CN108988684A - 一种吸振与振动能量采集一体化装置 - Google Patents
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Abstract
一种吸振与振动能量采集一体化装置，涉及振动控制与能量采集技术领域。本发明装置包括刚度可调动力吸振器和振动能量采集模块。刚度可调动力吸振器由弹性元件4、可调深度螺栓1和质量块7组成；振动能量采集模块由PVDF压电薄膜发电元件3、能量采集接口电路8以及负载9构成。可调深度螺栓1通过M6螺母2紧固弹性元件4；质量块7可通过连接螺栓5和M4螺母6紧固在弹性元件4两端；PVDF压电薄膜发电元件3粘贴在弹性元件4的上下表面，并通过两根导线接入能量采集接口电路8，能量采集接口电路8的另一端连接负载9。本发明弥补了被动式吸振器减振效果不佳、应用场合局限、频带较窄等不足，充分有效的利用振动能量，实现振动控制与能量采集一体化。
Description
技术领域
本发明涉及振动控制与能量采集技术领域，具体涉及一种可变刚度的吸振与振动能量采集一体化装置。
背景技术
动力吸振器具有结构简单、性能稳定、经济性好，维护成本较低的优势，广泛应用于机械工程、船舶海洋工程、土木建筑、汽车工程等结构的振动控制领域。动力吸振器的原理是，当振动系统受激振动，附加动力吸振器对振动系统产生作用力，通过设计动力吸振器的刚度和质量实现系统的固有频率与外激励力的频率相等，最终实现控制原系统的共振目的，从而降低主系统的振动。动力吸振器按照控制技术手段可分三类，主动式、被动式和半主动式。主动式动力吸振器可以实现参数实时可调具有较宽的振动控制频带，但是需要外部能量输入，维护成本较高；由质量-弹簧系统组成的传统被动式吸振器由于质量和刚度不可调，只对接近激励频率很小的频带内有振动抑制效果，当外激励力与系统固有频率相等时控制效果最好，而当外部激励力频率偏离动力吸振器设计频率时，振动设备的减振效果降低甚至失效，并且通用性较差；半主动式动力吸振器，可以通过改变刚度或者质量实现频率可调，进一步拓宽被动式控制频带，在振动控制领域得到广泛应用。
另一方面，近年来，随着低功耗电子器件、微机电系统和无线传感器技术的发展，依靠电池的传统供电方式难以满足供电需求。从周围环境中获取电能，可以避免使用电池供电的诸多不足，如电池能量有限，需要定期更换造成环境污染，在高温、强腐蚀等恶劣环境中电池使用寿命受限，此外电池体积庞大，影响微系统的集成。能量采集技术主要是借助周围环境能量如光能，风能，机械能，热能，声能以及振动能量转化为电能。振动能量广泛存在于自然环境中，不同于太阳能、风能以及电磁能等，受时间、地理环境约束，压电振动能量采集可以将环境中的机械振动应变能直接转化为电能。研究表明，毫瓦级甚至微瓦级的电能就能保证一个低功耗无线传感器节点的正常工作。振动能量采集器可以对小型电池充电，或者给远程传感器、低功耗无线网络供电。
现有研究多为悬臂梁式振动能量采集系统，使用压电材料作为发电源。现有的申请号201010130519.3使用压电片或压电叠堆作为压电元件采集不同结构类型的动力吸振器振动能量。现有的申请号201210149507.4提到一种多频段压电振动能量收集器，利用压电片和悬臂梁结构实现多个频段内振动能量的采集。
本发明将振动能量采集应用在动力吸振器上，一方面利用动力吸振器实现振动控制，另一方面利用动力吸振器在工作时的强共振作用提高振动能量采集效率。
发明内容
针对现有被动式动力吸振器频率不可调以及振动能量浪费的不足，本发明的目的在于提供一种吸振与振动能量采集一体化装置，解决被动式吸振器减振效果不佳、应用场合局限、频带较窄等问题，同时充分有效的利用振动能量，实现振动控制与能量采集一体化。
为实现上述目的，本发明公开一种吸振与振动能量采集一体化装置，包括刚度可调动力吸振器和振动能量采集模块。刚度可调动力吸振器由弹性元件4、可调深度螺栓1和质量块7组成。振动能量采集模块主要由PVDF压电薄膜发电元件3、能量采集接口电路8以及负载9构成。
所述的动力吸振器中，弹性元件4由两个弯曲的拱形薄钢片组成，两薄钢片镜像布置，同时在拱顶位置设有配合可调深度螺栓1的通孔。可调深度螺栓1用于连接上下两弹性元件并起到调节两钢片分开间距的作用，由于两块薄钢片相对分开间距H发生变化，吸振器的等效刚度K发生变化，进而引起吸振的固有频率发生变化，这样就可以有效的拓宽吸振器的工作频带，在外激励力频率变化的一定范围内都能实现对系统模态的抑制作用。此外，可调深度螺栓1上设有M6外螺纹用于配合四个M6螺母2紧固弹性元件4的钢片防止蹿动，可调深度螺栓1下端作为固定端将本发明装置安装在被控系统上。
