CN105471318A - 浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器及其应用，压电悬臂梁的一端紧固在外壳上，另一端固定有两个永磁体Ⅰ，两个永磁体Ⅰ对称固定在压电悬臂梁的中性面的两个侧面上，两个永磁体Ⅰ异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁的表面；两个永磁体Ⅱ相对于压电悬臂梁的中性面对称固定在外壳的内表面上，两个永磁体Ⅱ异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁的表面，且两个永磁体Ⅱ与两个永磁体Ⅰ的异极相对，两个停止器对称布置于压电悬臂梁的中性面两侧并固定在外壳上。本发明拥有五稳态设计，且实现更高的磁场利用率，具有较强的小型化潜力，在降低工作所需激励量级的同时还可以切换稳态类型，以适应复杂激励环境的需要。

Description

浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器及其应用

技术领域

本发明属于能量采集技术领域，尤其涉及一种浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器。

背景技术

目前，公知的宽频非线性压电振动能量采集器多是利用压电双晶片或压电单晶片悬臂梁外加磁力作用形成非线性的系统回复力来获得较宽的振动频率范围和较高的输出电压。其中，系统非线性恢复力的调整只能通过改变磁体的大小及分布位置来实现。按照采集器振子形成的稳态个数区分，目前提出的宽频非线性压电振动能量采集器可划分为单稳态、双稳态及三稳态三类。由于磁力的复杂性和本质非线性，这种粗放的结构调整和优化方法限制了采集器输出性能的进一步提升，无法充分利用磁场的特性来提升其功率密度、工作带宽和对环境中微弱激励的敏感性，限制了采集器的进一步小型化和高功率化。与此同时，由于不同稳态类型所对应的最佳激励环境各有不同，单一稳态类型的振动能量采集器在实际应用中将无法满足激励情况复杂多变的工程实际的需要。因此，开发能够充分利用磁场性能，拥有更高功率密度和小型化设计潜力并能够简单切换稳态类型的宽频非线性压电振动能量采集器是十分必要的。

发明内容

为了克服现有的宽频非线性压电振动能量采集器结构模式单一、功率密度低和无法有效小型化的缺点，并进一步提高采集器在微小激励下的输出效果，本发明提供一种浅势阱五稳态可切换型压电振动能量采集器，该采集器拥有创新的五稳态设计，以及更高的磁场利用率和小型化潜力，在降低工作所需激励量级的同时还可以切换稳态类型，以适应复杂激励环境的需要。

本发明是通过以下技术方案实现的：

浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器，包括外壳(1)、压电悬臂梁(2)、两个停止器(5)、两个永磁体Ⅰ(3)、两个永磁体Ⅱ(4)；所述压电悬臂梁(2)的一端紧固在外壳(1)上，压电悬臂梁(2)的另一端固定有两个永磁体Ⅰ(3)，两个永磁体Ⅰ对称固定在压电悬臂梁(2)的中性面的两个侧面上，两个永磁体Ⅰ异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁的表面；两个永磁体Ⅱ(4)相对于压电悬臂梁的中性面对称固定在外壳的内表面上，两个永磁体Ⅱ(4)异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁的表面，且两个永磁体Ⅱ(4)与两个永磁体Ⅰ(3)的异极相对，两个停止器(5)对称布置于压电悬臂梁(2)的中性面两侧并固定在外壳上，两个停止器均设置有用于与压电悬臂梁2发生碰撞的碰撞位置a。

在上述技术方案中，所述压电悬臂梁2长度为90mm，宽15mm，厚0.3mm；两个永磁体Ⅰ的体积相同，且均为10×5×1.5mm³，两个永磁体Ⅱ的体积相同，且均为20×10×5mm³；两个永磁体Ⅱ的相对面间距为30mm，两个永磁体Ⅱ的左表面与永磁体Ⅰ的右表面在水平方向上相距4mm。

