一种拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器及采集方法

技术领域

本发明属于微能源采集技术领域，特别涉及一种拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器及采集方法。

背景技术

无线通信、集成电路技术以及微机电系统(MEMS/NEMS)的不断进步极大推动了无线传感器的广泛应用，涉及工业生产、植入式设备、环境监测和健康监测设备。目前，大部分无线传感器需采用电池供电，需要的电量等级一般介于微瓦级至毫瓦级之间，属于微功耗系统，对供电电池的要求严苛。其次，电池的寿命普遍较短；若运行一个数千个节点所构成的无线传感器网络需定期更换大量的电池，在一些恶劣条件下更新电池或给电池充电的成本将非常高而且极不便利，无法满足MEMS电源的要求。从环境保护的角度考虑，一部分环境污染例如土壤的永久污染正是来源于大批的废弃电池。所以，自供电技术是为传感器供能极具潜力的方案，尤其是借助外界环境获取能量的方案。振动能量广泛存在于机械设备、汽车、人体运动以及各种流体等，且天气、温度湿度、光线等因素对振动能量的采集几乎没有影响。因此，振动换能是替代传统电池为微功耗设备供电的理想选择。

现有压电式集能器的基本工作原理是基于压电效应的应用，电能的产生是由振动发生时产生的机械能作用于压电元件转化而来。与电磁式、静电式、磁致伸缩式集能器相比，压电式结构简单，便于微型化，与系统集成相对容易，并可获得相对较高的功率密度。在宽频方面，双稳态等非线性技术优势显著。双稳态压电能量采集器可以通过不同的机制实现，包括机械预加载、磁相互作用或层压板复合材料中的残余热应力等。双稳态系统可在两个稳态间产生大幅周期或混沌运动，双稳态压电振动能量采集器能利用系统固有的非线性力，在低频环境中实现在非共振状态下的能量采集，拓宽了能量采集频域。

稳态压电振动能量采集器高输出的关键在于到达并保持在高能轨道上运行，即实现大幅的阱间振动。但在非线性双稳态结构受激振动下，大振幅阱间振动并不是唯一的振动实现形式，同时伴随稳定的小振幅阱内振荡，在振动源强度不够的情况下，双稳态能量采集器能量转换效率便会急剧降低，有效集能变得困难。因此，振动能量采集的主要挑战之一是提高低频和弱环境振动的效率。所需的采集器应具有宽频带的工作频率和在弱激励下的大振幅。

环境中的振动多为低频低强度的随机振动，因此设计能够匹配外界低频振动，在低强度的激励条件下也能实现双稳态能量采集装置的两稳态间的大幅周期运动，对于提高能量采集装置的能量转换效率有着重要意义，为能量采集领域提供一条新的研究角度、新方法与新机理。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供一种拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器及采集方法，针对低频弱激励振动源的双稳态屈曲梁振动能量采集，以解决现有双稳态振动能量采集器在低频振动环境中，触发大幅稳态间周期运动激励频率高，所需激励强度大的问题；特别适用于海上传感器的自供电应用以及其他外界振动极低频弱激励特征明显的应用场合；本发明提出了带有附加磁铁可移动U型板的双稳态屈曲梁压电振动能量采集器，在不改变稳态数量的情况下，使集能单元在低频低激励强度环境下更容易实现快速阱间振动，进而提高低水平激励下集能器的性能。

一种拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器，包括屈曲梁双稳态能量采集装置核心结构1、U型板结构2、可调节夹持结构3、滑轨装置4、支撑基座5；其中滑轨装置4固定在支撑基座5上方中部，U型板结构2配合连接在滑轨装置4的滑轨上，使得U型板结构2在外界激励作用下产生滑动位移时能够在滑轨装置4的滑轨上前后滑动，屈曲梁双稳态能量采集装置核心结构1左右两侧分别通过可调节夹持结构3夹持在U型板结构2内，且所述可调节夹持结构3配合连接在支撑基座5的支撑基座滑槽501内；

