CN107863903A - 阵列式非线性宽频升频振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阵列式非线性宽频升频振动能量采集器，包括外壳、驱动悬臂梁阵列、高频压电悬臂梁阵列、以及多组铷铁硼永磁体Ⅰ、配重块和外部铷铁硼永磁体Ⅱ；所述驱动悬臂梁阵列包括N个驱动悬臂梁，每个驱动悬臂梁的一端分别固定有充当惯性质量的铷铁硼永磁体Ⅰ和配重块；相邻的两个驱动悬臂梁端部的铷铁硼永磁体Ⅰ的极化方向相反；在奇数编号的驱动悬臂梁的外端延伸方向上分别设置有外部铷铁硼永磁体Ⅱ，外部铷铁硼永磁体Ⅱ与外壳固定；所述高频压电悬臂梁阵列包括M个高频压电悬臂梁，高频压电悬臂梁与驱动悬臂梁间隔设置，驱动悬臂梁在运动中可以与高频压电悬臂梁发生碰撞，使压电悬臂梁产生电压输出。
Description
技术领域
本发明属于振动能量采集技术领域，具体涉及一种阵列式非线性宽频升频振动能量采集器。
背景技术
目前，公知的非线性宽频压电振动能量采集器多是利用非线性对共振响应曲线的偏转作用来扩大采集器的工作带宽。由于非线性系统解的非唯一性，采集器的大幅周期解将同样伴随着小幅解。在随机激励下，采集器的响应往往会陷入小幅周期解中，进而使得采集器发生失效。这一问题成为近些年来限制非线性宽频压电振动能量采集器发展的一个主要问题。因此，开发新式、尤其是阵列式的非线性宽频压电振动能量采集器，利用多个拥有不同实际谐振频带的非线性振子的相互耦合振动来阻止振子进入小幅周期解是十分必要的。
发明内容
为了解决现有的非线性宽频压电振动能量采集器中解的非唯一性所导致的实际响应无法达到设计幅值，进而发生采集器失效的问题，本发明提供一种阵列式非线性宽频升频振动能量采集器，该采集器拥有创新的阵列式非线性宽频升频能量采集机制，通过非线性振子间的耦合作用和能量传递，阻止振子进入小幅周期解，扩展采集器的实际谐振频带，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：
一种阵列式非线性宽频升频振动能量采集器，包括外壳、驱动悬臂梁阵列、高频压电悬臂梁阵列、以及多组铷铁硼永磁体Ⅰ、配重块和外部铷铁硼永磁体Ⅱ；
所述驱动悬臂梁阵列包括N个驱动悬臂梁，N个驱动悬臂梁在同一平面等间距排布，N≥3，每个驱动悬臂梁的一端紧固在外壳1上，每个驱动悬臂梁的另一端分别固定有充当惯性质量的铷铁硼永磁体Ⅰ和配重块；相邻的两个驱动悬臂梁端部的铷铁硼永磁体Ⅰ的极化方向相反；
在奇数编号的驱动悬臂梁的外端延伸方向上分别设置有外部铷铁硼永磁体Ⅱ，外部铷铁硼永磁体Ⅱ与外壳固定，且每个外部铷铁硼永磁体Ⅱ的中心与其所对应的驱动悬臂梁的中性面在同一平面；且奇数编号的驱动悬臂梁上的铷铁硼永磁体Ⅰ与其所对应的外部铷铁硼永磁体Ⅱ的极化方向相同；
所述高频压电悬臂梁阵列包括M个高频压电悬臂梁，M≥3，高频压电悬臂梁与驱动悬臂梁间隔设置，且高频压电悬臂梁与驱动悬臂梁在同一平面；驱动悬臂梁在运动中可以与高频压电悬臂梁发生碰撞，使压电悬臂梁产生电压输出。
在上述技术方案中，铷铁硼永磁体Ⅰ与外部铷铁硼永磁体Ⅱ的极化方向均垂直于驱动悬臂梁。
在上述技术方案中，在初始状态下，驱动悬臂梁和高频压电悬臂梁相平行。
在上述技术方案中，通过调整铷铁硼永磁体Ⅰ和外部铷铁硼永磁体Ⅱ的间距，可保证驱动悬臂梁在零平衡位置是稳定的。
