CN108645508A - 一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器 - Google Patents

Abstract

一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器，包括支撑底座、夹具、主拾振器、随动拾振器；主拾振器包括第一悬臂梁和惯性质量块，第一悬臂梁的一端固定在第二夹具与第三夹具之间，第一悬臂梁的两个侧面分别设有惯性质量块；随动拾振器包括两个分别固定在第一夹具与第二夹具、第三夹具与第四夹具之间的第二悬臂梁；惯性质量块分别设置在第一悬臂梁朝向第二悬臂梁的两个侧面上，第二悬臂梁朝向第一悬臂梁的一侧与惯性质量块相对应的位置设有耦合轻弹簧。本发明的随动拾振器有自适应保持主拾振器的振动幅值性能，因此称之为自适应机械检波结构；该结构集成度高，无需额外的传感计算介入，由随动悬臂梁的位置即可检测振动幅值，且不消耗额外电能。

Description

一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器

技术领域

本发明属于微型传感器技术领域，特别涉及一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器。

背景技术

拾振器是检测振动物体中某种有用信息的装置，用于识别位移、开关等信号的器件。检波器通常用来提取物体所携带的信息，用于分析机器设备的运行状况或获取某种有益的信号。

拾振器是传感器的一种，将振动信号转化为电学或机械的信号，且该信号能准确反映振动源的振动情况的装置。按检测量不同，可分为速度拾振器、位移拾振器等几种，按能量转换原理又可分为压电式、电磁式等几种拾振器。在许多情形下，所需要的关键信息为能够反映振源振动情况的拾振器振动幅值，要获得该幅值，一般需要通过对在主拾振器上附加传感装置，并进行专门的信号处理获得，需要引入额外的电路处理单元。一方面，这带来了额外的成本和复杂度的上升，另一方面，在一些特定的低功耗和电磁环境复杂的场合，应用受到限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单构、性能可靠，运用于振动能量回收时，由于其有自适应性能，因此能量回收效率高于传统回收装置、输出电能平均功率高、响应及时，且不消耗额外电能的具备自适应机械振幅检波结构的拾振器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器，包括支撑底座、用于固定主拾振器和随动拾振器的夹具、用于拾取振动的主拾振器、用于检测振动幅值的随动拾振器、耦合轻弹簧；

所述夹具包括依次设置在支撑底座上的第一夹具、第二夹具、第三夹具和第四夹具；其中，第一夹具和第四夹具形状相同且对称设置，第二夹具和第三夹具形状相同且对称设置；

所述主拾振器包括第一悬臂梁和惯性质量块，第一悬臂梁的一端固定在第二夹具与第三夹具之间，第一悬臂梁的两个侧面分别设有一惯性质量块；

所述随动拾振器包括两个第二悬臂梁，第二悬臂梁分别固定在第一夹具与第二夹具、第三夹具与第四夹具之间；

所述惯性质量块分别设置在第一悬臂梁朝向第二悬臂梁的两个侧面上，第二悬臂梁朝向第一悬臂梁的一侧与惯性质量块相对应的位置设有耦合轻弹簧；

所述支撑底座和夹具均与同一振动源固定连接。

进一步地，所述主拾振器的固有频率远大于随动拾振器的固有频率。

进一步地，所述惯性质量块设置在第一悬臂梁上远离夹具的一端。

进一步地，所述两个随动拾振器对称地设置在主拾振器两侧，其中一个随动拾振器能够跟随惯性质量块在正方向上的运动，另一个随动拾振器能够跟随惯性质量块在负方向上的运动；随动拾振器始终在主拾振器位移幅值的极值点附近与之接触。

进一步地，所述耦合轻弹簧的刚度满足以下条件：

其中K₃是耦合轻弹簧的刚度，m₃是耦合轻弹簧的等效质量，m₂是随动拾振器的等效质量，f为主拾振器的固有频率，a、b为常数。

进一步地，所述耦合轻弹簧在初始状态下与惯性质量块零距离接触。

本发明的有益效果是：本发明结构简单、性能可靠，运用于振动检测时，随动拾振器有自适应保持主拾振器的振动幅值的性能，因此具有自适应性能，能够自动检测不同的振动幅值，检测效率高且不消耗额外电能，无需额外的信号处理分析步骤，有效的避免了电磁干扰。进一步地，在本发明的随动拾振器上附加应变片或相应的传感元件可将采集信号转化为电信号进一步处理，可用于振动能量回收、机械振动检测等各种低耗电传感器上。本发明由于采用机械结构的形式，集成度高、抗外界电磁干扰能力强，适用性高。

附图说明

图1为本发明拾振器的结构示意图；

图2为本发明拾振器的使用状态图；

图3为本发明的拾振器的工作状态图；

附图标记说明：1-支撑底座，2-第一夹具，3-第二夹具，4-第三夹具，5-第四夹具，6-第二悬臂梁，7-第一悬臂梁，8-惯性质量块，9-耦合轻弹簧。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器，包括支撑底座1、用于固定主拾振器和随动拾振器的夹具、用于拾取振动的主拾振器、用于检测振动幅值的随动拾振器、耦合轻弹簧9；