所述屈曲梁双稳态能量采集核心结构1包括固定梁105、前侧磁铁107、后侧磁铁106和多个压电片，其中固定梁105中部前后两端分别固定有对应设置的前侧磁铁107和后侧磁铁106，固定梁105左右两侧的前后两端分别固定有对应设置的压电片；

所述U型板结构2包括水平基板202、竖直基板一204、竖直基板二205、磁铁一201和磁铁二206，其中水平基板202通过可动支撑402连接在滑轨装置4上，竖直基板一204和竖直基板二205分别通过L型直角固定器203紧固在水平基板202上水平基板移动槽20202的前后两端；所述竖直基板一204和竖直基板二205内侧分别粘附有磁铁二206和磁铁一201，且磁铁二206与前侧磁铁107相对且磁性相斥，磁铁一201与后侧磁铁106相对且磁性相斥。

所述支撑基座5中部设有一列用于固定滑轨装置4的支撑基座螺纹孔502，支撑基座螺纹孔502两侧的支撑基座5上分别设有支撑基座滑槽501。

所述固定梁105左侧的前后两端分别固定有两个压电片，构成左侧压电拾振结构一101和左侧压电拾振结构二102，所述固定梁105右侧的前后两端分别固定有两个压电片，构成右侧压电拾振结构一103、右侧压电拾振结构二104。

所述可调节夹持结构3包括L型夹板和矩形夹板，其中L型夹板的底板配合连接在固定梁105的支撑基座滑槽501内，固定梁105的端部通过矩形夹板紧固在L型夹板的竖直板上。

所述滑轨装置4包括可动支撑402、固定轨道401；其中可动支撑402上设有可动支撑内滑槽40202和可动支撑螺纹孔40201；固定轨道401上设有半圆柱型凹槽40101和固定轨道螺纹孔40102；通过紧固螺钉、固定轨道螺纹孔40102和支撑基座螺纹孔502将固定轨道401固定在支撑基座5中部，可动支撑402通过其上的可动支撑内滑槽40202非过盈接触配合在固定轨道401的固定轨道半圆柱形凹槽40101外。

所述竖直基板一204上设有竖直基板一底部槽20401，所述竖直基板二205上设有竖直基板二底部槽20501，所述竖直基板一204通过L型直角固定器203紧固在竖直基板一底部槽20401与对应的水平基板移动槽20202内，竖直基板二205通过L型直角固定器203紧固在竖直基板二底部槽20501与对应的水平基板移动槽20202内。

所述水平基板202上还设有水平基板螺纹孔20201，利用紧固螺钉通过水平基板螺纹孔20201和可动支撑螺纹孔40201将水平基板202安装在滑轨装置4的可动支撑402上。

所述磁铁二206、磁铁一201、前侧磁铁107和后侧磁铁106的厚度相同。

一种针对低频弱激励振动源的双稳态屈曲梁振动能量采集方法，采用拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器实现，具体包括如下步骤：

步骤一，调节左侧夹持结构302和右侧夹持结构301在Y方向的位置，使固定梁105发生特定的屈曲，形成双稳态屈曲梁结构，在磁力作用下，U型板结构2和屈曲梁双稳态能量采集核心结构1维持静止的平衡状态；将拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器置于小激励加速度振动环境中，为支撑基座5提供X方向的水平激励；

步骤二，小激励加速度振动环境分别在1-10Hz和20-30Hz的频率范围内给予拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器逐步的升频激励，U型板结构2作为辅助振子，在小激励加速度振动环境中给予的1-10Hz超低频激励下相对固定梁105发生滑动，这使得来自竖直基板一204和竖直基板二205处的磁铁二206和磁铁一201作用在固定梁105中部产生变化的磁相互作用力，放大外界激励力；进而使本身不能在超低频响应的屈曲的固定梁105在激励下发生稳态间大幅跳变；

U型板结构2在小激励加速度振动环境中给予的20-30Hz低频激励下不再发生相对滑动，U型板结构2、屈曲的固定梁105相对静止，形成磁悬浮结构，降低了屈曲的固定梁105的谐振频率，在20-30Hz的相对低频频带上屈曲的固定梁105同样发生双稳态的稳态间跳变，即大幅阱间振动；