在上述技术方案中，为了使得整个采集器具有较宽的实际工作带宽，驱动悬臂梁阵列中的各个驱动悬臂梁的几何尺寸将存在一定差异，进而使得各个驱动悬臂梁产生唯一大幅周期解时所对应的频率范围各不相同，并能在叠加后覆盖采集器的整个设计频带。而各个驱动悬臂梁存在大幅周期解的频率范围同样需要覆盖采集器的整个设计频带。
所述阵列式非线性宽频升频振动能量采集器的振动能量采集方法如下：
使用时，采集器的外壳固定于振动结构表面，在垂直于梁的振动分量的激励下，驱动悬臂梁阵列产生振动，当外界激励频率使得阵列中某个非线性驱动悬臂梁发生大幅振动时，该驱动悬臂梁将对两侧的驱动悬臂梁产生激励作用，并迫使两侧的驱动悬臂梁进入大幅振动状态，这种激励作用的层层递进，即可使整个驱动悬臂梁阵列在整个设计频带内均能进入大幅振动状态，并激励驱动悬臂梁阵列之间的高频压电悬臂梁阵列发生振动，并产生电压输出。
本发明的优点和有益效果为：
本发明采用创新的阵列式非线性宽频升频能量采集机制，通过非线性振子间的耦合作用和能量传递，阻止振子进入小幅周期解，扩展采集器的实际谐振频带，使得采集器在整个设计频带内不会陷入小幅振动状态，以适应复杂激励环境的需要。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
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。
如图1所示，本发明中的阵列式非线性宽频升频振动能量采集器，包括外壳1、驱动悬臂梁2阵列、高频压电悬臂梁3阵列、以及多组铷铁硼永磁体Ⅰ4、配重块5和外部铷铁硼永磁体Ⅱ6；
所述驱动悬臂梁阵列包括N个驱动悬臂梁2，N个驱动悬臂梁等间距并排设置(即N个驱动悬臂梁在同一平面等间距排布)，N≥3，本实施例中N＝3，即驱动悬臂梁阵列2包括3个驱动悬臂梁，每个驱动悬臂梁的一端紧固在外壳1上，每个驱动悬臂梁的另一端分别固定有充当惯性质量的铷铁硼永磁体Ⅰ4和配重块5；相邻的两个驱动悬臂梁端部的铷铁硼永磁体Ⅰ4的极化方向相反(均垂直于驱动悬臂梁2)；
N个驱动悬臂梁依次编号，在奇数编号的驱动悬臂梁的外端延伸方向上分别设置有外部铷铁硼永磁体Ⅱ6，外部铷铁硼永磁体Ⅱ6与外壳1固定，且每个外部铷铁硼永磁体Ⅱ的中心与其所对应的驱动悬臂梁的中性面在同一平面；且奇数编号的驱动悬臂梁上的铷铁硼永磁体Ⅰ4与其所对应的外部铷铁硼永磁体Ⅱ6的极化方向相同(均垂直于驱动悬臂梁2)；通过调整铷铁硼永磁体Ⅰ4和外部铷铁硼永磁体Ⅱ6的间距，可保证驱动悬臂梁2在零平衡位置是稳定的。
所述高频压电悬臂梁阵列包括M个高频压电悬臂梁3，M≥3，本实施例中M＝3，高频压电悬臂梁3与驱动悬臂梁2间隔设置，且高频压电悬臂梁3与驱动悬臂梁2在同一平面。驱动悬臂梁在运动中可以与高频压电悬臂梁发生碰撞，使压电悬臂梁产生电压输出。需要指出的是，为了使得整个采集器具有较宽的实际工作带宽，驱动悬臂梁阵列中的各个悬臂梁的几何尺寸将存在一定差异，进而使得各个驱动悬臂梁产生唯一大幅周期解时所对应的频率范围各不相同，并能在叠加后覆盖采集器的整个设计频带。而各个驱动悬臂梁存在大幅周期解的频率范围同样需要覆盖采集器的整个设计频带。
