CN109831118B - 一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，包括能量采集装置、调节控制装置和端部约束装置；能量采集装置由上梁、外部磁铁、内部磁铁、悬臂梁和压电材料组成，悬臂梁的上端对称固定有充当惯性质量的N个内部磁铁，N≥1，悬臂梁的侧面粘贴有压电材料，上梁的两端以悬臂梁为轴对称固定有M个外部磁铁，M≥2；端部约束装置由下梁和固定端构成，悬臂梁的下端与下梁通过固定端紧固连接，下梁通过连接板与上梁连接；调节控制装置包括对称的曲面结构、蜗轮结构和蜗杆结构，对称的曲面结构与上述的蜗轮结构啮合连接，蜗轮结构铰接于下梁，蜗杆结构固定于下梁的上表面。该装置可在不改变磁体结构位置、大小情况下改变系统势阱。
Description
技术领域
本发明属于振动能量采集技术领域，具体涉及一种具备可调节势阱功能的悬臂梁式非线性压电振动能量采集器。
背景技术
随着微系统和无线平台技术的发展，小型化、低功耗的嵌入式自主传感器和无线传感器应运而生。然而这些电子设备一般是通过电池供电的，但是在实际应用过程中，复杂多变的外界环境，使得更换电池受到制约。环境能量采集技术是解决以上问题的有效方法，能量采集技术可以将自然界中广泛存在的能量转换为电能，从而为微电子器件持久供电，实现“永久化”的长效运行模式。由于振动能在环境中普遍存在，因此振动能量采集器受到许多研究者的关注。
随着能量采集器相关工作的不断深入，学者们意识到了非线性手段能够在扩宽频带、改善输出方面有积极的作用，多稳态是目前最有效的非线性手段之一；对于一般的多稳态振动能量采集器，由于悬臂梁的线性条件，当环境中的激励发生变化时，导致调节它的势能形状往往意味着只能改变磁体的大小和分布位置。在这种情况下，改变磁体间的距离往往就会导致磁场利用率降低。此外，电磁力是一种体积力，随着能量采集器的小型化，这种力将会大幅度降低。因此在不降低能量采集器对基础激励灵敏度的前提下，提高能量采集器磁能利用率将十分必要。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，该采集器利用机械非线性来改变振动范围内磁力和悬臂梁恢复力之间的差距；当环境中的激励发生梯度变化时，该装置通过非对称调节模式可以快速的适应环境变化，有效的扩大振动幅值。当环境中的激励变化到某一激发能级不变时，该装置通过对称调节模式可以达到最优的采集效果。此外，该装置可以在不改变磁体结构位置、大小的情况下，有效的改变系统的势垒，避免了在激发能级低的情况下因调节磁体结构而造成的磁能利用率低的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，包括能量采集装置、调节控制装置和端部约束装置；所述能量采集装置由上梁、外部磁铁、内部磁铁、悬臂梁和压电材料组成，所述悬臂梁的上端对称固定有充当惯性质量的N个内部磁铁，N≥1，所述悬臂梁的侧面粘贴有压电材料，所述上梁的两端以所述悬臂梁为轴对称固定有M个外部磁铁，M≥2；
所述端部约束装置由下梁和固定端构成，所述悬臂梁的下端与所述下梁通过固定端紧固连接，所述下梁通过连接板与所述上梁连接；
所述调节控制装置包括对称的曲面结构、蜗轮结构和涡杆结构，所述对称的曲面结构与上述的蜗轮结构啮合连接，蜗轮结构铰接于下梁，所述蜗杆结构固定于下梁的上表面。
进一步的，所述悬臂梁的形状为矩形梁、三角形梁或梯形梁其中的一种。
进一步的，所述内部磁铁和所述外部磁铁为永磁铁或电磁铁材料制作的矩形结构。
进一步的，所述压电材料是占所述悬臂梁纵向4/5长度的矩形压电陶瓷材料或压电薄膜材料，单侧或对称粘贴于所述悬臂梁的侧面。
进一步的，所述曲面结构为关于悬臂梁对称分布的结构，曲面结构和悬臂梁之间构成了一个非线性弹簧。曲面结构中曲线的函数形式满足以下关系：其中L是曲面截面在x方向的长度，D是x＝L时曲面截面与未变形悬臂梁之间的垂直距离，N为大于2的整数。
进一步的，所述蜗轮结构为关于悬臂梁两侧分布的相互咬合接触的装置，可实现同时调节曲面结构；蜗轮结构两侧咬合接触齿轮的半径比可调，可实现初始对称的曲面结构调节角度后为不对称结构。