在上述技术方案中，碰撞位置a与压电悬臂梁表面相距2.4mm，碰撞位置a与压电悬臂梁的固定端的水平距离为35mm，压电悬臂梁的固定端为与外壳相连固定的压电悬臂梁的一端。

在上述技术方案中，在两个停止器中分别设置了位置可调的螺钉(6)，用以调整螺钉旋入端与压电悬臂梁表面的距离，以实现不同稳态的切换。

在上述技术方案中，螺钉(6)的旋入端与压电悬臂梁表面相距1.7mm，且螺钉的旋入端与压电悬臂梁的固定端的水平距离为33mm，压电悬臂梁的固定端为与外壳相连固定的压电悬臂梁的一端。

在上述技术方案中，在两个停止器中分别设置了千分尺顶杆结构(7)，所述千分尺顶杆结构(7)包括螺杆(7-1)、固定套筒(7-2)、活动套筒(7-3)，固定套筒(7-2)和活动套筒(7-3)上设置有刻度，螺杆(7-1)的一端与活动套筒(7-3)同轴固定，固定套筒(7-2)同轴通过螺纹套接在螺杆(7-1)上，活动套筒(7-3)的一端同轴可旋转的套接在固定套筒(7-2)上，固定套筒(7-2)与外壳(1)固定；通过旋拧活动套筒(7-3)，并结合刻度可以精确的调整螺杆的旋入端与压电悬臂梁表面之间的距离，以实现不同稳态的切换。

在上述技术方案中，两个永磁体Ⅰ均为铷铁硼永磁体。

在上述技术方案中，两个永磁体Ⅱ均为铷铁硼永磁体。

本发明的优点和有益效果为：

(1)本发明的采集器技术方案在设备检测领域中的应用，与双稳态及三稳态相比，本发明独有的五稳态系统可将势能分布进更多的势阱中，从而拥有深度更浅的势阱，使得采集器振子(铷铁硼永磁体Ⅰ)在更小的激励能量下即可越出所在势阱进行大振幅的阱间运动。另外，更多的稳态可以有效地提升采集器的共振带宽，使得压电结构在更宽的频带里产生更高的功率输出，以此增加了采集器对微弱激励的敏感性和适应性；

(2)由于停止器的作用，高应力区不再仅位于梁的根部，压电悬臂梁上的压电片产生了更大的应变，其输出功率得到明显提升；

(3)相比于其它利用磁场形成的多稳态振动能量采集器，本发明的设计可以使得磁性惯性质量充分靠近外部的永磁体，从而提高了系统的磁能利用率和输出功率，减少了采集器对永磁体体积的依赖，进而降低了采集器对附近电子设备的影响，使得采集器可以进一步的小型化和集成化；

(4)可实现采集器稳态类型的切换，以适应不同激励环境对采集器的要求。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是图1的横剖面构造图。

图3是实施例一中悬臂梁自由端磁振子(即铷铁硼永磁体Ⅰ)在铅垂方向上的受力关系图。

图4是实施例一中的振动能量采集器系统的势能函数。

图5是本发明实施例二的结构示意图。

图6是图5的横剖面构造图。

图7是实施例二中悬臂梁自由端磁振子在铅垂方向上的受力关系图(同时对比了实施例一中悬臂梁自由端磁振子的受力关系图)。

图8是本发明实施例三的结构示意图。

图9是传统的千分尺的结构示意图。

图中:1为外壳，2为压电悬臂梁，3为铷铁硼永磁体Ⅰ，3-1为上铷铁硼永磁体Ⅰ，3-2为下铷铁硼永磁体Ⅰ，4为铷铁硼永磁体Ⅱ，4-1为上铷铁硼永磁体Ⅱ，4-2为下铷铁硼永磁体Ⅱ，5为停止器，6为螺栓，7为千分尺顶杆结构，8为通孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一：