使用时，采集器的外壳1固定于振动结构表面，在垂直于梁的振动分量的激励下，驱动悬臂梁阵列产生振动。当外界激励频率使得阵列中某个非线性驱动悬臂梁发生大幅振动时，该驱动悬臂梁将对两侧的驱动悬臂梁产生激励作用，并迫使两侧的驱动悬臂梁进入大幅振动状态。这种激励作用的层层递进，即可使整个驱动悬臂梁阵列在整个设计频带内均能进入大幅振动状态，并激励驱动悬臂梁阵列之间的高频压电悬臂梁阵列发生振动，并产生电压输出。
本发明通过驱动悬臂梁阵列的相互激励作用以及各自唯一大幅周期解对应的频率范围的相互叠加，阻止振子进入小幅周期解，使得采集器在整个设计频带内不会陷入小幅振动状态，以适应复杂激励环境的需要。
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 (6)
1.一种阵列式非线性宽频升频振动能量采集器，其特征在于：包括外壳、驱动悬臂梁阵列、高频压电悬臂梁阵列、以及多组铷铁硼永磁体Ⅰ、配重块和外部铷铁硼永磁体Ⅱ；
所述驱动悬臂梁阵列包括N个驱动悬臂梁，N个驱动悬臂梁在同一平面等间距排布，N≥3，每个驱动悬臂梁的一端紧固在外壳1上，每个驱动悬臂梁的另一端分别固定有充当惯性质量的铷铁硼永磁体Ⅰ和配重块；相邻的两个驱动悬臂梁端部的铷铁硼永磁体Ⅰ的极化方向相反；
在奇数编号的驱动悬臂梁的外端延伸方向上分别设置有外部铷铁硼永磁体Ⅱ，外部铷铁硼永磁体Ⅱ与外壳固定，且每个外部铷铁硼永磁体Ⅱ的中心与其所对应的驱动悬臂梁的中性面在同一平面；且奇数编号的驱动悬臂梁上的铷铁硼永磁体Ⅰ与其所对应的外部铷铁硼永磁体Ⅱ的极化方向相同；
所述高频压电悬臂梁阵列包括M个高频压电悬臂梁，M≥3，高频压电悬臂梁与驱动悬臂梁间隔设置，且高频压电悬臂梁与驱动悬臂梁在同一平面；驱动悬臂梁在运动中可以与高频压电悬臂梁发生碰撞，使压电悬臂梁产生电压输出。
2.根据权利要求1所述的一种阵列式非线性宽频升频振动能量采集器，其特征在于：铷铁硼永磁体Ⅰ与外部铷铁硼永磁体Ⅱ的极化方向均垂直于驱动悬臂梁。
3.根据权利要求1所述的一种阵列式非线性宽频升频振动能量采集器，其特征在于：在初始状态下，驱动悬臂梁和高频压电悬臂梁相平行。
4.根据权利要求1所述的一种阵列式非线性宽频升频振动能量采集器，其特征在于：通过调整铷铁硼永磁体Ⅰ和外部铷铁硼永磁体Ⅱ的间距，可保证驱动悬臂梁在零平衡位置是稳定的。
5.根据权利要求1所述的一种阵列式非线性宽频升频振动能量采集器，其特征在于：驱动悬臂梁阵列中的各个驱动悬臂梁的几何尺寸具有一定差异，进而使得各个驱动悬臂梁产生唯一大幅周期解时所对应的频率范围各不相同，并能在叠加后覆盖采集器的整个设计频带，各个驱动悬臂梁存在大幅周期解的频率范围同样需要覆盖采集器的整个设计频带。
6.根据权利要求1所述的阵列式非线性宽频升频振动能量采集器的振动能量采集方法，其特征在于：
使用时，采集器的外壳固定于振动结构表面，在垂直于梁的振动分量的激励下，驱动悬臂梁阵列产生振动，当外界激励频率使得阵列中某个非线性驱动悬臂梁发生大幅振动时，该驱动悬臂梁将对两侧的驱动悬臂梁产生激励作用，并迫使两侧的驱动悬臂梁进入大幅振动状态，这种激励作用的层层递进，即可使整个驱动悬臂梁阵列在整个设计频带内均能进入大幅振动状态，并激励驱动悬臂梁阵列之间的高频压电悬臂梁阵列发生振动，并产生电压输出。
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