步骤三，屈曲的固定梁105在激励下发生稳态间大幅跳变，使固定梁105发生变形，将固定梁105上的左侧压电拾振结构一101、左侧压电拾振结构二102、右侧压电拾振结构一103、右侧压电拾振结构二104上对应的压电片变形，转化成电压信号V进行输出，从而实现了振动能量的采集。

所述步骤一中，将支撑基座5固定在外部滑轨移动平台上，伺服电机根据控制信号产生转动，驱动滑轨移动平台产生水平的移动，进而为支撑基座5提供X方向的水平激励。

一种对采集电能的电压值进行求解的方法，包括如下内容：

步骤一，建立磁斥力与磁铁间距的关系，对固定梁105中部所受来自U型板结构2的竖直基板一204和竖直基板二205处的磁铁二206和磁铁一201磁力作用分析如下：

步骤1.1，磁铁二206在前侧磁铁107处上产生的磁通密度为B

步骤1.2，步骤1.2，根据磁流密度计算磁铁间的势能，其中前侧磁铁107和后侧磁铁106的磁偶极矩用m

其中，r

由于竖直基板一204和竖直基板二205上的磁铁和固定梁105中部处对应的磁铁位置对应，总势能U

步骤1.3，由总势能U

根据位置与运动关系，两方向矢量r

其中：L

将分析计算所得相关表达式代入磁力公式如下：

根据拉格朗日方程，并引入压电耦合项，屈曲的固定梁105的振动方程如下：

其中，F

运用Matlab进行仿真计算，最终得到在特定激励加速度幅值和激励频率下所采集能量的电压值V(t)。

本发明的有益效果在于：

本发明适用于当前无线自供电IOT传感节点领域；该装置能够在普遍存在的低频弱激励外界振动下实现双稳态大幅阱间振动模式。在振动源强度不足以使集能器发生大幅周期跳变的情况下，提高弱激励下能量采集的性能，实现最大程度化有效集能，有助解决现有双稳态振动能量采集器受限于稳态间势垒的问题；通过调节能量采集器的U型板L型直角固定器和夹持装置，改变能量采集器的结构参数，即改变U型板结构两竖直基板的水平距离和梁长及屈曲程度等，能够匹配不同应用环境频率和环境激励加速度幅值，使能量采集装置在不同的工况都能够实现双稳态的稳态间大幅周期运动，提高能量转换效率。此外，屈曲梁的形状可进一步拓展延伸成其他结构形式，可以根据不同的工况改变屈曲梁的形状实现更多能量采集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明未夹持直梁结构示意图；