进一步的，所述曲面结构上设有与所述蜗轮结构啮合连接的圆形齿状结构；所述下梁上设有与所述蜗轮结构相互铰接的圆柱孔。
进一步的，所述下梁对称分布于所述悬臂梁两侧，并通过所述固定端两侧的螺栓孔固接。
进一步的，所述蜗杆结构并通过齿状结构与蜗轮结构齿合连接。
本装置的工作原理为：在垂直于悬臂梁的外部激励下，悬臂梁会发生振动，从而使得粘贴在悬臂梁上的压电材料产生变形，从而达到采集能量的目的；悬臂梁在内部磁铁和外部磁铁形成的非线性磁力下呈现多稳态特性，而关于悬臂梁对称分布的曲面结构可以使悬臂梁具有非线性恢复力，通过微调蜗杆结构的角度使其蜗轮结构转动从而改变曲面结构的位置，最终改变采集器的势能形状，达到不同环境激励情况下提高采集效率的目的。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明采用了一种改进的铁木辛柯(Timoshenko)结构，即曲面结构与悬臂梁之间对应为一种“非线性弹簧”的关系，通过利用该机械非线性来改变振子振动范围内悬臂梁所受的恢复力与磁力之间的差异。
2.本发明可以通过调节蜗轮蜗杆结构来改变曲面结构的位置，从而调节悬臂梁的刚度曲线；当系统处于低激发能级时，振子更容易穿过势阱从而产生更高的能量输出；同时当环境中的激发能级变大时，通过调节刚度曲线，在满足系统能穿过势阱的情况下使得振子振幅最大的状态。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是曲面结构的结构示意图。
图3是曲面结构的截面参数图。
图4是端部约束装置示意图。
图5是蜗轮蜗杆连接示意图。
图6是实施例1系统的刚度曲线图。
图7是实施例1系统的势能曲线图。
图8是实施例2系统的势能曲线图。
附图标记：1-上梁，2-外部磁铁，3-内部磁铁，4-悬臂梁，5-压电材料，6-曲面结构，6-1-圆形齿状结构，6-2-圆形齿状结构，7-蜗轮结构，7-1-齿状结构，7-2-齿状结构，8-下梁，8-1-圆柱孔，8-2-圆柱孔，9-固定端，9-1-螺栓孔，10-蜗杆结构，
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例为对称调节模式实施例，即调节蜗轮蜗杆结构后本装置仍为对称的结构；
见图1，一种可调节刚度的悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，包括能量采集装置、调节控制装置和端部约束装置。由上梁1，外部磁铁2，内部磁铁3，悬臂梁4，压电材料5，曲面结构6，蜗轮结构7，下梁8、固定端9和蜗杆结构10组成；
能量采集装置包括上梁1，外部磁铁2，内部磁铁3，悬臂梁4，压电材料5；
上梁1的两端以悬臂梁4为轴对称固定有2个外部磁铁2，外部磁铁2为两块极性相同的铷铁硼永磁体NdFe35(20×10×10mm3)，其质心间距d＝31mm；悬臂梁4为铍青铜制成的矩形悬臂梁(126×15×0.5mm3)，其上端对称固定有充当惯性质量的内部磁铁3，内部磁铁3为两个极性相同的铷铁硼永磁体NdFe30(15×6×6mm3)，外部磁铁2和内部磁铁3的质心距h＝11mm；由于该采集装置靠近内部磁铁3处的变形较大，故压电材料5于靠近内部磁铁3处沿悬臂梁4单侧纵向粘贴，压电材料5(100×10×0.3mm3)采用柔韧性好、重量轻的M8507P2矩形压电复合材料。
调节装置包括关于悬臂梁4对称的曲面结构6、蜗轮结构7和蜗杆结构10，对称的曲面结构6与蜗轮结构7中的齿状结构啮合连接，蜗轮结构7铰接于下梁8。见图3，曲面结构6采用铝合金材质，其曲线接触面的曲率沿其x轴的长度变化从而改变结构的本质非线性，曲面结构6的截面参数为对称的曲面结构6末端圆环外径R＝4mm。见图2，每个曲面结构6上均设有圆形齿状结构6-1和圆形齿状结构6-2。
见图4，端部约束装置由下梁8和固定端9构成，下梁8为2块关于悬臂梁4对称的铝合金梁(45×20×12mm3)，悬臂梁4的下端与下梁8通过固定端9两侧的螺栓孔9-1紧固连接，下梁8与上梁1固结固定于亚克力板上；
