经历霍普夫分岐Olopfbi化rcation)达到极限循环运动，因此在峰 值功率水平中产生更快的增长。
[0144] 随着激励幅值增加，振荡幅值（并且因此峰值功率）也对应地增加。对于普通共 振，由于0 -P关系，二阶多项式关系存在于位移幅值和功率增长之间。然而，对于参数共 振，位移幅值增长通过较高阶非线性系数被夸大，如图7中的定量对比中展示的。图7是相 对于激励幅值的峰值稳态功率输出的图，该图示出参数和普通共振的对变化的激励幅值的 峰值功率响应之间的定量数值对比。超过激励幅值的某些阔值，参数共振快速地胜过普通 共振。定性地，普通共振匹配二阶多项式曲线，而参数共振展示更高阶非线性特性。因此， 响应于增加的激励幅值，后者的位移幅值（和峰值功率）增长更快。
[0145]此外，在高的激励幅值下参数共振的幅值增长速率的另外急剧跳跃可W被观察 至IJ。该表明另外较高阶的非线性的开始并且与图化中的观察一致。
[0146] 显然，数值仿真已经表明，参数共振由于与其普通共振对应物相比更显著的非线 性和更高的可实现功率峰值而具有更宽的操作频率带。然而，应当注意，如上面描述的性 能"高一级"不一定表示绝对功率量级，而是更本质上地表示图7中展示的较高阶多项式性 能。实际上，当激励幅值正好少量地超过所需启动阔值幅值时，可实现的绝对峰值功率可W 低于其普通对应物。因此，参数方法在较高的激励幅值下愈发有益。
[0147] 为了验证理论和数值预测，如图2中示出的并且具有如下面的表3中列出的系统 参数的大尺寸电磁原型被构造和研究。表3中的未测量的参数被数值地估计且拟合W便将 数值模型与实验功率响应匹配。
[014引表3
[0149] 实验原型的系统参数和对应数值模型的拟合值（用于匹配记录的功率响应）。
[0150]
[0151] 变换器具有大约50cm3的总组件体积和近似90cm3的实际装置体积。四磁体布置 用于变换器电功率产生。该磁体是圆盘形烧结的钦铁棚，具有22mm直径和10mm深度的尺 寸。该线圈也是圆柱形形状的，其尺寸是50mm外直径，5mm内直径，10mm深度，90微米线直 径和近似25万的估计线圈应数。该原型的总组件体积近似为500cm3并且其实际装置体积 是大约1800cm3。
[0152] 记录的峰值电功率（具有理想的载荷电阻）在参数共振下在1. 70ms^是956. 6mW 并且在普通共振下在〇.65ms^是27. 75mW。此外，在该种情况（从此记下峰值功率图）下 的参数共振不达到稳态，而是由该设计的物理极限约束，该物理极限仅允许摆键展示±f弧 度的最大角位移。如果适应更大的角位移或圆形运动，则可W实现更高的功率水平。
[0153] 图8示出对于如图2中示出的且具有如表3中的尺寸的能量采集器的实验振荡幅 值积累的实验测量。0的幅值正比于电压输出V且与电压输出V直接地和线性地成比例； 并且通过关系：0VP与功率输出P相关。注意，图8中记录的最大峰值到峰值电压 (Vpp)对于参数共振远远大于对于普通共振巧6. 4V对比21. 8V)。
[0154] 关于对于参数情况的较长过渡状态，图8中示出的振荡幅值积累的定性对比符合 图4和5的数值模型。然而，最终稳态积聚到远远高于普通共振的功率水平。
[0155] 图9示出对于图8中测试的能量采集器的对于各种激励幅值A的频率域中的实验 功率响应的波特图。记录的峰值功率数据的拟合的模拟等同物也被绘制。通过更高的A，参 数共振的非线性快速地变得显著并且导致频率带宽的加宽，而普通共振的非线性保持相对 有限的。如图化中描述的在高的幅值下与参数共振相关的非线性峰值的急剧跳跃被验证。 非线性峰值在向上和向下频率扫描期间具有不同的响应，因为它们仅当显著的初始位移存 在W允许该系统跳跃到较高分歧点时才是可实现的。
[0156] 在类似的激励水平附近（见表4)，在该些实验中，参数共振产生比普通共振高6倍 W上的峰值功率。用于驱动能量采集器的机械震动器（shaker)在幅值上具有近似5mm的 物理极限。在该种约束内，普通共振未能展示可观察的非线性。操作频率带宽从半功率点 (峰值被测量。
[0157]表 4
[015引普通和参数共振的实验性能的对比。后者已经表明超过6倍的较高绝对峰值功率 (在可比较的加速度~0. 6ms^并且在相对于加速度平方标准化的功率密度方面也表现好 一级。因为震动器的近似5mm的物理幅值限制，对于普通共振的较高加速度没有被测量到。 [0159]