为了克服现有的宽频非线性压电振动能量采集器功率密度低和无法有效小型化的缺点，并进一步提高采集器在微小激励下的输出效果，本实施例提供了一种浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器。如图1-2所示，所述浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器，包括外壳1、压电悬臂梁2(根据实验需要，对压电悬臂梁的压电片层进行部分分离处理，也可保持全部压电片层的完整性；图中显示的是压电悬臂梁的示意结构)、两个停止器5、两个铷铁硼永磁体Ⅰ3、两个铷铁硼永磁体Ⅱ4；所述压电悬臂梁2长度为90mm，宽15mm，厚0.3mm，电悬臂梁2的左端紧固在外壳1上，压电悬臂梁2右端固定有用于充当惯性质量的一对铷铁硼永磁体Ⅰ3，两个铷铁硼永磁体Ⅰ3(体积为10×5×1.5mm³)对称固定在压电悬臂梁2的中性面的两个侧面上，两个铷铁硼永磁体Ⅰ3异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁2的表面；两个铷铁硼永磁体Ⅱ4(体积为20×10×5mm³)相对于压电悬臂梁2的中性面对称固定在外壳1的内表面上，两个铷铁硼永磁体Ⅱ4异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁2的表面，且两个铷铁硼永磁体Ⅱ4与两个铷铁硼永磁体Ⅰ3的异极相对(即上铷铁硼永磁体Ⅱ4-1与上铷铁硼永磁体Ⅰ3-1异极相对，下铷铁硼永磁体Ⅱ4-2与下铷铁硼永磁体Ⅰ3-2异极相对)，两个铷铁硼永磁体Ⅱ4的相对面上下间隔30mm(即上铷铁硼永磁体Ⅱ的下表面与下铷铁硼永磁体Ⅱ的上表面间距为30mm)，两个铷铁硼永磁体Ⅱ4的左表面与铷铁硼永磁体Ⅰ3的右表面在水平方向上相距4mm；两个停止器5对称布置于压电悬臂梁2的中性面两侧并通过螺丝与外壳1固定，两个停止器均设置有用于与压电悬臂梁2发生接触的停止位置a(停止器与压电悬臂梁相对的一面为平面，该平面的最右端即为停止位置a，即碰撞位置a)，停止位置a与压电悬臂梁表面相距2.4mm，停止位置a与压电悬臂梁的固定端(压电悬臂梁与外壳相连固定的一端)的水平距离为35mm。

使用时，通过外壳预留的通孔8将采集器固定于振动结构表面，在垂直于梁的振动分量的激励下，压电悬臂梁2产生振动，当悬臂梁向上运动并与停止器在停止位置a接触时，梁根部到触碰位置a的部分停止振动，而位置a到悬臂梁端点永磁体的部分在惯性作用下继续运动，此时压电悬臂梁的有效长度变短，等效刚度增大，如附图3所示，此时一对铷铁硼永磁体Ⅰ所受悬臂梁恢复力(图中折线)的斜率，即悬臂振子的等效刚度，由K₁增大为K₂，恢复力表现为分段线性，分段点对应着发生停止作用时铷铁硼永磁体Ⅰ3相对于位置C的垂向位移。结合两个铷铁硼永磁体Ⅱ对两个铷铁硼永磁体Ⅰ的非线性吸引力(即附图3中曲线S)，压电悬臂梁在运动过程中存在9个平衡位置(即铷铁硼永磁体Ⅰ所受合力为零的位置，为附图3中曲线S与K1、K2的交点)，其中5个平衡位置是稳定的(当铷铁硼永磁体Ⅰ处于这些位置时，即使有微小扰动使得其小幅偏离这一位置，在系统恢复力及阻尼力的作用下，永磁体依然会最终稳定于这些位置上。)，即A、B、C、D、E。对系统恢复力(即永磁体Ⅰ所受合力)积分，可以得到此时系统的势能函数，如附图4所示，系统势能存在五个深度很浅的势阱，图3中的位置A、B、C、D、E分别对应为势能函数中各个势阱的最低点，当采集器工作时，惯性质量将在这五个势阱间进行运动，此时的振动能量采集系统为五稳态系统。