图3是本发明U型板结构示意图；

图4是本发明U型板部分组成结构示意图；

图5是本发明右侧夹持结构示意图；

图6是本发明左侧夹持结构示意图；

图7是本发明滑轨装置结构示意图；

图8是是本发明可动支撑结构示意图；

图9是本发明支撑基座结构示意图；

图10为本发明对比实验输出电压数据图。

附图标识：1屈曲梁双稳态能量采集装置核心结构；101左侧压电拾振结构一；102左侧压电拾振结构二；103右侧压电拾振结构一；104右侧压电拾振结构二；105梁；106磁铁一；107磁铁二；2U型板结构；201竖直基板二磁铁；202水平基板；20201水平基板螺纹孔；20202水平基板滑槽；203L型直角固定器；204竖直基板一；20401竖直基板一底部槽；205竖直基板二；20501竖直基板二底部槽；206竖直基板一磁铁；3可移动夹持结构；301右侧夹持结构；30101右L型夹板；30102右矩形夹板；30103右矩形夹板螺纹孔；30104右L型夹板竖直面螺纹孔；30105右L型夹板地面螺纹孔；302左侧夹持结构；30201左L型夹板；30202左矩形夹板；30203左矩形夹板螺纹孔；30204左L型夹板竖直面螺纹孔；30205左L型夹板底面螺纹孔；4滑轨装置；401固定轨道；40101半圆柱型凹槽；40102固定轨道螺纹孔；402可动支撑；40201可动支撑螺纹孔；40202可动支撑内滑槽；5支撑基座；501支撑基座滑槽；502支撑基座螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如图1所示，一种拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器，包括屈曲梁双稳态能量采集装置核心结构1、U型板结构2、可调节夹持结构3、滑轨装置4、支撑基座5；其中滑轨装置4固定在支撑基座5上方中部，U型板结构2配合连接在滑轨装置4的滑轨上，使得U型板结构2在外界激励作用下产生滑动位移时能够在滑轨装置4的滑轨上前后滑动，屈曲梁双稳态能量采集装置核心结构1左右两侧分别通过可调节夹持结构3夹持在U型板结构2内，且所述可调节夹持结构3配合连接在支撑基座5的支撑基座滑槽501内；

如图2-4所示，所述屈曲梁双稳态能量采集核心结构1包括固定梁105、前侧磁铁107、后侧磁铁106和多个压电片，其中固定梁105中部前后两端分别固定有对应设置的前侧磁铁107和后侧磁铁106，固定梁105左右两侧的前后两端分别固定有对应设置的压电片；

所述U型板结构2包括水平基板202、竖直基板一204、竖直基板二205、磁铁一201和磁铁二206，其中水平基板202通过可动支撑402连接在滑轨装置4上，竖直基板一204和竖直基板二205分别通过L型直角固定器203紧固在水平基板202上水平基板移动槽20202的前后两端；所述竖直基板一204和竖直基板二205内侧分别粘附有磁铁二206和磁铁一201，且磁铁二206与前侧磁铁107相对且磁性相斥，磁铁一201与后侧磁铁106相对且磁性相斥。

如图9所示，所述支撑基座5中部设有一列用于固定滑轨装置4的支撑基座螺纹孔502，支撑基座螺纹孔502两侧的支撑基座5上分别设有支撑基座滑槽501。

所述固定梁105左侧的前后两端分别固定有两个压电片，构成左侧压电拾振结构一101和左侧压电拾振结构二102，所述固定梁105右侧的前后两端分别固定有两个压电片，构成右侧压电拾振结构一103、右侧压电拾振结构二104。

如图5-6所示，所述可调节夹持结构3包括L型夹板和矩形夹板，其中L型夹板的底板配合连接在固定梁105的支撑基座滑槽501内，固定梁105的端部通过矩形夹板紧固在L型夹板的竖直板上。

如图7-8所示，所述滑轨装置4包括可动支撑402、固定轨道401；其中可动支撑402上设有可动支撑内滑槽40202和可动支撑螺纹孔40201；固定轨道401上设有半圆柱型凹槽40101和固定轨道螺纹孔40102；通过紧固螺钉、固定轨道螺纹孔40102和支撑基座螺纹孔502将固定轨道401固定在支撑基座5中部，可动支撑402通过其上的可动支撑内滑槽40202非过盈接触配合在固定轨道401的固定轨道半圆柱形凹槽40101外。

所述竖直基板一204上设有竖直基板一底部槽20401，所述竖直基板二205上设有竖直基板二底部槽20501，所述竖直基板一204通过L型直角固定器203紧固在竖直基板一底部槽20401与对应的水平基板移动槽20202内，竖直基板二205通过L型直角固定器203紧固在竖直基板二底部槽20501与对应的水平基板移动槽20202内。

所述水平基板202上还设有水平基板螺纹孔20201，利用紧固螺钉通过水平基板螺纹孔20201和可动支撑螺纹孔40201将水平基板202安装在滑轨装置4的可动支撑402上。

所述磁铁二206、磁铁一201、前侧磁铁107和后侧磁铁106的厚度相同。

一种针对低频弱激励振动源的双稳态屈曲梁振动能量采集方法，采用拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器实现，具体包括如下步骤：