[OW] 图10示出对于图8和9中测试的能量采集器在可比加速度（~0. 6ms气下的参 数共振（为了对比的目的，频率刻度被减半）和普通共振的实验频率带宽和可提取功率。 较暗的有阴影的区域表示半功率带内的可提取功率。按绝对意义，普通和参数共振分别具 有0. 033和0. 055化的半功率带。较亮的有阴影的区域代表普通共振的半功率点（峰值 上方的通过参数共振可提取的额外潜在功率（带宽~0. 153Hz，超过4倍（4-fold) 更宽）。图10对比在类似输入加速度水平（~0. 6ms^的两种共振的频率带宽和可提取 功率。在该种情况中，与普通共振相比，参数驱动的系统展示操作频率带的大约67%增加。 将普通共振半功率点作为参考，参数情况功率曲线经历超过4倍的更宽频率带宽。
[0162] 图2中示出的并且具有如表3中的尺寸的能量采集器已经在实验上表现出在参数 共振下比在普通共振下好一个数量级，确认其优点的理论和数值预测。两种情况的优点和 缺点的总结对比在表5中被给出。除了与自身对比，表6简要地将原型的性能与选择的现 有技术大尺寸电磁振动能量采集器对比。该里报告的实验结果优于现有技术。
[0163] 如上面提及的，Daqaq等人（2009)看起来是第一的且到目前为止仅有的已经研究 将参数激励用于振动能量采集的人。但尽管存在该分析，而实现实用性能的进一步发展在 现有技术中尚未被报告。如在现有技术中描述的，参数激励的系统的严重限制是需要激励 幅值克服初始阔值；在该初始阔值之下，稳态响应将是零。Daqaq等人已经提供用于该种阔 值幅值的分析模型，但没有提供该问题的任何解决方案。
[0164]表 5
[0165] 普通和参数共振之间的总结对比。
[0166]
[0167]启动阔值幅值问题不是化qaq等人的参数激励的悬臂特有的。然而，该里报告的二自由度PEVH1设计有利地较少受该个缺点约束。该是因为本发明人已经理解，该系统中 的主要阻巧充当该种限制的关键贡献者（并且对于理论上无衰减的情况该阔值是不存在 的）。对于PEVEH，主要阻巧源（变换器）作用于辅助振荡元件（杠杆梁）。因此，主振荡元 件（摆键）的激励处于不同的自由度上并且初始阻巧的效果被最小化。如化qaq等人提出 的，如果主要阻巧源与参数共振处于相同的自由度上，则需要不利地较高的启动阔值幅值。 [016引需要非零初始位移（用于将该系统"推"出稳定的平衡）是大多数参数激励的系 统的另一性质。将静止位置置于不稳定平衡中的设计可W用作解决方案。
[0169] 尽管参数驱动的采集器展示了显著较高性能的潜在能力，但其是不完美的。因此， 用于彼此补偿和补充的直接和参数激励的集成可W用作振动能量采集的理想解决方案。
[0170] 也可W有利地使用自动参数共振的现象。该种工作机理内的直接激励分量的存在 减小启动阔值幅值并且有助于克服非零初始位移的要求。因此，它可W补充参数激励的采 集器的缺点，同时利用其性能优点。
[0171] 本发明人的实验已经表明将参数共振用于振动能量采集。数值仿真和构造的实验 原型已经验证W下理论预测；与普通共振相比，振荡幅值（此后功率）增长高一级。按照 对输入加速度平方标准化的功率密度，在参数共振下实验记录的峰值功率（在0. 57ms^2为 171.5mW)已经胜过普通共振（在0.65ms^2为27.75mW) -个数量级。随着增加的幅值的显 著的非线性的增长也表明从它们的相应的半功率点测量的操作频率带宽增加了 67% (或 者如果普通共振的半功率点作为参考，则超过4倍）。另外，该些初始实验结果优于现有技 术。
[0172]表 6
[0173] 在相对于加速度平方标准化的功率密度方面，将PEVEH与选择的现有技术大尺寸 电磁振动能量采集器比较。
[0174]
[0175]
[0176] 图12和13总结可W用于开发本发明的实施方式的优选设计原理。特别地，该些图 总结有利地（可选地）通过形成自动参数共振器可W实现参数共振器的振动幅值阔值的减 小或用于驱动参数共振器的输入振动幅值的放大的第一和第二机械放大器的属性的选项。
[0177] 该些设计原理设及上述选项（1)和选项（2)，并且设及
【发明内容】