与双稳态及三稳态相比，本发明独有的五稳态系统可将势能分布进更多的势阱中，从而拥有深度更浅的势阱，使得采集器振子(铷铁硼永磁体Ⅰ)在更小的激励能量下即可越出所在势阱进行大振幅的阱间运动。另外，更多的稳态存在可以有效地提升采集器的共振带宽，从而使得压电结构在更宽的频带里产生更高的功率输出。

由于停止器的作用，压电悬臂梁获得了更大的应变(为了防止停止器与压电梁的碰撞可能损坏压电片，停止点处不设置压电片，停止器与压电梁硬度更大的基层接触)，其输出电压得到明显提升。相比于其它利用磁场形成的多稳态振动能量采集器，本发明的设计可以使得磁性惯性质量(即铷铁硼永磁体Ⅰ)可以更为充分的靠近外部永磁体(即铷铁硼永磁体Ⅱ)，提高了系统的磁能利用率，从而提升了采集器的输出性能和功率密度。从另一角度看，磁能利用率的提升使得采集器对永磁体体积的依赖进一步减小，进而降低了采集器对附近电子设备的影响，使得采集器可以进一步的小型化和集成化。

实施例二：

不同稳态类型的振动能量采集器所适用的最佳激励环境各有不同，上述实施例一中所述的浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器虽然在大多数情况下能够为微弱激励环境中的设备提供稳定的能量输入，但是由于多稳态系统在一些随机激励类型下较易陷入小幅阱内运动，所以实施例一中所述的浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器在这些随机激励环境下的输出性能可能差于具有刚度“软化”效应的单稳态采集器。为了解决单一稳态类型的振动能量采集器在实际应用中将无法满足激励情况复杂多变的工程实际需要的问题，本实施例在实施例一所述的浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器的基础上，增加了将五稳态切换为单稳态的功能。具体方法是：如图5-6所示，在两个停止器5中分别设置了位置可调的螺钉6(即在停止器上竖直加工通透的螺纹孔，在螺纹孔中旋入螺钉6)，通过调节螺钉6旋入停止器的深度，使螺钉6的旋入端与压电悬臂梁表面相距1.7mm，且螺钉6的旋入端与压电悬臂梁的固定端的水平距离为33mm，此时螺钉6的旋入端形成停止位置b，当压电悬臂梁2与螺钉6在停止位置b接触时，如图7所示，此时一对铷铁硼永磁体Ⅰ所受悬臂梁恢复力斜率由K₁变为K₃，结合两个铷铁硼永磁体Ⅱ对两个铷铁硼永磁体Ⅰ的非线性吸引力，压电悬臂梁在运动过程中仅存在唯一稳定的平衡点(即图7中位置C)，结合磁力吸引力对压电悬臂梁的刚度软化效应(外在表现为悬臂梁变形更为容易)，此时振动能量采集系统为具有刚度“软化”效应的单稳态系统，保证了采集器在随机激励环境下的输出，提升了采集器的适应性。