步骤一，调节左侧夹持结构302和右侧夹持结构301在Y方向的位置，使固定梁105发生特定的屈曲，形成双稳态屈曲梁结构，在磁力作用下，U型板结构2和屈曲梁双稳态能量采集核心结构1维持静止的平衡状态，将拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器置于小激励加速度振动环境中，为支撑基座5提供X方向的水平激励；

具体方式为：将支撑基座5固定在外部滑轨移动平台上，伺服电机根据控制信号产生转动，驱动滑轨移动平台产生水平的移动，为支撑基座5提供X方向的水平激励；

步骤二，小激励加速度振动环境分别在1-10Hz和20-30Hz的频率范围内给予拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器逐步的升频激励，U型板结构2作为辅助振子，在小激励加速度振动环境中给予的1-10Hz超低频激励下相对固定梁105发生滑动，这使得来自竖直基板一204和竖直基板二205处的磁铁二206和磁铁一201作用在固定梁105中部产生变化的磁相互作用力，放大外界激励力；进而使本身不能在超低频响应的屈曲的固定梁105在激励下发生稳态间大幅跳变；

U型板结构2在小激励加速度振动环境中给予的20-30Hz低频激励下不再发生相对滑动，U型板结构2、屈曲的固定梁105相对静止，形成磁悬浮结构，降低了屈曲的固定梁105的谐振频率，在20-30Hz的相对低频频带上屈曲的固定梁105同样发生双稳态的稳态间跳变，即大幅阱间振动；

两个激励频率范围是根据以下内容确定得到的：

双稳态指的是屈曲的固定梁105的两种稳定状态，稳态一是指固定梁105向x轴正方向一侧弯曲，稳态二是指固定梁105向x轴负方向弯曲。大幅阱间振动是指屈曲的固定梁105在两个稳态状态间跳变，固定梁105振动幅值最大，通过压电片转换的能量也是最多的。没有U型板结构2时，屈曲的固定梁105的谐振频率很高，在低频下无法发生双稳态的稳态间跳变，无法有效采集低频振动能量。因此，本发明定义U型板结构2为一种辅助振子，在其作用下，使得屈曲的固定梁105在低频振动下响应。

给拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器施加激励，激励频率从1Hz增加至32Hz，记录每个定频激励频率下左侧压电拾振结构一101、左侧压电拾振结构二102、右侧压电拾振结构一103、右侧压电拾振结构二104上对应压电片的输出电压。

在1Hz-32Hz的频率激励下，可滑动的U型板结构2有两个固有属性：①在超低频1-10Hz激励下可以和固定梁105发生下对滑动②随着激励频率增加在10-32Hz的激励下，U型板结构2无法发生相对滑动，与屈曲的固定梁105相对静止，两者一起运动。

因此，在1-10Hz超低频激励下，U型板结构2发生相对滑动，由于磁相互作用，产生变化的磁力作用在固定梁105上，使得屈曲的固定梁105发生双稳态的稳态间跳变，即大幅阱间振动。随着激励频率增加，U型板结构2不再发生相对滑动，U型板结构2、屈曲的固定梁105相对静止，形成磁悬浮结构，降低了屈曲的固定梁105的谐振频率，在相对低频(20-30Hz)频带上屈曲的固定梁105就可以发生双稳态的稳态间跳变，即大幅阱间振动。

在1-10Hz和20-30Hz两个频带上屈曲的固定梁105发生大幅阱间振动，粘贴在固定梁105上的压电片也随之产生了大变形，由于压电片的正压电效应，实现电压输出，完成了振动能向电能的转换。

在没有U型板结构2的情况下，外界提供的低频弱激励振动只能够使屈曲梁产生小幅度的振动，而有效集能需要梁大幅振动，让压电片变形，通过压电效应有好的输出。而较高频激励下U型板结构2会保持静止，在屈曲的固定梁105中部形成磁悬浮结构，故在较高频率激励下极大程度降低了固定梁105稳态间跳变的激励阈值；因此在两处低频(超低频1-10Hz和低频20-30Hz)振动下，U型板结构2特性的辅助(1-10Hz的滑动状态和20-30的静止状态)可以使屈曲梁发生稳态间大幅跳变。