中限定的结构，该 结构指的是禪合在一起的第一和第二机械放大器或机构。在选项（1)中，包括参数共振器 的第一机械放大器被禪合到被衰减W提取功率的另外的（第二）机械放大器。该对应于图 12中的图的上行。在选项（2)中，包括参数共振器的（第二）机械放大器被禪合到第一机 械放大器并且通过第一机械放大器被驱动，并且该第二机械放大器被衰减W提取功率。该 对应于图12中的图的下行。
[0178] 图13然后列出该些设计原理的各种实施方式。例如，在选项（1)中，包括参数共振 器的第一机械放大器可W被禪合到包括诸如直接共振器或杠杆的部件的第二机械放大器。 在选项（2)中，例如，第一机械放大器可W包括诸如直接共振器或杠杆的部件，并且可W被 禪合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器，但该第二机械放大器可W额 外地包括第二参数共振器或直接共振器。
[0179] 图12和13设及用于生成电功率输出的第一和第二机械放大器之间和第二机械放 大器和机械到电变换级（step)或阻巧器之间的"n个自由度"。在每一种情况中，n的值可 W是零或任何整数。因此，例如，第一机械放大器可W直接（不通过其它自由度）被禪合到 第二机械放大器，且/或机械到电变换级可W直接作用于第二机械放大器。而且，在图12 和13中的每一个情况中，n的值可W是不同的。
[0180] 图14到21示出图12和13中概述的具体设计。
[0181] 图14示出微尺寸或MEMS能量采集器，该能量采集器合并有第一机械放大器和第 二机械放大器，该第一机械放大器包括参数共振器2,该第二机械放大器包括直接共振器 4,其中第一机械放大器被禪合到第二机械放大器。该参数共振器包括在两个错固点8之间 延伸的弹性梁6。该梁在其中点承载检测质量10。如图14中所示，该个共振器通过平行于 梁6的轴线的振动被参数地驱动。
[0182] 参数共振器的检测质量10被禪合到直接共振器的弹性悬臂梁12的中点。检测质 量14被承载在梁12的两个自由端部的每一端。梁12为压电材料，使得当该梁共振时电功 率可W被提取。
[0183] 有利地，参数和直接共振器的共振频率彼此匹配，彼此相等或是彼此的多倍。其 适当的类似地适用于下面描述的本 发明的其它实施方式。特别地，在参数共振器（第二机 械放大器）通过直接共振器（第一机械致动器（actuator))被驱动的情况下，直接共振器 的共振频率可W有利地是参数共振器的共振频率的两倍，使得自动参数共振可W是可获得 的。
[0184] 在图14中，参数共振器和直接共振器都被示出为由压电材料（压电板）制造。该 种材料选择对于能量采集器的制造是适当的，但不暗示当参数共振器共振时应从参数共振 器提取电功率。在该个实施方式中，参数共振器实施为第一机械放大器并且直接共振器实 施为第二机械放大器，并且优选的是，应当从第二机械放大器且不是从第一机械放大器提 取电功率。然而，如果期望，可W从第一机械放大器提取一些电功率。通过与仅使用参数共 振器（从该参数共振器提取所有的电功率输出）的能量采集器（如在现有技术中）对比， 该可能不利地增加参数共振器的激活（activation)幅值，但参数共振器到直接共振器（第 二机械放大器）的禪合和从直接共振器的能量采集器的电功率输出的至少一部分的提取 有利地减小参数共振器的阻巧并且因此减小其激活幅值。
[0185] 该些相同点适当的适用于下面描述的每一个实施方式，其中能量采集器的多于一 个部件被描述为由压电材料制造。
[0186] 图15示出微尺寸或MEMS能量采集器，该能量采集器合并有第一机械放大器、第 二机械放大器，该第一机械放大器包括参数共振器20,该第二机械放大器包括直接共振器 22,其中第一机械放大器被禪合到第二机械放大器。图15的能量采集器W类似于图14的采 集器的方式进行操作。该参数共振器包括从错固28延伸的悬臂梁16。该梁在其自由端部 承载检测质量30并且W参数共振由平行于梁轴线的振动驱动。直接共振器包括悬臂梁32， 该悬臂梁从参数共振器的检测质量延伸，并且在其另一端部承载直接共振器检测质量34。
[0187] 在图14和15的能量采集器中，电能输出优选地取自直接共振器，最小化参数共振 器的阻巧，并且因此最小化参数共振器的启动幅值阔值。