所述的动力吸振器中，质量块7分布在吸振器的两端，质量块7中间设有与连接螺栓5相配合的M4内螺纹孔，上、下质量块7可通过连接螺栓5和M4螺母6紧固在弹性元件4两端。
所述的能量采集模块中，四个相同的PVDF压电薄膜发电元件3分别粘贴于弹性元件4上下薄钢片的上下表面，PVDF压电薄膜发电元件3由于动力吸振器的振动发生变形而产生电荷，PVDF压电薄膜发电元件3由PVDF压电薄膜、电极层、保护层组成。电极层是为了引出PVDF压电薄膜产生的电荷，保护层主要是防止电极层刮伤、受潮等不利因素的出现而影响能量采集效率。
所述的能量采集模块中，振动能经由PVDF压电薄膜转化为电能，输出的是大电压小电流的交流电，必须进行交直流的转换。但是由于PVDF压电薄膜的输出阻抗较高，导致转换电路难以实现阻抗匹配，同时PVDF压电薄膜本身的输出功率一般较小，使得压电式振动式振动能量采集系统往往不能直接为负载供电，必须进行电能转换与存储，需要在能量采集器和负载间加入能量采集接口电路，将交流电压转换为直流电压，并存储在储能单元，当存储的电能满足负载功耗需求时，为其充电。能量采集接口电路8的输入端为PVDF压电薄膜发电元件3，由导线接入能量采集接口电路8。能量采集接口电路8主要由开关、电感、四个二极管构成的标准整流电桥、电容以及电阻组成。标准整流电桥中的二极管主要是为了防止能量采集模块对振动位移产生耦合抑制作用，降低回流的电能以及提高振动能量采集效率。电感的作用是保证临时电能存储。
本发明的有益效果在于：
本发明装置使用可调深度螺栓调节动力吸振器的刚度，克服传统被动式动力吸振器参数不可调的缺陷，拓宽控制频带，有效降低结构的振动。本发明在弹性元件表面加入振动能量采集模块，利用动力吸振器的强共振作用，提高振动能量采集效率，有效的避免振动能量浪费。此外，选用PVDF压电薄膜作为发电元件，PVDF压电薄膜柔韧性好，可以随弹性元件变形而变形具有较高的延展性。本装置产生的电能可以为低功耗的微机电系统、无线传感网络供电，克服原有使用电池供电的不足。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的PVDF压电薄膜发电元件结构剖面示意图；
图3为本发明的能量采集接口电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做更为详细的说明。
如附图1所示，本发明为一种吸振与能量采集一体化装置，包括刚度可调动力吸振器和振动能量采集模块。刚度可调动力吸振器由弹性元件4、可调深度螺栓1和质量块7组成。振动能量采集模块主要由PVDF压电薄膜发电元件3、能量采集接口电路8以及负载9构成。弹性元件4由两个弯曲的拱形薄钢片组成，两薄钢片镜像布置，同时在拱顶位置设有配合可调深度螺栓的Φ6通孔。可调深度螺栓1用于连接上下两弹性元件4并起到调节两钢片分开间距的作用，由于两块薄钢片相对分开间距H发生变化，吸振器的等效刚度K发生变化，进而引起吸振的固有频率发生变化，这样就可以有效的拓宽吸振器的工作频带，在外激励力频率变化的一定范围内都能实现对系统模态的抑制作用。此外，可调深度螺栓1上设有M6外螺纹用于配合四个M6螺母2紧固钢片防止蹿动，可调深度螺栓1下端可以作为固定端将本发明装置安装在被控系统上。质量块7分布在吸振器的两端，质量块7中间设有与连接螺栓5相配合的M4内螺纹孔，上、下质量块可通过连接螺栓5与M4螺母6紧固在弹性元件4两端。
能量采集模块中，四个相同的PVDF压电薄膜发电元件3分别粘贴于弹性元件4上下薄钢片的上下表面，PVDF压电薄膜发电元件3由于动力吸振器的振动发生变形而产生电荷，PVDF压电薄膜发电元件3由PVDF压电薄膜4-2、电极层4-3、保护层4-1组成，如附图2所示。电极层4-3是为了引出PVDF压电薄膜4-2产生的电荷，保护层4-1主要是防止电极层刮伤、受潮等不利因素的出现而影响能量采集效率。