实施例三：

对比实施例二，为了进一步控制碰撞位置b的位置精确性，如图8所示，在实施例一所述的浅势阱五稳态非线性宽频振动能量采集器的基础上，在两个停止器5中分别设置了千分尺顶杆结构7(如图9所示，传统的千分尺包括螺旋顶杆部分d和尺架部分c，所述千分尺顶杆结构7即千分尺的螺旋顶杆部分)，所述千分尺顶杆结构7包括螺杆7-1、固定套筒7-2、活动套筒7-3，固定套筒7-2和活动套筒7-3上设置有刻度，螺杆7-1的一端与活动套筒7-3同轴固定，固定套筒7-2同轴通过螺纹套接在螺杆7-1上，活动套筒7-3的一端同轴可旋转的套接在固定套筒7-2上，固定套筒7-2与外壳1固定；通过旋拧活动套筒7-3，并结合刻度可以精确的调整螺杆的旋入端与压电悬臂梁表面之间的距离(安装千分尺顶杆结构7时，保证螺杆的旋入端与压电悬臂梁表面相接触时刻度为0)，从而精确的确定碰撞位置b；固定套筒7-2上还设置有用于锁紧螺杆的锁紧装置7-4，当调整好实施例二中所述的碰撞位置b后，通过锁紧装置7-4将螺杆7-1锁死，防止采集振动信号时其位置发生变化，影响采集效果。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器，其特征在于，包括外壳(1)、压电悬臂梁(2)、两个停止器(5)、两个永磁体Ⅰ(3)、两个永磁体Ⅱ(4)；所述压电悬臂梁(2)的一端紧固在外壳(1)上，压电悬臂梁(2)的另一端固定有两个永磁体Ⅰ(3)，两个永磁体Ⅰ对称固定在压电悬臂梁(2)的中性面的两个侧面上，两个永磁体Ⅰ异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁的表面；两个永磁体Ⅱ(4)相对于压电悬臂梁的中性面对称固定在外壳的内表面上，两个永磁体Ⅱ(4)异极相对，且极化方向均垂直于压电悬臂梁的表面，且两个永磁体Ⅱ(4)与两个永磁体Ⅰ(3)的异极相对，两个停止器(5)对称布置于压电悬臂梁(2)的中性面两侧并固定在外壳上，两个停止器均设置有用于与压电悬臂梁(2)发生碰撞的碰撞位置。

2.根据权利要求1所述的浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器，其特征在于，所述压电悬臂梁2长度为90mm，宽15mm，厚0.3mm；两个永磁体Ⅰ的体积相同，且均为10×5×1.5mm³，两个永磁体Ⅱ的体积相同，且均为20×10×5mm³；两个永磁体Ⅱ的相对面间距为30mm，两个永磁体Ⅱ的左表面与永磁体Ⅰ的右表面在水平方向上相距4mm。

3.根据权利要求1所述的浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器，其特征在于，两个永磁体Ⅰ均为铷铁硼永磁体；两个永磁体Ⅱ均为铷铁硼永磁体。

4.根据权利要求1—3之一所述的浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器，其特征在于，碰撞位置与压电悬臂梁表面相距2.4mm，碰撞位置与压电悬臂梁的固定端的水平距离为35mm，压电悬臂梁的固定端为与外壳相连固定的压电悬臂梁的一端。

5.根据权利要求1—3之一所述的浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器，其特征在于，在两个停止器中分别设置了位置可调的螺钉，作为碰撞位置，用以调整螺钉旋入端与压电悬臂梁表面的距离，以实现不同稳态的切换。

6.根据权利要求5之一所述的浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器，其特征在于，螺钉(6)的旋入端与压电悬臂梁表面相距1.7mm，且螺钉的旋入端与压电悬臂梁的固定端的水平距离为33mm，压电悬臂梁的固定端为与外壳相连固定的压电悬臂梁的一端。

7.根据权利要求1—3之一所述的浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器，其特征在于，在两个停止器中分别设置了千分尺顶杆结构(7)，所述千分尺顶杆结构(7)包括螺杆(7-1)、固定套筒(7-2)、活动套筒(7-3)，固定套筒(7-2)和活动套筒(7-3)上设置有刻度，螺杆(7-1)的一端与活动套筒(7-3)同轴固定，固定套筒(7-2)同轴通过螺纹套接在螺杆(7-1)上，活动套筒(7-3)的一端同轴可旋转的套接在固定套筒(7-2)上，固定套筒(7-2)与外壳(1)固定；通过旋拧活动套筒(7-3)，并结合刻度可以精确的调整螺杆的旋入端与压电悬臂梁表面之间的距离，以实现不同稳态的切换。

8.如权利要求1—4之一所述的浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器在设备检测领域中的应用。

9.如权利要求5—6之一所述的浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器在设备检测领域中的应用。

10.如权利要求7所述的浅势阱五稳态可切换型非线性宽频振动能量采集器在设备检测领域中的应用。