[018引在图14和15中，压电地提取电功率。例如，本领域技术人员将理解的，可W使用 诸如静电梳齿的其它装置。
[0189] 图16示出能量采集器的结构，其中第一机械放大器包括参数共振器40并且被禪 合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括杠杆42。该是与图2中所示相同的结构。
[0190] 图17示出微尺寸或MEMS能量采集器，其中第一机械放大器包括直接共振器50并 且被禪合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器52。如果直接和参数共振 器的共振频率适当地匹配，则该种结构可W形成自动参数共振器。直接共振器包括在两个 错固56之间延伸的一对弹性梁54。该参数共振器包括悬臂梁58,该悬臂梁从直接共振器 的梁的中点延伸，在其自由端部承载检测质量60。直接共振器由振动驱动，该振动竖直于其 梁54的轴线并且平行于参数共振器的梁58的轴线。该引起沿图17中示出的方向y的参 数共振器的振动。可W从参数共振器提取电功率。
[0191] 图18是能量采集器的示意图，该能量采集器合并有第一机械放大器和第二机械 放大器，该第一机械放大器包括直接共振器70,该第二机械放大器包括参数共振器72,其 中第一机械放大器被禪合到第二机械放大器。如图17中，该种结构可W形成自动参数共振 器。
[0192] 图19示出微尺寸或MEMS能量采集器，其中第一机械放大器包括直接共振器80、82 并且被禪合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器84。第二机械放大器通 过另外的自由度被禪合到第二参数共振器86,该第二参数共振器可W被电力地衰减。
[0193] 图20示出微尺寸或MEMS能量采集器，其中第一机械放大器包括直接共振器90并 且被禪合到第二机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器92。第二机械放大器被禪 合到第二直接共振器94,该第二直接共振器94可W被电力地衰减。
[0194] 图21是能量采集器的示意图，其中第一机械放大器包括杠杆100并被禪合到第二 机械放大器，该第二机械放大器包括参数共振器102。参数共振器可W被电力地衰减。
[0195] 具有电容梳齿202的微尺寸悬臂200的设计模型在图23中被示出。面外振动 (out-of-planevibration)等同于直接激励，而面内驱动力在适当的频率和幅值条件下可 W潜在地引起参数共振。图24是通过在悬臂的（基座）端部210和错固208之间添加双 梁206的从图12的第二设计思路的迭代（iteration)。该种另外的初始弹黃结构充当电力 地无衰减的另外（第一）机械放大器（直接共振器）。图24中的结构可W潜在地观察到自 动参数共振。该是参数共振的子集，它不是通过外部（异性）参数激励被启动，而是通过作 用在系统的直接可激励部件（另外的初始双梁或弹黃206)上的直接激励被启动，该直接可 激励部件内部地传递能量到参数共振器（悬臂）。在数学上，异性和自动参数共振归纳为相 同的事物。
[0196] 图23和24的设计使用MEMSCAP铸造的绝缘娃片（SOI)多用户MEMS过程（MUM巧被 制造并且样品装置可W在图25和26中示出。图27示出图26的装置的双梁206的放大图。 图29示出图26和27的装置的操作原理。娃厚度是25ym并且总装置体积是~0. 147mm3。 对于从悬臂梁延伸的每一个可移动梳齿，对应的固定电容梳齿W10ym间隙空间放置在其 旁边；因此形成静电变换器。
[0197] 实验测试使用该些设计被执行。所有测试在正常空气压力下进行并且悬臂安装成 自由端部直立W克服非零初始位移标准。该种直立布置等同于倒置的摆键并且悬臂末端搁 置在不稳定的平衡中。通过MEMS装置的化lyTec激光振动计的C0MS化仿真（图23和24) 和频率扫描揭示在自然频率的两倍或一半下没有共振模式。因此，在该些频率范围附近的 其它共振峰值的可能存在可W被排除。通过震动器的机械激励，为图26的自动参数采集器 记录一阶和=阶参数共振。虽然二阶参数共振的开始也在f。附近被观察到，但稳态响应总 是向着基本共振模式收敛。如预测的，该种设计具有比图25装置低的启动阔值幅值，