见图5，蜗轮结构7为两个关于上述悬臂梁4对称分布的齿轮轴结构，两个齿轮轴结构通过上端的齿轮相互啮合，上端接触齿轮的半径比为1:1，并铰接于下梁8中的两个对称的圆柱孔8-1和圆柱孔8-2内，蜗轮结构7中部的齿状结构与曲面结构6中的圆形齿状结构6-1和圆形齿状结构6-2内部齿咬合连接。对称蜗轮结构7通过一侧的齿状结构7-1与蜗杆结构10连接。通过调节蜗杆结构10的正反转来控制曲面结构6的旋转与闭合，当顺时针转动蜗杆结构10时，曲面结构6可以张开；反之，曲面结构6闭合。利用“自锁原理”，当蜗杆结构10停止旋转时依靠与蜗轮结构7之间的巨大摩擦阻力产生“自锁”现象，此时无论悬臂梁碰撞的冲击力多大，曲面结构6都不会转动，从而使得曲面结构6达到固定的目的。
图6为该采集器的刚度力拟合曲线，拟合曲线可由布置于内部磁铁3上的力传感器测得。
当外界激励发生变化时，通过微调蜗杆结构10的角度改变曲面结构6的位置，从而可以改变采集器的势能曲线。图7为该采集器调节角度后的势能曲线，通过对比调节0度和调节3度的势能曲线，当环境激励能级满足3mJ的激发能级时，调节3度后的装置可达到19mm的振动幅值，而0度时该装置的振动幅值为12mm。
本发明通过改变曲面结构的位置从而调节系统的势能曲线，使得悬臂梁在不同激发能级下产生大幅振动，可以达到改善采集器采集效率的目的；避免了当环境激励为低激发能级时，因调节外部磁铁距离而造成磁场利用率低的问题；同时该发明的曲面结构6充当了一个非线性“碰撞弹簧”，不仅可以改变调节悬臂梁的刚度，使其微型化后仍保持非线性结构特性，还增加了悬臂梁的疲劳寿命，使其达到“永久化”的供电模式。
实施例2
本实施例为非对称调节模式实施例，即调节旋转结构后本装置为非对称的结构。
见图1，一种具备可调节刚度功能的悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，包括能量采集装置、调节控制装置和端部约束装置。由上梁1，外部磁铁2，内部磁铁3，悬臂梁4，压电材料5，曲面结构6，蜗轮结构7，下梁8、固定端9和蜗杆结构10组成。
能量采集装置包括上梁1，外部磁铁2，内部磁铁3，悬臂梁4，压电材料5；上梁1的两端以悬臂梁4为轴对称固定有2个外部磁铁2，外部磁铁2为两块极性相同的铷铁硼永磁体NdFe35(20×10×10mm3)，其质心间距d＝31mm；悬臂梁4为铍青铜制成的矩形悬臂梁(126×15×0.5mm3)，其上端对称固定有充当惯性质量的内部磁铁3，内部磁铁3为两个极性相同的铷铁硼永磁体NdFe30(15×6×6mm3)，外部磁铁2和内部磁铁3的质心距h＝11mm；悬臂梁4的纵向方向粘贴有压电材料5，压电材料5(100×10×0.3mm3)采用柔韧性好、重量轻的M8507P2压电复合材料。
调节控制装置包括关于悬臂梁4非对称的曲面结构6、蜗轮结构7和蜗杆结构10，非对称的曲面结构6与蜗轮结构7中部的齿状结构啮合连接，所述蜗轮结构7铰接于下梁8。见图3，曲面结构6采用铝合金材质，其曲线接触面的曲率沿其x轴的长度变化从而改变结构的本质非线性，曲面结构6两侧的截面参数为曲面结构6两侧的末端圆环外径R＝4mm、2mm。见图2，每个曲面结构6上均设有圆形齿状结构6-1和圆形齿状结构6-2。
见图4，端部约束装置由下梁8和固定端9构成，下梁8为2块关于悬臂梁4对称的铝合金梁(45×20×12mm3)，悬臂梁4的下端与下梁8通过固定端9两侧的螺栓孔9-1紧固连接，下梁8与上梁1固结在亚克力板上；
见图5，蜗轮结构7为两个关于上述悬臂梁4非对称分布的齿轮轴结构，两个齿轮轴通过上端的齿轮相互啮合，上端接触齿轮的半径比为2:1，并固定于下梁8中的两个非对称的圆柱孔内，蜗轮结构7中部的齿状结构与曲面结构6中的圆形齿状结构6-1和圆形齿状结构6-2内部齿咬合连接，由此带动曲面结构6的旋转。蜗轮结构7通过一侧的齿状结构7-1与蜗杆结构10连接。通过调节蜗杆结构10的正反转来控制曲面结构6的旋转与闭合，当顺时针转动蜗杆结构10时，曲面结构6可以张开；反之，曲面结构6闭合。利用“自锁原理”，当蜗杆结构10停止旋转时依靠与蜗轮结构7之间的巨大摩擦阻力产生“自锁”现象，此时无论悬臂梁碰撞的冲击力多大，曲面结构6都不会转动，从而使得曲面结构6达到固定的目的。