振动能经由PVDF压电薄膜4-2转化为电能，输出的是大电压小电流的交流电，必须进行交直流的转换。但是由于PVDF压电薄膜4-2的输出阻抗较高，导致转换电路难以实现阻抗匹配，同时PVDF压电薄膜4-2本身的输出功率一般较小，使得压电式振动式振动能量采集系统往往不能直接为负载供电，必须进行电能转换与存储，需要在能量采集器和负载间加入能量采集接口电路8，将交流电压转换为直流电压，并存储在储能单元，当存储的电能满足负载功耗需求时，为其充电。能量采集接口电路8的输入端为PVDF压电薄膜发电元件3，由导线接入能量采集接口电路8。能量采集接口电路8主要由开关、电感、四个二极管构成的标准整流电桥、电容以及电阻组成，如附图3所示。标准整流电桥中的二极管主要是为了防止能量采集模块对振动位移产生耦合抑制作用，降低回流的电能以及提高振动能量采集效率。电感的作用是保证临时电能存储。能量采集接口电路输出端为负载9，负载9可以是储能的电池或者低功耗的微机电系统、无线传感器网络等。
动力吸振器的结构参数选择：
1)获取振动系统频率f，分析系统控制频带；
2)设置吸振频带其中k0、m0分别是最小刚度和最小质量，k0Hmax表示可调最大刚度，Hmax是最大可调深度，mx是可调质量块，通过设计弹性元件尺寸，给出深度H可调范围。
在连续结构上安装动力吸振器进行模态控制时，应该避免安装在节点位置，因为此处模态振幅为零，并且放置在模态幅值最大处，吸振的效果最佳。
本发明装置使用可调深度螺栓调节动力吸振器的刚度，克服传统被动式动力吸振器参数不可调的缺陷，拓宽控制频带，有效降低结构的振动。本发明在弹性元件表面加入振动能量采集模块，利用动力吸振器的强共振作用，提高振动能量采集效率，有效的避免振动能量浪费。此外，选用PVDF压电薄膜作为发电元件，PVDF压电薄膜柔韧性好，可以随弹性元件变形而变形具有较高的延展性。本装置产生的电能可以为低功耗的微机电系统、无线传感网络供电，克服原有使用电池供电的不足。
尽管本发明结合附图给出具体详细的实施方案，但本发明并不局限于上述具体实施方案和应用领域，上述的实施例只是为了更好的理解本发明，仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。
Claims (6)
1.一种吸振与振动能量采集一体化装置，包括刚度可调动力吸振器和振动能量采集模块，其特征在于：所述刚度可调动力吸振器由弹性元件(4)、可调深度螺栓(1)和质量块(7)组成；振动能量采集模块主要由PVDF压电薄膜发电元件(3)、能量采集接口电路(8)以及负载(9)构成；可调深度螺栓(1)上设有M6外螺纹，配合M6螺母(2)紧固弹性元件(4)，可调深度螺栓(1)下端作为固定端将本发明装置安装在被控系统上；质量块(7)分布在吸振器的两端，M4螺母(6)位于质量块(7)的下方，质量块(7)中间设有M4内螺纹孔，配合连接螺栓(5)与M4螺母(6)紧固在弹性元件(4)两端；PVDF压电薄膜发电元件(3)粘贴在弹性元件(4)上下薄钢片的上下表面，PVDF压电薄膜发电元件(3)通过两根导线接入能量采集接口电路(8)，能量采集接口电路(8)的另一端连接负载(9)。
2.根据权利要求1所述的一种吸振与振动能量采集一体化装置，其特征在于：所述的刚度可调动力吸振器中，弹性元件(4)由两个弯曲的拱形薄钢片组成，两薄钢片镜像布置，同时在拱顶位置设有配合可调深度螺栓的通孔。
3.根据权利要求1所述的一种吸振与振动能量采集一体化装置，其特征在于：所述M6螺母(2)有两组，每组M6螺母(2)置于弹性元件(4)的拱形薄钢片的上下两侧。
4.根据权利要求1所述的一种吸振与振动能量采集一体化装置，其特征在于：所述质量块(7)有两个，连接螺栓(5)有两个，M4螺母(6)有两个，在弹性元件(4)两端的质量块(7)、连接螺栓(5)和M4螺母(6)关于可调深度螺栓(1)成轴对称分布。
5.根据权利要求1所述的一种吸振与振动能量采集一体化装置，其特征在于：所述PVDF压电薄膜发电元件(4)有四个，每个PVDF压电薄膜发电元件(4)由PVDF压电薄膜、电极层、保护层组成；PVDF压电薄膜发电元件(4)剖面结构从外到内依次为保护层、电极层、PVDF压电薄膜，保护层和电极层关于PVDF压电薄膜成轴对称分布，电极层引出两根导线。
6.根据权利要求1所述的一种吸振与振动能量采集一体化装置，其特征在于：所述的能量采集接口电路中，能量采集接口电路主要由开关、电感、四个二极管构成的标准整流电桥、电容以及电阻组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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