CN110365250B - 一种被动自适应调谐振动能量收集装置 - Google Patents

Abstract

一种被动自适应调谐振动能量收集装置，属于机械振动能量收集领域。本发明悬臂梁以一定的倾斜角度固定在基础结构一侧，悬臂梁自由端固定悬臂梁磁铁，与悬臂梁磁铁对应位置的基础结构上固定基础结构磁铁，悬臂梁载有自由滑块，悬臂梁固定端贴有压电元件，压电元件与负载电路相连。本发明通过非线性渐硬的悬臂梁可以将振子的共振频率向高频拓宽；通过自由滑块的滑动可以帮助非线性悬臂梁抓住高能量轨道，并且具有抗干扰的能力；通过完全被动的机械方式来实现了自适应的调频，调节方式相对于传统机械调节方式更加智能，相对于电路控制的调节方式更加经济节能、简易和稳定；通过调节不同的梁的长度和磁铁的间隙可以适用于不同的频段。

Description

一种被动自适应调谐振动能量收集装置

技术领域

本发明属于机械振动能量收集领域，具体涉及一种被动自适应调谐振动能量收集装置。

背景技术

振动能量又是一种广泛存在的可观的机械能，通过振动能量收集装置，可以将机械能转化为电能，为微电子器件供电，从而更好的实现远程无线传感和信息交互，特别是针对一些偏远环境、极端环境和难以更换电池的环境下，这种自供能的设备更具有优势。

在振动能量收集研究领域，最为首要的就是通过振子，将环境中的能量传递到能量转化设备上。而外界环境振动频率往往是复杂多变的，线性振子很明显不能高效的完成这种能量传递。另外，主动调频的方法需要消耗大量的能量，这显然与收集能量的目的背道而驰。因此只能寄希望于被动调谐，其中非线性振子，由于回复力与位移之间的非线性关系，可以有效的扩展工作频率范围。但是，非线性振子在某些频率激励时，可能存在多个能量轨道，只有处于高能量轨道上时，才能使得其具有较大的振幅，从而达到较好的振动能量传递效果。而振子振动处于哪一个能量轨道主要取决于振子振动的初始状态和激励幅值。能够被动自适应调谐装置更加有利于能量收集，一方面，其被动调节方式，不会额外消耗能量，另一方面，自适应的调谐，使得振子在较宽的频带拥有较高的能量传递效率。但是其设计的难度也大大增加。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种被动自适应调谐振动能量收集装置。

为实现上述目的，一种被动自适应调谐振动能量收集装置，其结构包括基础结构1、负载电路2、悬臂梁4、自由滑块5、悬臂梁磁铁6、基础结构磁铁7、压电元件9，所述基础结构1为凹型槽结构，基础结构1通过安装孔8固定在振动机械上，所述悬臂梁4以倾斜角度固定在所述基础结构1一侧，悬臂梁4的自由端高于固定端，悬臂梁4自由端固定所述悬臂梁磁铁6，与悬臂梁磁铁6对应位置的基础结构1上固定所述基础结构磁铁7，悬臂梁4载有所述自由滑块5，悬臂梁4固定端贴有所述压电元件9，压电元件9与所述负载电路2相连。

所述悬臂梁磁铁6与所述基础结构磁铁7的同性磁极相对，悬臂梁磁铁6与基础结构磁铁7的距离为磁铁产生斥力的范围内，悬臂梁磁铁6与基础结构磁铁7为永久磁铁。

所述悬臂梁4固定端安装有橡胶阻挡块3。

所述自由滑块5为非铁磁材料，自由滑块5通过内嵌轴承与所述悬臂梁4接触，自由滑块5通过自由滑块5的安装孔调节附加质量。

所述悬臂梁4的长度可调，所述悬臂梁磁铁6与所述基础结构磁铁7的间隙可调。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种被动自适应调谐振动能量收集装置，通过非线性渐硬的悬臂梁可以将振子的共振频率向高频拓宽；通过自由滑块的滑动可以帮助非线性悬臂梁抓住高能量轨道，并且具有抗干扰的能力；通过完全被动的机械方式来实现了自适应的调频，调节方式相对于传统机械调节方式更加智能，相对于电路控制的调节方式更加经济节能、简易和稳定；通过调节不同的梁的长度和磁铁的间隙可以适用于不同的频段。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明实验装置图。