所述夹具包括依次设置在支撑底座1上的第一夹具2、第二夹具3、第三夹具4和第四夹具5；其中，第一夹具2和第四夹具5形状相同且对称设置，第二夹具3和第三夹具4形状相同且对称设置；

所述主拾振器包括第一悬臂梁7和惯性质量块8，第一悬臂梁7的一端固定在第二夹具3与第三夹具4之间，第一悬臂梁7的两个侧面分别设有一惯性质量块8；

所述随动拾振器包括两个第二悬臂梁6，第二悬臂梁6分别固定在第一夹具2与第二夹具3、第三夹具4与第四夹具5之间；

所述惯性质量块8分别设置在第一悬臂梁7朝向第二悬臂梁6的两个侧面上，第二悬臂梁6朝向第一悬臂梁7的一侧与惯性质量块8相对应的位置设有耦合轻弹簧9；

所述支撑底座1和夹具均与同一振动源固定连接。

进一步地，所述主拾振器的固有频率远大于随动拾振器的固有频率。

进一步地，所述惯性质量块8设置在第一悬臂梁7上远离夹具的一端。

进一步地，所述两个随动拾振器对称地设置在主拾振器两侧，其中一个随动拾振器能够跟随惯性质量块8在正方向上的运动，另一个随动拾振器能够跟随惯性质量块8在负方向上的运动；随动拾振器始终在主拾振器位移幅值的极值点附近与之接触。

进一步地，所述耦合轻弹簧9的刚度满足以下条件：

其中K₃是耦合轻弹簧的刚度，m₃是耦合轻弹簧的等效质量，m₂是随动拾振器的等效质量，f为主拾振器的固有频率，a、b为常数。

进一步地，所述耦合轻弹簧9在初始状态下与惯性质量块8零距离接触。

如图2所示，支撑底座1位于四块夹具下方(图中未完全标出支撑底座1)，四块夹具、第一悬臂梁7和第二悬臂梁6的端部通过螺钉固结在一起，且同时通过该螺钉固定在支撑底座1上。需要说明的是，支撑底座1的形状和设置方向并没有特殊的限制，可根据实际情况及设计需求进行相应的设计，只要满足其他零部件有支撑固定作用即可。显然，第一悬臂梁7与夹具之间、第二悬臂梁6与夹具之间、四块夹具与支撑底座1之间也不限于螺钉连接的方式，采用其他任何可实现固定连接的方式均可。第一悬臂梁7使用高固有频率的梁，理论上第一悬臂梁7的固有频率越高接触点越靠近峰值，检测效果越好。此外，在本实施例中，惯性质量块8位于第二悬臂梁7的末端两侧，惯性质量块8位于第一悬臂梁7的具体位置方向、摆放位置并没有特殊的限制，也可以位于第一悬臂梁7的底端和第一悬臂梁7中部等位置均可，只要惯性质量块8能够与耦合轻弹簧9对应接触即可。

进一步值得说明的是，两个第二悬臂梁6可以形状相同且完全对称，也可以非对称和不同形状。第二悬臂梁6的形状是否对称、相同对本发明没有实质性的影响。本发明的发明点在于随动拾振器6的刚度与其末端惯性质量没有具体限制，只要满足其固有频率远小于主拾振器6的固有频率即可；轻弹簧9具有一定柔性且刚度应满足上述公式(1)和(2)条件，可采用橡胶、硅胶等柔性材料。本例中主拾振器(7、8)与随动拾振器6均采用悬臂梁拾振结构，但本发明并不局限于此种结构，可根据实际需求进行相应的设计。至于具体上第二悬臂梁6的材料、频率、刚度，耦合轻弹簧9的刚度、材料均没有特殊的限制，可完全根据实际情况进行相应的设计。同样，第二悬臂梁6与耦合轻弹簧9的形状大小、是否对称均没有特殊的限制，可完全根据实际情况进行相应的设计。

