CN108919113B - 一种压电能收集器测试装置及测试方法 - Google Patents

一种压电能收集器测试装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

一种压电能收集器测试装置及测试方法，本发明提供一种可以测量不同水流流速、不同外载荷以及不同端部质量块的压电能收集器所产生的电压及能量，属于压电能收集器测试技术领域。本发明的测试装置包括水槽、悬臂梁、端部质量块、横梁、外载电阻和电压测量装置；水槽用于提供各种流速的水流，横梁横亘在水槽顶部，悬臂梁和端部质量块设置在水槽内，悬臂梁的顶端与横梁固定连接，悬臂梁的底端与端部质量块固定连接，端部质量块浸入水槽内的水中；本发明的测试方法将压电纤维片贴在悬臂梁上，压电纤维片与外载电阻构成回路，通过电压测量装置测量不同流速、不同端部质量块和外载电阻的电压数据及能量。

Description

一种压电能收集器测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于压电能收集器测试技术领域，具体涉及一种利用水能实现压电能收集器测试装置及测试方法。
背景技术
压电能收集器是一种将周围环境中的机械能转换为电能的装置，具有广泛的应用前景。压电能量收集器一般采用悬臂梁结构，主要由于该结构能有效地将环境中的振动能转化为结构的应变能，从而使压电材料产生更多的电能。
以往针对压电能收集器的研究主要集中在风能利用方面，而将水能利用于压电能收集器中的研究比较少，而将水能利用于压电能收集器具有十分广阔的应用前景。现有常用的是：将小流量的流水能量转变为势能后，再有压电陶瓷体产生电能，这种测试装置结构简单，功能单一，不能为压电能收集器应用于水力方面的研究提供依据。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种可以测量不同水流流速、不同外载荷以及不同端部质量块的压电能收集器所产生的电压及能量的压电能收集器测试装置及测试方法。
本发明的一种压电能收集器测试装置，所述装置包括水槽9、悬臂梁3、端部质量块1、横梁5、外载电阻和电压测量装置；
所述水槽9用于提供各种流速的水流，横梁5横亘在水槽9顶部，悬臂梁3和端部质量块1设置在水槽9内，悬臂梁3的顶端与所述横梁5固定连接，悬臂梁3的底端与端部质量块1固定连接，所述端部质量块1浸入水槽9内的水中；
压电纤维片8贴在悬臂梁3上，压电纤维片8与外载电阻构成回路，电压测量装置用于测量外载电阻两端的电压。
优选的是，所述测试装置还包括连接杆7，所述悬臂梁3的顶端通过连接杆7与所述横梁5固定连接：连接杆7的一端穿过所述横梁5，且与所述横梁5固定连接，连接杆7的另一端与悬臂梁3的顶端固定连接；通过调节连接杆7的位置，使所述端部质量块1浸入水槽9内的水中。
优选的是，所述外载电阻为可变电阻。
优选的是，所述端部质量块1的形状、尺寸和重量可改变。
本发明还提供一种所述的压电能收集器测试装置的测试方法，所述测试方法包括如下步骤：
步骤1、水槽9中放入水，待水流达到设定流速U之后，使端部质量块1恰好浸入水中；
步骤2、电压测量装置测量外载电阻两端的开路电压，记录电压信号；然后逐步增加外载电阻，每ΔRΩ为一个增加量，电压测量装置测量外载电阻两端的电压，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3、水流流速不变，更换端部质量块1的形状，转入步骤2，当不需要更换端部质量块1的形状时，转入步骤4；
步骤4、以ΔU为一个增加量改变水流流速，转入步骤2。
优选的是，所述水槽9内的水流流速不大于1m/s。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于：本发明可用于在特定水流速度下，通过改变外载电阻，从而研究电阻变化对压电能收集器采集能量的影响；本发明还可以改变水流速度，从而研究水流速度对压电能收集器采集能量的影响；本发明还可以更换端部质量块，从而研究不同类型的端部质量块对采集能量的影响。所以本发明可以测量不同水流流速、不同外载荷以及不同端部质量块时，压电能收集器所产生的电压及能量，为压电能收集器应用于水力方面提供依据。
附图说明
图1为本发明实施方式中的压电能收集器测试装置的结构示意图；
图2是图1中A-A′方向剖面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种压电能收集器测试装置，包括水槽9、悬臂梁3、端部质量块1、横梁5、连接杆7、外载电阻和电压测量装置；
水槽9用于提供各种流速的水流，横梁5横亘在水槽9顶部，悬臂梁3和端部质量块1设置在水槽9内，连接杆7的一端穿过所述横梁5，且与横梁5固定连接，连接杆7的另一端与悬臂梁3的顶端固定连接；通过调节连接杆7的位置，使所述端部质量块1浸入水槽9内的水中；
压电纤维片8贴在悬臂梁3上，压电纤维片8与外载电阻构成回路，电压测量装置用于测量外载电阻两端的电压。
本实施方式的外载电阻为可变电阻。
本实施方式的端部质量块1的形状、尺寸和重量可改变。
本实施方式的水槽9内水流深度大于1.5倍的端部质量块1的高度。横梁5具有一定的重量，确保下部连接件承受水流冲击时，横梁5保持不动。横梁5上中间位置向下开有Ф16的孔，和孔水平垂直且与水流流速方向相同的位置开有M8的螺纹孔。连接杆7插入Ф16孔，并用M8顶丝6顶死，使其固定不动。
连接杆7为Ф15的圆钢，其一个方向向下搓去2mm，用以确定方位，使连接杆7这个方向始终与水流方向相同，这段长度320mm。在连接杆7下部与上面搓去2mm的方向垂直，向下搓去8.25mm，这段长度为35mm，在这段长度上开有两个M5的螺纹孔，通过这两个螺纹孔，用两个M5螺栓4连接悬臂梁3，悬臂梁为厚0.8mm的铝片。悬臂梁3上面用AB高性能双组份环氧树脂胶粘贴压电纤维片8。悬臂梁3下部插入开有宽1mm、深25mm的缝隙的端部质量块1中，端部质量块1上开有两个螺纹孔，通过螺纹孔用M5顶丝2将悬臂梁3与端部质量块1之间顶死，使其保持相对固定。再用橡皮泥将端部质量块1剩余缝隙及剩余螺纹孔封住，使端部质量块保持原始形状。通过调节连接杆7的上下位置，使端部质量块1恰好浸入水中。
本实施方式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、水槽9中放入水，待水流达到设定流速U之后，使端部质量块1恰好浸入水中；
步骤2、电压测量装置测量外载电阻两端的开路电压，记录电压信号；然后逐步增加外载电阻，每RΩ为一个增加量，电压测量装置测量外载电阻两端的电压，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3、水流流速不变，更换端部质量块1的形状，转入步骤2，当不需要更换端部质量块1的形状时，转入步骤4；
步骤4、以ΔU为一个增加量改变水流流速，转入步骤2，水槽9内的水流流速不大于1m/s。
工作原理：本实施方式的测试装置置于开环系统中，水槽9为试验提供稳定水流。悬臂梁3的一面贴压电纤维片，稳定水流对端部质量块1有一定的冲击力，引起端部质量块1摆动，从而带动悬臂梁3振动，进而压电纤维片8振动产生电荷，压电纤维片8用导线与外载电阻及电压测量装置连接，收集所产生的电压信号，即为压电纤维片电压测试数据，得到可用于研究不同端部质量块及不同外载电阻在特定水流流速下的采集能量试验数据。
具有一定速度U的水流进入水槽9，冲击端部质量块1，端部质量块1主要考虑不同的形状、不同尺寸及不同重量。端部质量块1受到冲击之后引起悬臂梁2振动，悬臂梁2振动带动压电纤维片8振动，产生电荷。压电纤维片8与外载电阻相连，外载电阻可改变，可用于分析不同电阻对系统动力学的影响。改变水流速度U的大小，得到水流流速变化对压电能收集器采集能量能力的影响。
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 (5)