步骤三，屈曲的固定梁105在激励下发生稳态间大幅跳变，使固定梁105发生变形，将固定梁105上的左侧压电拾振结构一101、左侧压电拾振结构二102、右侧压电拾振结构一103、右侧压电拾振结构二104上对应的压电片变形，转化成电压信号V进行输出，从而实现了振动能量的采集。

基于压电片的正压电效应实现外界振动能向电能的转化，最终通过全桥整流电路将压电片输出的交流电转化为直流电，为微功耗电子设备供电。

根据以下步骤对采集到的电压值进行求解：

步骤一，建立磁斥力与磁铁间距的关系，对固定梁105中部所受来自U型板结构2的竖直基板一204和竖直基板二205处的磁铁二206和磁铁一201磁力作用分析如下：

步骤1.1，磁铁二206在前侧磁铁107处上产生的磁通密度为B

步骤1.2，步骤1.2，根据磁流密度计算磁铁间的势能，其中前侧磁铁(107)和后侧磁铁106的磁偶极矩用m

其中，r

由于竖直基板一204和竖直基板二205上的磁铁和固定梁105中部处对应的磁铁位置对应，总势能U

步骤1.3，由总势能U

根据位置与运动关系，两方向矢量r

其中：L

将分析计算所得相关表达式代入磁力公式如下：

根据拉格朗日方程，并引入压电耦合项，屈曲的固定梁105的振动方程如下：

其中，F

运用Matlab进行仿真计算，最终得到在特定激励加速度幅值和激励频率下所采集能量的电压值V(t)。

将有U型板结构2和拆掉U型板结构2的本发明所述一种拓宽低频带宽双稳态振动能量采集器分别按照上述方法进行测试，获得的电压值对比图如图10所示，在同样的振动条件下，无滑动的U型板结构2的屈曲梁双稳态能量采集装置只能产生微弱的电压输出，而有滑动的U型板结构2的能量采集装置在超低频(0-10Hz)和低频(20-30Hz)的宽频率带宽内产生了较高的输出电压，验证了本发明在拓宽低频带宽的显著优势。

可滑动的U型板结构2的存在使双稳态屈曲梁集能器输出了较高的电压，两个峰值对应频率集能性能很好，因此说适合于超低频振动，同时两个峰的出现达到宽频的效果。

实施例2

所述支撑基座5中部设有一列支撑基座螺纹孔502，支撑基座螺纹孔502两侧的支撑基座5上分别设有支撑基座滑槽501，U型板结构2配合连接在滑轨装置4的滑轨上，使得U型板结构2在外界激励作用下产生滑动位移时能够在滑轨装置4的滑轨上滑动，进而在支撑基座5中部产生变化的磁场，以对屈曲梁双稳态能量采集核心结构1施加变化的磁力，屈曲梁双稳态能量采集核心结构1由可调节夹持结构3进行夹持，且位于U型板结构2内侧。

如图2所示，所述屈曲梁双稳态能量采集核心结构1包括前侧磁铁107，后侧磁铁106，压电片；可调节夹持结构3未夹持前，前侧磁铁107、后侧磁铁106固定在固定梁105中部前后两端，在固定梁105的左右两侧、每侧的前后两端各粘贴一片压电片，分别作为左侧压电拾振结构一101、左侧压电拾振结构二102，右侧压电拾振结构一103、右侧压电拾振结构二104；

其中可调节夹持结构3包括：左侧夹持结构302和右侧夹持结构301，两侧夹持结构可在支撑基板5长度方向上通过支撑基座滑槽501自由调节位置；

左侧夹持结构302和右侧夹持结构301结构相同，所述左侧夹持结构302包括左L型夹板30201和左侧矩形夹板30202，其中左L型夹板30201的竖直板上设有左L型夹板竖直面螺纹孔30204，左L型夹板30201的底板上设有左L型夹板底面螺纹孔30205，左侧矩形夹板30202上设有左侧矩形夹板螺纹孔30203，左L型夹板30201和左侧矩形夹板30202用螺钉螺母固定连接；

