CN109660148B - 一种旋转机械宽带压电能量收集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及旋转机械宽带压电能量收集方法，包括如下步骤：首先确定质量块与悬臂梁、压电片的质量关系，然后组装组装能量收集机构；最后旋转机械围绕其中心产生单方向的旋转运动，基座固定在旋转机械的中心，以带动其他部件一同旋转；在此过程中，质量块由于重力作用将会呈现周期上下运动，悬臂梁及压电片将会随振动产生形变，通过压电效应产生交变电压，再通过能量采集电路将其转换成电能，在电能存储器件中存储，从而为传感器提供能量。本发明悬臂梁质量块在旋转机械外侧，利用向心力的改变来改变悬臂梁共振频率，使共振频率与转速匹配，实现宽频带的能量收集。
Description
技术领域
本发明属于能量转化与收集技术领域，尤其涉及一种旋转机械宽带压电能量收集方法。
背景技术
旋转机械是机械设备中的重要组成部分，它覆盖了电力、化工、冶金、车辆、航空等众多工程领域。旋转机械运行速度一般较高，而往往是关键设备，例如发电机、汽轮机、轧钢机、汽车车轮等。其工况状态不仅仅影响设备本身的运行情况，会对其他部件造成直接影响，故障严重时会造成重大的经济损失，甚至导致机毁人亡的事故发生。
因此，对于旋转机械的结构健康监测是非常重要的，可以及时发现故障，预防重大事故的发生。对旋转机械的结构健康监测需要传感器布放在结构附近，通过振动等信号的提取与处理判断结构的健康状态。传统的传感器需要布放电缆以供电与传输数据，对一般的机械结构是可行的，可是对于旋转机械来说存在着一定的危险性。尤其是对于高速旋转机械来说，一旦线缆进入旋转区域，将会发生缠绕与卡顿，可能发生危险的事故。
因此，对于旋转机械的结构健康监测来说，需要无线传感器。目前，能量是限制无线传感器应用的一个瓶颈。传统的无线传感器利用电池供电，需要频繁的维护，对于某些场合来说无法达到经常维护的要求。
因此，基于这些问题，提供一种基于为无线传感器提供能量的能量收集机构的能量收集方法，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于为无线传感器提供能量的能量收集机构的能量收集方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种旋转机械宽带压电能量收集方法，所述方法包括如下步骤：
(1)、确定质量块的质量
假设悬臂梁与压电片的复合梁杨氏模量为E，惯性矩为I，等效质量M，由材料力学公式可得复合梁的共振频率为：
其中，M的计算方法如下：
其中，m3为悬臂梁的质量，m4为压电片的质量，mt为质量块的质量；
假设质量块距离旋转机械的中心的距离为l，假设旋转运动的角速度为ω，则质量块在运动时的向心力为：
F＝mtω2l
则悬臂梁与压电片在运动时的共振频率为：
从公式中可以看出，运动中的共振频率ωn′随着旋转频率ω的增大而增大，因此
时存在一个最优的共振频率，且共振频率越接近1频带越宽，通过将
赋值，得到M，从而得到mt；
(2)、组装能量收集机构
将基座固定在旋转机械中心，悬臂梁采用非铁磁性金属制成，一端作为固定端连接在基座上，另一端为自由端，压电片粘贴在悬臂梁上，质量块设置在悬臂梁自由端；压电片与能量采集电路相连接；能量采集电路连接电能存储器件，电能存储器件连接传感器并为其供电；
(3)、旋转机械围绕其中心产生单方向的旋转运动，基座固定在旋转机械的中心，以带动其他部件一同旋转；在此过程中，质量块由于重力作用将会呈现周期上下运动，悬臂梁及压电片将会随振动产生形变，通过压电效应产生交变电压，再通过能量采集电路将其转换成电能，在电能存储器件中存储，从而为传感器提供能量。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明悬臂梁质量块在旋转机械外侧，利用向心力的改变来改变悬臂梁共振频率，使共振频率与转速匹配，实现宽频带的能量收集；
2、本发明以能量收集的方法为传感器供电，解决了传统旋转机械中的无线传感器需要经常更换电池的问题。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1是本发明实施例提供的旋转机械宽带压电能量收集机构示意图；
图2是本发明实施例提供的旋转机械宽带压电能量收集方法的输出功率曲线图；
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面就结合图1至图2来具体说明本发明。
实施例1
图1是本发明实施例提供的旋转机械宽带压电能量收集机构示意图；如图1所示，本实施例提供的旋转机械宽带压电能量收集方法是基于如下能量收集机构：