图3为本发明在自适应调谐过程中滑块的移动轨迹图。

图4为本发明在自适应调谐过程中悬臂梁自由端的位移响应。

图5为本发明在自适应调谐过程中负载电阻两端的电压。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

一种被动自适应调谐振动能量收集装置结构如图所示图1。该发明是一种基于悬臂梁4 的振子，悬臂梁的固定端由紧固螺栓与基础结构1形成固支，并且使得悬臂梁与水平成一定的角度，该角度的大小为θ，从而使得悬臂梁的自由端稍稍高于固定端。在该发明悬臂梁的自由端有一个悬臂梁磁铁6作为端部质量，另一块相同的基础结构磁铁7固定在基础上并与悬臂梁磁铁6磁极相对，从而使得悬臂梁磁铁6与基础结构磁铁7之间产生斥力。通过调节悬臂梁磁铁6与基础结构磁铁7之间的距离可以改变相互斥力的大小，从而实现悬臂梁振子渐硬非线性的特性。而自由滑块5由轴承组装而成，与梁的表面形成线接触，可以自由的在梁上滑动，由于比较光滑，当梁静止时，即使θ很小，滑块也可以从自由端滑向固定端。为了避免自由滑块破坏固定端的压电元件9，在梁上设置了一个可以调节位置的橡胶阻挡块3。基础结构1上的安装孔8是用于该振子便于安装应用与不同的设备。当该发明振子处于静止状态时，滑块处于橡胶阻挡块3处，梁静止于平衡位置。当外部设备振动时，基础结构1受到激励，在激励处于一定的频率范围时，悬臂梁会具有较大的振幅，此时滑块受到惯性力的作用，并可以从阻挡块处滑向自由端。自由滑块的滑动改变了整个结构的质量分布，从而实现了调谐的作用，而且滑块的滑动也可以帮助非线性悬臂梁抓住高能量轨道，使得悬臂梁的振幅进一步增大。悬臂梁大振幅的振动也为滑块提供了较大的惯性力，可以使得滑块能够保持在较高位置的自由端。但是这种状态是不稳定的，当受到外界干扰时，非线性悬臂梁会直接跳跃到低能量轨道，此时振幅急剧减小，同时，滑块所受到的惯性力也会不足以抵消重力在斜面上的分量，于是滑块会从由自由端向固定端方向滑动，在到达阻挡块之前，存在一个确定的位置，非线性梁会产生向上跳跃现象，使得悬臂梁重新获得一个较大的振幅，而滑块就又会从固定端滑向自由端，悬臂梁又会重新抓住高能量轨道并保持较大的振幅振动。如此就可以在一定的频率范围实现自适应的调频，使得能量收集装置始终都能够抓住高能量轨道，保持较高的能量转换效率。

优选的，自由滑块内嵌轴承，减小滑动摩擦的阻力。

优选的，自由滑块的轴承应选择尼龙或者铜等非铁磁的材料，以防止自由端磁铁对滑块滑动产生影响。

优选的，自由滑块的质量大小可以通过滑块上下的安装孔来调节附加质量。

优选的，梁的长度、悬臂梁磁铁6和基础结构磁铁7的间隙可以通过调节来改变自适应调频的范围。

优选的，在滑块能够自发的从静止的梁的自由端滑向固定端时，倾斜角度θ越小越好。

优选的，通过基础上的安装孔8用螺纹连接将该装置安装在振动结构上。

本发明所述的一种被动自适应振子，为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

结合图1说明，基础结构1的设计并不是完全竖直的，这样就使得安装在该基础平面上的悬臂梁4与水平成一定的倾斜角度θ。在固定端，通过螺栓的紧固连接，形成悬臂梁的固支。倾斜角θ的大小选择应在能够使滑块由较高位置向较低位置移动为宜，倾斜角的选择越小越好。在悬臂梁的自由端，固定安装有一块悬臂梁磁铁6，磁铁的磁极表面与梁保持垂直。另一块基础结构磁铁7固定在基础上，该磁铁的磁极与悬臂梁自由端的磁极同极相对，并且保持磁极表面与悬臂梁自由端磁极表面平行相对。梁的长度和两个磁铁的间隙可以调节至一个合适的大小。橡胶阻挡块3是一块具有弹性的轻质橡胶，橡胶圈紧绕在悬臂梁上，当滑块处在静止的梁上时，橡胶阻挡块3可以防止滑块滑到最末端。

图2为该发明结构的实验探究，图1结构中的被动自适应调谐振动能量收集装置安装在激振器上，激振器的激励大小为0.3g，频率为23Hz。加速度传感器粘贴在结构基础上，用来测量结构的加速度反馈给控制器，以用来维持激振器的稳定输出。悬臂梁自由端的振幅和滑块所处的位置分别用两个激光位移传感器测量，测量结果由数据采集仪处理和记录。该实验中，压电片连接的电路简化为一个纯电阻电路(阻值100千欧)，电阻两端的电压用数据采集仪测量并记录。