[0198] ?参数采集器：~3g。
[0199] ?自动参数采集器（具有另外的弹黃）
[0200]-一阶；~0.Ig。
[0201] -^阶；~0.3径。
[0202] 表7 ;在相对于加速度平方标准化的功率密度方面，将该结果与该文献的选定对 应物比较。
[0203]
[0204] 实际上，对于参数共振的高一数量级的功率响应可W在Ig的加速度内很好地观 察到并且在图28中被清楚地展示。在4. 2ms^2,对基本模式，一阶参数和S阶参数共振分别 记录0.011yW、0. 156yW、和0. 127yW的功率峰值。表7简要地将该些结果与文献中的数 个选定的静电采集器对比。另外，主要参数共振的操作频率带宽（从半功率点测量）近似 地为基本共振模式的操作频率带宽的两倍。
[0205] 因此，W4. 2ms-2被驱动的面外（用于适应大的位移）静电MEMS原型（~ 0. 147mm3)已经在基本共振模式下展示0. 011yW的峰值功率并且在主要参数共振下展示 0. 16yW的峰值功率。对于参数情况，也观察到频率带宽的两倍增加。
[0206]MEMS、薄的/厚的膜和大尺寸装置被本发明人开发用于研究当被诱导到真实基础 结构的振动时与直接激励的采集器相比的该种新颖技术的功率效率。
[0207] 通过同时使用直接和参数共振，和/或将双稳定性并入到基础共振器（第一机械 放大器）中，另外的改进可W是可获得的，该基础共振器可W通过加宽输出功率频谱进一 步改进机械到电能量转换效率。在本发明人的实验中，观察到来自多自由度系统的多个直 接和参数共振峰值，并且对第一 40化记录累积的~10化半功率带宽。
[020引任何共振器可W潜在地展示直接和参数共振两者，但取决于激励标准，仅仅对一 个最敏感。因此，被配置成平行于强制激励放置的共振器可W被看作主要直接共振器值时， 并且被配置成竖直于强制激励放置的共振器可W被看作主要参数共振器（PR)。
[0209]固有地，与直接激励的共振相比，参数激励的共振与较高的能量存储关联，该是由 于线性阻巧不使幅值增长饱和。虽然几乎总是与参数共振关联的振动非线性可W潜在地导 致与线性直接激励的对应物相比频率响应的中等加宽，但仍然期望增加参数共振器的操作 频率带。
[0210] 本发明的另外方面因此可W提供可W容易地达到多个直接共振峰值的固有地多 频率补充采集器；并且当边界条件变得有利时，可W要求更有效的参数共振。
[0211] 参数共振的成问题的边界条件是上述依赖于阻巧的启动阔值幅值的存在，在接近 该个共振现象的更"有益的"区域之前，该激励需要达到该启动阔值幅值。诸如图30(a)中 示出的正交的初始两端夹紧梁（CCB)弹黃的添加有助于通过放大基础激励而无源地减小 该种激活障碍。该类似于图17、19、20、24、26、27和29中示出的结构。
[0212] 实际上，CCB可W在其端部被错固或者W任何方便的方式被支撑，而不是被夹紧。
[0213] 通过减小夹紧装置之间的距离，因此对CCB预应力（弯曲），双稳定性可W被引入 到该个系统中。如图30(b)所示，对称的双稳定系统具有零位移处的不稳定的平衡和布置 在原点的任一侧上的两个稳定的平衡点，且由下面的通用方程限定。
[0214] "? +山'+ (-.(乂）=厂(/) "2)
[0引引U(X)= -0. 5kx2+0. 25y又4 (1扣
[0216] 其中，U、x、m、c、F、k和y分别是势能、位移、质量、阻巧、驱动力、线性负弹黃常数、 和Duffing参数。方程14限定势阱内的位置+X,，并且方程15表示势垒AU(跳到其它稳 定状态所需的能量）。
[0217]
(14)
[021 引AU=k2/4y (15)
[0219] 每当该系统从一个阱内跳到另一个，即，CCB的突弹跳变状态（snap-t虹OU曲 state)，释放可W被电力地采集的相对大量的能量。
[0220] 如图31中示出的实验装置（部件体积：~8. 14cm3)用于表征由预应力引起的双 稳定性的效果。CCB220充当初始弹黃，该初始弹黃用于W从CCB延伸的悬臂的形式的辅 助PR(参数共振器）222。APCInternational(APC国际）的压电陶瓷（PZT) 224被用作机 械到电变换器并且使用环氧树脂粘合剂连接到悬臂。CCB被保持在夹紧装置228之间。
