CN108828361A - 一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置 - Google Patents

一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置 Download PDF

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Abstract

一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，涉及一种压电能收集器测试装置。本发明为了解决现有的能量收集器在能量收集、疲劳寿命与振动抑制上都有较大的限制，进而提供一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置。该装置包括激振器、底板、拱形支撑、主振动系统、动力吸振器和两个固定组件，激振器固定安装在底板的下表面，拱形支撑的两端通过两个所述固定组件安装在底板的上表面上，所述主振动系统安装在拱形支撑上，所述动力吸振器安装在所述主振动系统上。本发明属于能量收集技术领域。

Description

一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置
技术领域
本发明涉及一种压电能收集器测试装置，具体涉及一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置。
背景技术
近年来，诸如传感器的微小电子设备的应用范围不断扩大，它们具有能耗小、数量巨大、分布范围广且工作环境恶劣的特点。为其供电的传统电化学电池存在寿命短、更换频繁等缺点，这大大增加了此类运行成本，因此迫切需要新型的供能方式。
外界环境中存在丰富的振动能，特别是在工程实际中，存在许多危害机械精度和寿命的振动能，如果将这些能量利用起来，将能很好地为微机电系统供能。利用压电材料能实现机电能量互换这一特性，压电能收集器能持续将振动能转换为电能。以往的压电能收集器通常采用简单的悬臂梁结构，它是d31式的能量收集体器，由悬臂梁的弯曲变形来迫使压电陶瓷片产生弯曲变形从而产生电能，这种装置结构简单，功能单一，在能量收集、疲劳寿命与振动抑制上都有较大的限制。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的能量收集器在能量收集、疲劳寿命与振动抑制上都有较大的限制，进而提供一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置。
本发明的技术方案是：所述一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置包括激振器、底板、拱形支撑、主振动系统、动力吸振器和两个固定组件，激振器固定安装在底板的下表面，拱形支撑的两端通过两个所述固定组件安装在底板的上表面上，所述主振动系统安装在拱形支撑上，所述动力吸振器安装在所述主振动系统上。
进一步地，所述主振动系统包括第一质量块和第一小水桶，第一质量块和第一小水桶由上至下依次与拱形支撑的上部水平段固定连接。
进一步地，所述动力吸振器包括第二质量块、第二小水桶、上压电夹板、压电陶瓷片和下压电夹板，上压电夹板与下压电夹板为相互对称设置的拱形结构，下压电夹板的下部水平段与主振动系统固定连接，下压电夹板的上部水平段与上压电夹板的下部水平段之间夹持有压电陶瓷片，上压电夹板的上部水平面与第二小水桶、第二质量块和连接件由下至上依次设置，并通过螺栓固定连接。
进一步地，第一质量块和第二质量块均是直径为20mm，壁厚为2mm的金属片。
进一步地，第一小水桶和第二小水桶均是直径为20mm，高20mm，壁厚为1mm的塑料桶。
进一步地，所述拱形支撑为宽为15mm，厚0.5mm的65Mn钢轧成的拱形结构，中间对称位置水平段的长为6mm。
进一步地，所述第一质量块和第二质量块每个质量块的重量均为10g。
进一步地，所述第一小水桶和第二小水桶注满水后的重量均为10g。
进一步地，所述所述两个固定组件由两个夹板，螺栓组成，每个夹板通过四个螺栓将拱形支撑的两端水平段压装在底板的上表面上。
进一步地，该装置还包括加速度传感器，加速度传感器固定在底板的上表面上。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明可以通过更换拱形支撑5，调节质量块13的数量和所述小水桶14中的注水量来改变主振动系统固有频率；
2、本发明可以通过调节动力吸振器中质量块8的数量和小水桶9中的注水量，使其固有频率和主振动系统的固有频率始终满足最优同调条件；
3、本发明可以改变激励频率，从而研究激励频率对动力吸振器能量采集和振动抑制效果的影响；
4、本发明可以改变激振振幅大小，从而研究激振振幅对动力吸振器能量采集和振动抑制效果的影响；