1.一种压电能收集器测试装置的测试方法，其特征在于，所述装置包括水槽(9)、悬臂梁(3)、端部质量块(1)、横梁(5)、外载电阻和电压测量装置；
所述水槽(9)用于提供各种流速的水流，横梁(5)横亘在水槽(9)顶部，悬臂梁(3)和端部质量块(1)设置在水槽(9)内，悬臂梁(3)的顶端与所述横梁(5)固定连接，悬臂梁(3)的底端与端部质量块(1)固定连接，所述端部质量块(1)浸入水槽(9)内的水中；
压电纤维片(8)贴在悬臂梁(3)上，压电纤维片(8)与外载电阻构成回路，电压测量装置用于测量外载电阻两端的电压；
所述测试方法包括如下步骤：
步骤1、水槽(9)中放入水，待水流达到设定流速U之后，使端部质量块(1)恰好浸入水中；
步骤2、首先，电压测量装置测量外载电阻两端的开路电压，记录电压信号；然后将外载电阻与压电纤维片(8)连接，逐步增加外载电阻，每ΔRΩ为一个增加量，电压测量装置测量外载电阻两端的电压，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3、水流流速不变，更换端部质量块(1)的形状，转入步骤2，当不需要更换端部质量块(1)的形状时，转入步骤4；
步骤4、以ΔU为一个增加量改变水流流速，转入步骤2。
2.根据权利要求1所述的压电能收集器测试装置的测试方法，其特征在于，所述测试装置还包括连接杆(7)，所述悬臂梁(3)的顶端通过连接杆(7)与所述横梁(5)固定连接：连接杆(7)的一端穿过所述横梁(5)，且与所述横梁(5)固定连接，连接杆(7)的另一端与悬臂梁(3)的顶端固定连接；通过调节连接杆(7)的位置，使所述端部质量块(1)浸入水槽(9)内的水中。
3.根据权利要求1所述的压电能收集器测试装置的测试方法，其特征在于，所述外载电阻为可变电阻。
4.根据权利要求1所述的压电能收集器测试装置的测试方法，其特征在于，所述端部质量块(1)的形状、尺寸和重量可改变。
5.根据权利要求1所述的压电能收集器测试装置的测试方法，其特征在于，所述水槽(9)内的水流流速不大于1m/s。
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