[0221] 通过调节安装在PR的悬臂的端部的震测（seismic)质量226的尺寸和位置，CCB 的自然频率可W被调谐到匹配或不匹配PR的主要参数共振。当频率匹配发生时，可W激活 自动参数共振。该是起因于组成共振元件的自然频率的某些整数比关系的能量的内部传递 引起的参数共振的子集。CCB的基本模式和的主要参数模式不共存并且该系统在该两个 共振模式之间交替。主要参数共振的特性标识是激励频率是观察到的响应的频率的两倍。
[0222] 变化的水平的预应力被施加到CCB220W形成如图30所示的双稳定的梁，并且如 图32所示观察到不变的趋势。随着递增的双稳定性，实验地观察到PR的直接和参数共振 峰值的显著的 且渐进的上升。在另一方面，CCB示出品质因子的降低并且见证原始自然频 率附近的双共振峰值的开始。该个观察符合C0MS化仿真，其中CCB看起来具有与不同的势 阱内（突弹跳变状态）关联的略微不同的共振频率。表8给出对于~5ms^2的激励输入加 速度、0. 38MQ的载荷电阻、和80mm(单稳定的）、70mm(适度双稳定的）和60mm(高度双稳 定的）的夹紧间隙获得的峰值功率结果。
[022引表8 ;W~5ms-2的恒定值驱动的在变化的水平的双稳定性下的PR和CCB的各种 基本模式W及PR的主要参数模式的功率峰值。
[0224]
[0225] 虽然一旦激活，PR(在参数共振下操作）就在较高双稳定性情况下显著较好地运 行，激活它所需的启动阔值的限制障碍也增加如下，
[0226] ?单稳定的；3. 60ms-2
[0227] ?适度双稳定的；4. 05ms-2
[022引?高度双稳定的；4. 58ms-2
[0229] 该种性能是从较刚性的预应力的CCB的较低振动响应的结果，该较刚性的预应力 的CCB用于放大用于PR的基础激励。因此，由于预应力增加，CCB作为在降低参数共振的 启动阔值方面的无源（passive)协助的有效性被减少，尽管CCB在传递能量到PR方面的有 效性增加。
[0230] 虽然参数共振可W比其直接激励的对应物提供显著较高的能量转换效率，但其初 始激活可能需要满足如下一系列标准。
[0231]? ? = ?n/2 ;其中《、《n、和n分别是激励频率、自然频率、和表示参数共振的级 的整数。
[0232] ?激励幅值必须克服依赖于阻巧的启动阔值幅值。
[0233] ?必须存在非零初始位移。
[0234] ?在获得参数共振峰值之前必须忍受瞬态建立时间（transientbuildup time)。
[0235] 因此，与参数共振一起使用更加可达到的直接共振帮助最大化从随机振动输入的 响应。在双稳定性的情况中，在突弹跳变状态期间释放最大能量。然而，跨越该些状态之间 的势垒需要大的能量输入。取代上述预应力的CCB的错固的夹紧装置的另外的侧弹黃可W 有助于调节或减小势垒的高度并且增加突弹跳变的可能性。该种直接地且参数地激励的双 稳定共振器的总构思可W在图33示出的模型图中被描绘，其中相同的附图标记在图34中 被使用（在下面被描述）。
[023引参数叫、1112、和A表示直接共振器值时的有效质量、参数共振器（PR)的有效质量、 和外部加速度的幅值。根据图33中的模型图，具有平行于激励的位移的共振器被看作主要 直接激励的共振器值时，对于PR反之亦然。在图34中示出了展示C0MS化模型的该种设计 迭代。在该个结构中，双稳定的梁230在其端部由两个侧弹黃232支撑。侧弹黃的端部被 错固234并且侧弹黃将双稳定的梁的端部推向彼此，提供预应力W将梁230保持在双稳定 状态中。参数和直接共振器236、238W悬臂的形式从双稳定的梁延伸。每一个悬臂包括用 于提取电功率的压电变换器240、242。该结构被布置用于被沿平行于参数共振器且竖直于 直接共振器的方向的振动激励。
[0237]图35示出图34的双稳定系统中的势垒调节。在侧弹黃振动时，被施加到CCB的 预应力也随着时间周期T变化。T/4和3T/4是在振动的侧弹黃减轻预应力时势垒从势阱 内的一个最小的时候。0T和T/2是侧弹黃返回到它们的相应原点并且势垒没有被改变的 时候。该增加了跳跃到双稳定的梁的相邻的阱内的可能性。如果侧弹黃的共振模式也被激 活，则能量传递可W被最大化。