5、本发明可以改变外载电阻的大小，从而研究外载电阻对动力吸振器能量采集和振动抑制效果的影响。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置包括激振器1、底板2、拱形支撑5、主振动系统、动力吸振器和两个固定组件，激振器1固定安装在底板2的下表面，拱形支撑5的两端通过两个所述固定组件安装在底板2的上表面上，所述主振动系统安装在拱形支撑5上，所述动力吸振器安装在所述主振动系统上。激振器1用于提供各种形式的基础激励，底板2是中间开有直径为9mm的通孔，利用M8的螺栓将底板2固定在激振器1上，底板2四个角的对称位置开有四个宽5mm，长50mm的矩形通孔，通过两个固定组件与拱形支撑5连接。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的主振动系统包括第一质量块13和第一小水桶14，第一质量块13和第一小水桶14由上至下依次与拱形支撑5的上部水平段固定连接。质量块13是直径为20mm，厚2mm的金属片，用于提供主振动系统的端部质量，小水桶14是直径为20mm，高20mm，壁厚为1mm的塑料桶，通过注水量对主振动系统的端部质量进行微调。质量块13的数量和所述小水桶14中的注水量可以改变，通过更换拱形支撑5，调节质量块13的数量和小水桶14中的注水量来改变主振动系统固有频率。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的动力吸振器包括第二质量块8、第二小水桶9、上压电夹板10、压电陶瓷片11和下压电夹板12，上压电夹板10与下压电夹板12为相互对称设置的拱形结构，下压电夹板12的下部水平段与主振动系统固定连接，下压电夹板12的上部水平段与上压电夹板10的下部水平段之间夹持有压电陶瓷片11，上压电夹板10的上部水平面与第二小水桶9、第二质量块8和连接件7由下至上依次设置，并通过螺栓6固定连接。第二质量块8的数量和第二小水桶9中的注水量可以改变，通过调节动力吸振器中第二质量块8的数量和第二小水桶9中的注水量，使其固有频率和主振动系统的固有频率始终满足最优同调条件；压电陶瓷片11与外载电阻连接，外载电阻为可变电阻，用数据采集装置测量外载电阻两端电压和底板2的加速度；上压电夹板10和下压电夹板12使用AB高性能双组份环氧树脂胶将压电陶瓷片11夹持固定，上压电夹板10和下压电夹板12是和拱形支撑5结构类似的拱形结构。动力吸振器中第二质量块8和第二小水桶9与主振动系统中的第一质量块13和第一小水桶14完全相同。通过连接件7和M4的螺栓将质量块13和小水桶14卡死在拱形支撑5和下压电夹板12之间，连接件7是两端开有直径为5mm通孔，长40mm的金属薄片；质量块8和小水桶9通过相同的方式固定在上压电夹板10上。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的第一质量块13和第二质量块8均是直径为20mm，壁厚为2mm的金属片。第一质量块13用于提供主振动系统的端部质量。其它组成和连接关系与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式五：结合结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的第一小水桶14和第二小水桶9均是直径为20mm,高20mm，壁厚为1mm的塑料桶。第一小水桶14通过注水量对主振动系统的端部质量进行微调。其它组成和连接关系与具体实施方式二或三相同。
具体实施方式六：结合结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述的所述拱形支撑5为宽15mm，厚0.5mm的65Mn钢轧成的拱形结构，中间对称位置水平段的长为6mm。拱形支撑5用于提供主振动系统的弹性变形，其中间对称位置有一段长为6mm水平段，用于放置质量块13和小水桶14。拱形支撑5可以更换，通过更换拱形支撑5，调节质量块13的数量和小水桶14中的注水量来改变主振动系统固有频率。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的所述第一质量块13和第二质量块8每个质量块的重量均为10g。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式八：结合结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的第一小水桶14和第二小水桶9注满水后的重量均为10g，第一小水桶14和第二小水桶9的注水量可以改变。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式九：结合结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述的所述两个固定组件由两个夹板3和多个螺栓4组成，每个夹板3通过四个螺栓4将拱形支撑5的两端水平段压装在底板2的上表面上。夹板3为四个角的对称位置开有四个直径为5mm通孔的金属块；利用M4的螺栓将夹板3固定在底板2上，同时将拱形支撑5卡死在夹板3与底板2之间。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：结合结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置还包括加速度传感器15，加速度传感器15固定在底板2的上表面上。加速度传感器15用502胶固定在底板2上，而后连接在数据采集装置中，用于测量激励的加速度，将加速度转化为电信号，记录的加速度信号可以作为衡量激励幅值的数据。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