本发明的工作原理为：初始状态时，在外界激励较高频率作用下，主拾振器(7、8)处于共振状态，并发生高频振动，而此时远离随动拾振器的固有频率，随动拾振器几乎没有振动，当主拾振器(7、8)向正方向运动时，惯性质量块8与一个耦合轻弹簧9接触时，由于耦合轻弹簧9具有一定柔性(耦合轻弹簧的作用在于消除主拾振器和随动拾振器的刚性碰撞，实现弹性相互作用，提供一定的缓冲，避免主拾振器和随动拾振器发生碰撞后立即分离)，在力的作用下，耦合轻弹簧9与惯性质量块8一起向正方向移动，一直运动到主拾振器(7、8)位移幅值极值点附近分离，此时主拾振器(7、8)向负方向运动，而正方向的随动拾振器回弹很慢，这样当主拾振器(7、8)再一次与其接触时，接触点几乎与上一次接触点相同，分离点与上次分离位置也几乎相同，负方向的运动也是如此，这样随动拾振器基本保持在上一次与主拾振器(7、8)接触的位置，即主拾振器(7、8)位移幅值的极值点附近，负方向上的随动拾振器的工作原理也是如此，如图3所示。在随动拾振器上安装相应的传感元件，输出到相应的管理单元进一步处理即可检测出相应的幅值。当外界加速度或频率改变时，主拾振器(7、8)的位移幅值减小，在随动拾振器的刚度作用下，随动拾振器与耦合轻弹簧9的位移幅值一起减小，这就保证了拾振器良好的自适应性，从而实现自适应检测主拾振器振幅的目的。在随动拾振器上附加应变片或相应的传感元件转化为电信号用作进一步处理，可用于振动能量回收、机械振动检测等各种低耗电传感器上。

本发明所提出的新型自适应拾振器根据主拾振器的固有频率远高于随动拾振器的固有频率，随动拾振器与轻弹簧组合受主拾振器撞击后基本保持当前位移不变的原理，即在外界激励作用下，主拾振器在固有频率附近产生明显的振动，而此时远离随动悬臂梁的固有频率，随动悬臂梁几乎没有振动，主要受悬臂梁的推力，而且由于轻弹簧有一定的柔性作为缓冲，在主拾振器的作用下随动拾振器不会立即弹开，实现共同运动，达到位移幅值的极值点后反向运动时，随动拾振器与主拾振器分离，由于随动拾振器的固有频率远低于主拾振器的共振频率，回弹速度较慢，这样在下一次主拾振器运动到该位移幅值的极值点附近时，随动拾振器基本保持在上一次与主拾振器接触的位置，即主拾振器位移幅值的极值点附近，从而随动拾振器的位置反映了主拾振器的位移幅值，可用于机械结构系统的直接反馈，或进一步在随动拾振器上安装传感元件，从而达到转换为电信号，作为电路系统反馈控制输入。通过该结构，随动拾振器得以自动适应并保持在主拾振器位移幅值的极值点附近，实现机械振幅检波的效果。该装置结构简单构、性能可靠，由于其有自适应性能，因此能够自动检测不同的振动幅值，检测效率高且不消耗额外电能，无需额外的信号处理分析步骤，有效的避免了电磁干扰，在随动拾振器上附加应变片或相应的传感元件转化为电信号进一步处理，可用于振动能量回收、机械振动检测等各种低耗电传感器上。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器，其特征在于，包括支撑底座(1)、用于固定主拾振器和随动拾振器的夹具、用于拾取振动的主拾振器、用于检测振动幅值的随动拾振器、耦合轻弹簧(9)；

所述夹具包括依次设置在支撑底座(1)上的第一夹具(2)、第二夹具(3)、第三夹具(4)和第四夹具(5)；其中，第一夹具(2)和第四夹具(5)形状相同且对称设置，第二夹具(3)和第三夹具(4)形状相同且对称设置；

所述主拾振器包括第一悬臂梁(7)和惯性质量块(8)，第一悬臂梁(7)的一端固定在第二夹具(3)与第三夹具(4)之间，第一悬臂梁(7)的两个侧面分别设有一惯性质量块(8)；

所述随动拾振器包括两个第二悬臂梁(6)，第二悬臂梁(6)分别固定在第一夹具(2)与第二夹具(3)、第三夹具(4)与第四夹具(5)之间；

所述惯性质量块(8)分别设置在第一悬臂梁(7)朝向第二悬臂梁(6)的两个侧面上，第二悬臂梁(6)朝向第一悬臂梁(7)的一侧与惯性质量块(8)相对应的位置设有耦合轻弹簧(9)；

所述支撑底座(1)和夹具均与同一振动源固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器，其特征在于：所述主拾振器的固有频率远大于随动拾振器的固有频率。

3.根据权利要求1所述的一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器，其特征在于：所述惯性质量块(8)设置在第一悬臂梁(7)上远离夹具的一端。

4.根据权利要求1所述的一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器，其特征在于：所述两个随动拾振器对称地设置在主拾振器两侧，其中一个随动拾振器能够跟随惯性质量块(8)在正方向上的运动，另一个随动拾振器能够跟随惯性质量块(8)在负方向上的运动；随动拾振器始终在主拾振器位移幅值的极值点附近与之接触。

5.根据权利要求1所述的一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器，其特征在于：所述耦合轻弹簧(9)的刚度满足以下条件：

其中K₃是耦合轻弹簧的刚度，m₃是耦合轻弹簧的等效质量，m₂是随动拾振器的等效质量，f为主拾振器的固有频率，a、b为常数。

6.根据权利要求1所述的一种具备自适应机械振幅检波结构的拾振器，其特征在于：所述耦合轻弹簧(9)在初始状态下与惯性质量块(8)零距离接触。