[023引图34中的原型受限于来自铁路轨道的测量的振动数据（放大12倍）并且来自DR和PR变换器的电压响应可W在图37中见到。（在该个原型中，没有震测端部质量被附着 到共振的悬臂的端部。在改进的装置中，端部质量可W被附着W便增加能量采集器的敏感 度。）具有随机频率峰值的输入振动覆盖具有快速频率振动的将近60化的跨度。电压输出 的FFT分析确认宽带响应。如从该个初始实验见到的，该种多频率采集器对于宽带真实振 动比单独直接共振器更敏感，并且包括当边界条件变得有利时激活与参数共振相关的高变 换效率的可能性。
[0239] 因此，概括地说，借助通过预应力的CCB的增加的双稳定性，本发明人的实验显示 基本模式峰值和主要参数峰值的显著增加。通过近似覆盖10化到40化之间的积累带宽的 =分之一，直接地且参数地激励的双稳定原型也已经表明宽带操作。该种多频率设计容易 地提供直接激励的峰值，而当边界条件变得有利时也可W要求更有效的参数共振。
[0240] 为了总结本发明的该个方面，第一机械放大器可W包括双稳定的或多稳定的结 构，诸如预应力的梁，或者更一般地说，具有两个或更多个稳定状态的机械放大器。第二机 械放大器可W包括参数共振器并且借助或通过第一机械放大器由外部振动驱动。在第一机 械放大器中的双稳定的或多稳定的结构的使用可W具有两个主要优点。首先，在其稳定状 态的每一个中，多稳定的结构可W比等同的单稳定结构更加刚性。例如，通过对梁预应力形 成的双稳定结构可W在其稳定状态的一个或更多个中比没有被预应力的类似的梁更加刚 性。更加刚性的梁可W有利地能够传递更多能量到第二机械放大器的参数共振器，自身吸 收较少能量。第二，多稳定结构在其稳定状态之间的转变（突弹跳变）可W传递更大量的 能量到第二机械放大器的参数共振器。该可W有利地克服激活、或阔值、幅值W便引起参数 共振器的共振。一旦激活幅值已经被克服，通过在其稳定状态的一个中的多稳态结构传递 的能量可W足W维持参数共振。
[0241] 图37、38、和39示出本发明的另外实施方式，其中使用电磁能量采集布置。图37 示出能量采集器的透视图，其前部安装平面为了清楚而被省略，图38示出对应于图37的视 图，但W虚线示出细节，并且图39示出图37和38的能量采集器的内部结构的视图。
[0242] 该能量采集器包括W弹性梁300的形式的直接共振器，该弹性梁在其端部被错固 (未示出）。该是采集器的第一机械放大器。W悬臂302的形式的参数共振器从梁300向 上延伸。梁和悬臂由被铜或弹黃钢制造。悬臂优选地在使用期间向上取向W将它放置在不 稳定的位置中，从而促进参数共振。两个永久磁体304被固定在悬臂302的任一侧上。悬 臂和磁体被布置在线圈306之间并且与线圈306紧密地间隔，该线圈被保持在杯形线圈保 持器308内。每一个线圈保持器被固定到用于支撑的安装板310。梁300和参数共振器的 共振频率被匹配，优选地W便形成如上所述的自动参数共振器。
[0243] 所述磁体优选地为NdFeB磁体。
[0244] 在操作期间，线圈之间的磁体的振动使得电功率能够从线圈被抽取。
【主权项】
1. 一种用于从输入振动采集能量的能量采集器，该能量采集器包括： 响应于所述输入振动的第一机械放大器；和 耦合到所述第一机械放大器的第二机械放大器； 其中所述第一机械放大器和第二机械放大器中的至少一个机械放大器包括参数共振 器； 并且其中能量采集器功率输出通过衰减所述第二机械放大器而生成。2. 根据权利要求1所述的能量采集器，其中所述能量采集器功率输出是电功率输出并 且所述第二机械放大器被电力地衰减以生成所述电功率输出。3. 根据权利要求1或2所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器没有被衰减。4. 根据权利要求1、2、或3所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器没有被电力地 衰减。5. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器包括所述参数 共振器。6. 根据权利要求5所述的能量采集器，其中所述第二机械放大器包括非共振机械放大 器、直接共振器、或者另外的参数共振器。