旋转机械宽带压电能量收集方法的装置包括：旋转机械1、基座2、悬臂梁3、压电片4、质量块5、能量收集电路6、电能存储器件7及传感器8；其中，旋转机械1绕着中心进行旋转运动；基座2固定在旋转机械1中心；悬臂梁3采用非铁磁性金属制成，一端作为固定端连接在基座2上，另一端为自由端；压电片4粘贴在悬臂梁3上；质量块5设置在悬臂梁3自由端；压电片4与能量收集电路6相连接；能量收集电路6连接电能存储器件7，电能存储器件7连接传感器8并为其供电。
其中，基座2固定在旋转机械1中心，与旋转机械1需要实现刚体连接，可采用无铁磁性的金属材料；悬臂梁3采用非铁磁性金属，且固定端与基座2固定；压电片4采用压电陶瓷、粗压电纤维复合材料、聚偏氟乙烯中的任一种，其尺寸优选为与悬臂梁3尺寸一致；质量块5采用非铁磁性材料；能量收集电路6该领域常用的桥式整流电路；电能存储器件7种类型的电池、超级电容器等。
具体的收集方法包括如下步骤：
(1)、确定质量块的质量
假设悬臂梁与压电片的复合梁杨氏模量为E，惯性矩为I，等效质量M，由材料力学公式可得复合梁的共振频率为：
其中，M的计算方法如下：
其中，m3为悬臂梁的质量，m4为压电片的质量，mt为质量块的质量；
假设质量块距离旋转机械的中心的距离为l，假设旋转运动的角速度为ω，则质量块在运动时的向心力为：
F＝mtω2l
则悬臂梁与压电片在运动时的共振频率为：
从公式中可以看出，运动中的共振频率ωn′随着旋转频率ω的增大而增大，因此
时存在一个最优的共振频率，且共振频率越接近1频带越宽，通过设置
则有mt＝1.2375(m3+m4)；
(2)、组装能量收集机构
将基座固定在旋转机械中心，悬臂梁采用非铁磁性金属制成，一端作为固定端连接在基座上，另一端为自由端，压电片粘贴在悬臂梁上，质量块设置在悬臂梁自由端；使质量块的质量符合mt＝1.2375(m3+m4)，压电片与能量采集电路相连接；能量采集电路连接电能存储器件，电能存储器件连接传感器并为其供电；
(3)、旋转机械围绕其中心产生单方向的旋转运动，基座固定在旋转机械的中心，以带动其他部件一同旋转；在此过程中，质量块由于重力作用将会呈现周期上下运动，悬臂梁及压电片将会随振动产生形变，通过压电效应产生交变电压，再通过能量采集电路将其转换成电能，在电能存储器件中存储，从而为传感器提供能量。
作为举例，在本实施例中，取悬臂梁的质量为5g，压电片的质量为3g，则质量块的质量为1.2375*(5+3)＝9.9g；经过计算，悬臂梁与压电片的复合梁刚度为60N/m；图2是本发明实施例提供的旋转机械宽带压电能量收集方法的输出功率曲线图，图2中显示了本实施例方法与未引入向心力方法的收集功率图，其中，未引入向心力的方法为调换基座方向，将质量块放置于旋转机械的中心。
从图2中可以看到，经过对不同频率的测试，可明显看出本实施例的方法具有更大的带宽，在10mW以上的频带范围由0.9Hz提高到10.0Hz的频带，获得了较好的有益效果；其中，该频带范围的计算方法为：在纵坐标上，以10mW为标准，画一横线，取在其上方的频带范围，例如未引入向心力的方法，大致由11.1Hz-12Hz，所以为0.9Hz。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (1)
1.一种旋转机械宽带压电能量收集方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)、确定质量块的质量
假设悬臂梁与压电片的复合梁杨氏模量为E，惯性矩为I，等效质量M，由材料力学公式可得复合梁的共振频率为：
其中，M的计算方法如下：
其中，m3为悬臂梁的质量，m4为压电片的质量，mt为质量块的质量；
假设质量块距离旋转机械的中心的距离为l，假设旋转运动的角速度为ω，则质量块在运动时的向心力为：
F＝mtω2l
则悬臂梁与压电片在运动时的共振频率为：
从公式中可以看出，运动中的共振频率ωn′随着旋转频率ω的增大而增大，因此
时存在一个最优的共振频率，且共振频率越接近1频带越宽，通过将
赋值，得到M，从而得到mt；
(2)、组装能量收集机构
将基座固定在旋转机械中心，悬臂梁采用非铁磁性金属制成，一端作为固定端连接在基座上，另一端为自由端，压电片粘贴在悬臂梁上，质量块设置在悬臂梁自由端；压电片与能量采集电路相连接；能量采集电路连接电能存储器件，电能存储器件连接传感器并为其供电；
(3)、旋转机械围绕其中心产生单方向的旋转运动，基座固定在旋转机械的中心，以带动其他部件一同旋转；在此过程中，质量块由于重力作用将会呈现周期上下运动，悬臂梁及压电片将会随振动产生形变，通过压电效应产生交变电压，再通过能量采集电路将其转换成电能，在电能存储器件中存储，从而为传感器提供能量。
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