当外界激励发生变化时，通过微调旋转蜗杆结构10的角度改变曲面结构6的位置，从而可以改变采集器的势能曲线。由于蜗轮结构7两侧齿轮轴上端接触咬合齿轮的半径比为2:1，使得微调蜗杆结构10的角度后曲面结构6的变化度数为1:2，即达到非对称调节的目的；
微调蜗杆结构10的角度，当蜗轮结构7中大齿轮转动1度后，对应小齿轮的转动角度为2度，该采集器调节角度后的势能曲线如图8所示；从图中可以看出，当环境中的激励能级在1mJ内梯度变化时，该非对称调节模式可以达到优于对称调节模式的效果。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，其特征在于，包括能量采集装置、调节控制装置和端部约束装置；所述能量采集装置由上梁(1)、外部磁铁(2)、内部磁铁(3)、悬臂梁(4)和压电材料(5)组成，所述悬臂梁(4)的上端对称固定有充当惯性质量的N个内部磁铁(3)，N≥1，所述悬臂梁(4)的侧面粘贴有压电材料(5)，所述上梁(1)的两端以所述悬臂梁(4)为轴对称固定有M个外部磁铁(2)，M≥2；
所述端部约束装置由下梁(8)和固定端(9)构成，所述悬臂梁(4)的下端与所述下梁(8)通过固定端(9)紧固连接，所述下梁(8)通过连接板与所述上梁(1)连接；
所述调节控制装置包括对称的曲面结构(6)、蜗轮结构(7)和蜗杆结构(10)，所述对称的曲面结构(6)与上述的蜗轮结构(7)啮合连接，蜗轮结构(7)铰接于下梁(8)，所述蜗杆结构(10)固定于下梁(8)的上表面，所述悬臂梁(4)的形状为矩形梁、三角形梁或梯形梁其中的一种，所述内部磁铁(3)和所述外部磁铁(2)为永磁铁或电磁铁材料制作的矩形结构。
2.根据权利要求1所述一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，其特征在于，所述压电材料(5)是占所述悬臂梁(4)纵向4/5长度的矩形压电陶瓷材料或压电薄膜材料，单侧或对称粘贴于所述悬臂梁(4)的侧面。
3.根据权利要求1所述一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，其特征在于，所述曲面结构(6)为关于悬臂梁(4)对称分布的结构，曲面结构(6)与悬臂梁(4)构成了一个非线性弹簧；曲面结构(6)中曲线的函数满足以下关系：其中L是曲面截面在x方向的长度，D是x＝L时曲面截面与未变形悬臂梁(4)之间的垂直距离，N为大于2的整数。
4.根据权利要求1所述一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，其特征在于，所述蜗轮结构(7)为关于悬臂梁(4)两侧分布的相互咬合接触的装置，可实现同时调节曲面结构(6)；蜗轮结构(7)两侧咬合接触齿轮的半径比可调，可实现初始对称的曲面结构(6)调节角度后为不对称结构。
5.根据权利要求1所述一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，其特征在于，所述曲面结构(6)上设有与所述蜗轮结构(7)啮合连接的圆形齿状结构；所述下梁(8)上设有与所述蜗轮结构(7)相互铰接的圆柱孔。
6.根据权利要求1所述一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，其特征在于，所述下梁(8)对称分布于所述悬臂梁(4)两侧，并通过所述固定端(9)两侧的螺栓孔(9-1)固接。
7.根据权利要求1所述一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，其特征在于，所述蜗杆结构(10)并通过齿状结构与蜗轮结构(7)齿合连接。
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