7. 根据权利要求6所述的能量采集器，其中所述非共振机械放大器、所述直接共振器、 或所述另外的参数共振器被衰减以生成所述能量采集器功率输出。8. 根据权利要求6所述的能量采集器，其中所述第二机械放大器包括另外的机械放大 器，所述另外的机械放大器耦合到所述非共振机械放大器、所述直接共振器、或所述另外的 参数共振器，以及其中所述另外的机械放大器被衰减以生成所述能量采集器功率输出。9. 根据权利要求1至4中的任一权利要求所述的能量采集器，其中所述第二机械放大 器包括所述参数共振器。10. 根据权利要求9所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器包括直接共振器。11. 根据权利要求10所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器的直接共振器和所 述第二机械放大器的参数共振器形成自动参数放大器。12. 根据权利要求10或11所述的能量采集器，其中所述直接共振器的共振频率是所述 参数共振器的共振频率的约数。13. 根据权利要求9所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器包括非共振机械放 大器。14. 根据权利要求9至13中的任一权利要求所述的能量采集器，其中所述参数共振器 被衰减以生成所述能量采集器功率输出。15. 根据权利要求9至13中的任一权利要求所述的能量采集器，其中所述第二机械放 大器包括另外的机械放大器，所述另外的机械放大器耦合到所述参数共振器，以及其中所 述另外的机械放大器被衰减以生成所述能量采集器功率输出。16. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，其中所述能量采集器是大尺寸装置、微 尺寸装置、厚膜装置、薄膜装置、或MEMS装置。17. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器和第二机械 放大器提供第一自由度和第二自由度。18. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，其中所述第一机械放大器具有静止位 置，所述静止位置处于不稳定的平衡。19. 根据任何前述权利要求所述的能量采集器，所述能量采集器包括一个或更多个共 振器，所述一个或更多个共振器能够以直接和/或参数共振被激励。20. -种用于从输入振动采集能量的能量采集器，该能量采集器包括： 响应于所述输入振动的第一机械放大器；和 耦合到所述第一机械放大器的第二机械放大器； 其中所述第一机械放大器和第二机械放大器中的至少一个机械放大器包括参数共振 器；和 用于生成能量采集器功率输出的衰减机构，其中所述衰减机构不直接地作用于所述第 一机械放大器。21. -种用于采集机械振动的方法，该方法包括以下步骤： 使用所述振动驱动第一机械放大器； 使用所述第一机械放大器的输出驱动第二机械放大器；和 通过衰减所述第二机械放大器提取功率输出； 其中所述第一机械放大器和第二机械放大器中的至少一个机械放大器是以参数共振 被驱动的共振器。
【专利摘要】提供一种用于采集能量的能量采集器，并且特别地从诸如周围振动的输入振动采集电能。该能量采集器包括第一机械放大器(2)和第二机械放大器(4)，所述第一机械放大器(2)响应于输入振动，以及所述第二机械放大器(4)耦合到所述第一机械放大器。第一机械放大器和第二机械放大器中的至少一者包括参数共振器，并且能量采集器的功率输出通过衰减所述第二机械放大器而生成。
【IPC分类】H02N2/18
【公开号】CN104904110
【申请号】CN201380039064
【发明人】Y·贾, J·燕, A·A·塞西亚, K·索加
【申请人】剑桥企业有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年5月24日
【公告号】EP2856628A2, WO2013175449A2, WO2013175449A3
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