所述右侧夹持结构301包括右L型夹板30101和右侧矩形夹板30102，其中右L型夹板30101的竖直板上设有右L型夹板竖直面螺纹孔30104，右L型夹板30101的底板上设有右L型夹板底面螺纹孔30105，右侧矩形夹板30102上设有右侧矩形夹板螺纹孔30103，右L型夹板30101和右侧矩形夹板30102用螺钉螺母固定连接。

所述滑轨装置4包括可动支撑402、固定轨道401、紧固螺钉；可动支撑402上设有可动支撑内滑槽40202和可动支撑螺纹孔40201；固定轨道401上设有半圆柱型凹槽40101和固定轨道螺纹孔40102；通过紧固螺钉、固定轨道螺纹孔40102和支撑基座螺纹孔502将固定轨道401固定在支撑基座5中部，可动支撑内滑槽40202与固定轨道半圆柱形凹槽40101非过盈接触配合。

所述U型板结构2包括水平基板202、竖直基板一204、竖直基板二205、L型直角固定器203、磁铁一201和磁铁二206，所述水平基板202上设有水平基板螺纹孔20201和水平基板移动槽20202，所述竖直基板一204上设有竖直基板一底部槽20401，所述竖直基板二205上设有竖直基板二底部槽20501，竖直基板一204和竖直基板二205内侧分别粘附有磁铁二206和磁铁一201，且磁铁二206与前侧磁铁107相对且磁性相斥，磁铁一201与后侧磁铁106相对且磁性相斥，四个磁铁位于同一水平线。竖直基板二205和竖直基板一204与水平基板202通过四个L型直角固定器203及螺钉螺母固定连接，U型板结构2间距离可通过改变竖直基板一204和竖直基板二205在水平基板移动槽20202处的固定位置进行调节，以在固定梁105上施加大小不同的磁力，利用紧固螺钉通过水平基板螺纹孔20201和可动支撑螺纹孔40201将水平基板202安装在滑轨装置4的可动支撑402上。

本发明的工作原理是：屈曲梁的双稳态是一种典型的非线性物理现象，能够在相对宽的频域内发生大变形，通过压电拾振结构将变形转化为电信号输出，从而采集能量。在双稳态屈曲梁的基础上结合附有磁铁的可滑动U型板结构，U型板作为辅助振子，可在超低频激励下发生滑动，U型板上磁铁与梁上磁铁产生磁相互作用力，放大外界激励力，使屈曲梁在超低频的激励下出现大幅响应；相对低频激励下U型板将保持静止，在屈曲梁中部形成磁悬浮结构，可极大程度降低屈曲梁稳态间跳变的激励阈值，即在超低频和较高频均出现输出峰值，拓宽能量采集装置带宽，实现弱激励、宽频域特别是超低频外界振动条件下的双稳态，增强双稳态屈曲梁集能器性能，提高高能轨道的收集效率。

在振动源强度不足以使集能器发生大幅周期跳变的情况下，提高弱激励下能量采集的性能，实现最大程度化有效集能，有助解决现有双稳态振动能量采集器受限于稳态间势垒的问题；在广泛存在于海洋波浪、人体日常行走等超低频振动环境下，可将U型板定义为“辅助振子”，利用其超低频下的辅助振动，实现超低频振动条件下屈曲梁的稳态跳变；同时，可通过调节能量采集器的U型板L型直角固定器和夹持装置，改变能量采集器的结构参数，即改变U型板结构两竖直基板间的水平距离和梁长及屈曲程度等，能够匹配不同应用环境频率和环境激励加速度幅值，使能量采集装置在不同的工况实现双稳态的稳态间大幅周期运动，提高能量转换效率。此外，单根屈曲梁可进一步拓展延伸成十字屈曲梁、屈曲平面等结构形式，可以根据不同频率的工况改变屈曲梁的形状实现更多能量采集。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明的保护范围并不局限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。