基于动力吸振器的压电能收集器测试装置的测试方法，包括如下步骤：
步骤1、激振器1未振动时，将装置通过底板2和夹板3与激振器1固定连接，将加速度传感器15固定在底板2上；
步骤2、设定一个激励频率ω，以ω为系统固有频率作为设计依据，确定主振动系统中拱形支撑5的尺寸、质量块13的数量和小水桶14中的注水量；
步骤3、调节动力吸振器中质量块8的数量和小水桶9中的注水量，使其固有频率和主振动系统的固有频率ω满足最优同调条件；
步骤4、数据采集装置测量外载电阻两端的开路电压，记录电压信号；加速度传感器15固定在底板2上，记录的加速度信号可以作为衡量激励幅值的数据；然后将压电陶瓷片11外接导线与外载电阻连接，逐步增加外载电阻，每ΔRΩ为一个增加量，电压测量装置测量电阻两端的电压，并记录电压信号，记录的电压信号作为分析压电能收集器能量变化的数据；
步骤5、以Δω为一个增加量改变设定的激振器1激振频率，转入步骤2。
工作原理：
激振器1提供正弦形式的基体振动，当主振动系统和动力吸振器的固有频率满足最优同调条件，同时激励频率又等于主振动系统固有频率时，此系统能够将绝大部分振动能转移到动力吸振器中，动力吸振器产生剧烈的振动，而动力吸振器中第二质量块8和第二小水桶9由于惯性会产生垂直方向的拉力或压力，此拉压力作用在上压电夹板10和下压电夹板12上，会产生水平方向的变形，从而带动压电陶瓷片11中间悬空段产生水平方向的变形，而两端夹持段产生垂直方向的变形从而产生电能。
加速度传感器15固定在底板2上，而后连接在数据采集装置上，得到的数据可以作为衡量激励幅值的数据；压电陶瓷片11用导线与外载电阻及数据采集装置连接，收集所产生的电压信号，即为外载电阻两端的电压测试数据，得到可以作为衡量能量采集效率的数据。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：所述一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置包括激振器(1)、底板(2)、拱形支撑(5)、主振动系统、动力吸振器和两个固定组件，激振器(1)固定安装在底板(2)的下表面，拱形支撑(5)的两端通过两个所述固定组件安装在底板(2)的上表面上，所述主振动系统安装在拱形支撑(5)上，所述动力吸振器安装在所述主振动系统上。
2.根据权利要求1所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：所述主振动系统包括第一质量块(13)和第一小水桶(14)，第一质量块(13)和第一小水桶(14)由上至下依次与拱形支撑(5)的上部水平段固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：所述动力吸振器包括第二质量块(8)、第二小水桶(9)、上压电夹板(10)、压电陶瓷片(11)和下压电夹板(12)，上压电夹板(10)与下压电夹板(12)为相互对称设置的拱形结构，下压电夹板(12)的下部水平段与主振动系统固定连接，下压电夹板(12)的上部水平段与上压电夹板(10)的下部水平段之间夹持有压电陶瓷片(11)，上压电夹板(10)的上部水平面与第二小水桶(9)、第二质量块(8)和连接件(7)由下至上依次设置，并通过螺栓(6)固定连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：第一质量块(13)和第二质量块(8)均是直径为20mm，壁厚为2mm的金属片。
5.根据权利要求2或3所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：第一小水桶(14)和第二小水桶(9)均是直径为20mm,高20mm，壁厚为1mm的塑料桶。
6.根据权利要求1所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：所述拱形支撑(5)为宽为15mm，厚0.5mm的65Mn钢轧成的拱形结构，中间对称位置水平段的长为6mm。
7.根据权利要求4所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：所述第一质量块(13)和第二质量块(8)每个质量块的重量均为10g。
8.根据权利要求5所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：所述第一小水桶(14)和第二小水桶(9)注满水后的重量均为10g。
9.根据权利要求1所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：所述两个固定组件由两个夹板(3)，螺栓(4)组成，每个夹板(3)通过四个螺栓(4)将拱形支撑(5)的两端水平段压装在底板(2)的上表面上。
10.根据权利要求1所述的一种基于动力吸振器的压电能收集器测试装置，其特征在于：该装置还包括加速度传感器(15)，加速度传感器15固定在底板(2)的上表面上。
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