图3、图4和图5是实验的结果，分别是相同时间下，滑块位置的变化情况、悬臂梁自由端振动位移的响应和负载电阻两端的电压。结合3个图的调谐结果来阐述该发明中自适应调谐的机理，当外部设备振动时，滑块的初始位置为梁的自由端，基础结构1受到激励后，由于梁的非线性作用，并且梁的初始状态为零，梁的振幅很小，处于低能轨道的振动状态。此时滑块受到重力的作用，开始由自由端(归一化位置1)滑向固定端(归一化位置0)处滑动，当滑到中间确定的位置(归一化位置0.65)时，非线性梁产生向上跳跃现象，获得较大的振幅。同时这个增大的振幅为滑块提供了足够大的惯性力，使得滑块的移动方向反向，滑块移向自由端方向，直至被自由端磁铁挡住。此时梁的振动也大大放大，完成了调谐。

悬臂梁大振幅的振动也为滑块提供了较大的惯性力，可以使得滑块能够保持在较高位置的自由端。但是这种状态是不稳定的，当受到外界干扰时(t＝16.5秒时对系统加干扰)，非线性悬臂梁会直接跳跃到低能量轨道，此时振幅急剧减小，同时，滑块所受到的惯性力也会不足以抵消重力在斜面上的分量，于是滑块会从由自由端向固定端方向滑动，在到达阻挡块之前，存在一个确定的位置(0.65)，使得悬臂梁再次重新获得一个较大的振幅，而滑块就又会从固定端滑向自由端，悬臂梁又会重新抓住高能量轨道并保持较大的振幅振动。如此就可以实现在一定的频率范围实现自适应的调频，使得悬臂梁振子始终都能够抓住高能量轨道。

最终实验结果显示，该发明可以达到自适应调谐的功能，使得振动能量收集装置的电压输出保持在峰峰值约为50V。具有很高的输出功率。

本发明所述的滑块质量、悬臂梁尺寸、磁铁特性、压电片特性都是可选的，具体的大小，应该针对该发明所述的一种被动自适应调谐振动能量收集装置的应用场合来考量和优化，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

实施例2

一种被动自适应调谐振动能量收集装置，用以振动能量收集领域，相斥布置的悬臂梁磁铁6和基础结构磁铁7分别固定在悬臂梁4的自由端和基础结构1上，适当调节的其间距，可以形成渐硬非线性的悬臂梁。悬臂梁以一定倾斜角度的方式安装在基础结构上，在悬臂梁的固定端贴有压电元件9，在梁振动时，压电元件可以将机械能转化为电能，并为负载电路2 供电。悬臂梁上载有一个可以自由滑块5，为了使滑块能够自由滑动，滑块内含4个小轴承形成点接触，滑块的滑动方向取决于悬臂梁的振幅和滑块所处的位置。通过滑块的移动，改变结构的质量分布，从而达到调谐的目的，由于整个调谐的过程完全是机械式的，自由滑块没有受到外力的作用，所以是完全的被动的自适应调谐。在静止状态时，滑块被橡胶阻挡块 3阻挡，避免滑到最低端。整个能量收集装置可以通过安装孔8安装在振动机械上。

所述能量收集装置由非线性压电悬臂梁和自由滑块组成，非线性悬臂梁中的非线性是由两个磁极相对的磁铁产生斥力而产生的。

所述的非线性悬臂梁的安装并不是沿着梁的中性面水平安装，而是与水平成一定夹角，使得自由端的高度要稍稍高于固定端，在静止状态下，滑块可以顺畅的由较高的自由端滑向固定端。

所述滑块是可以自由滑动的，而且为了减小滑块与梁之间的滑动阻力，滑块内嵌有轴承。

在被动自适应调谐振动能量收集装置中，悬臂梁与水平成一定倾斜夹角安装，使得自由端要稍高于固定端，两块磁铁则以同极相对的方式分别安装在悬臂梁的自由端和基础结构上，两个磁铁之间的斥力使得悬臂梁的回复力与位移之间的关系呈非线性关系。通过调节两个磁铁之间的距离，可以使悬臂梁获得渐硬单稳态非线性。而自由滑块可以在梁上自由地滑动，其位置的改变将影响整个结构的质量分布。悬臂梁的固定端贴有压电层，可以将梁振动的机械能转化为电能。在渐硬非线性梁的高能轨道与低能轨道并存的频率范围，当非线性悬臂梁处于低能量轨道时，由于重力占主导作用，滑块会在倾斜的梁上从自由端滑向固定端，梁的固有频率会增加；而当悬臂梁在较大幅振动时，滑块则会在惯性力的作用下克服沿梁方向的重力，然后从固定端滑向自由端，使得梁能够在非线性高能量轨道上振动，其振动振幅则进一步放大。该振动能量收集装置在一定的频率范围内可以实现自适应的调谐，始终保持大幅振动，并且完全是以被动的方式完成调节，不会消耗额外的能量。

Claims (1)

1.一种被动自适应调谐振动能量收集装置，其特征在于：包括基础结构(1)和悬臂梁(4)；所述的基础结构(1)为凹型槽结构，由底部平台、左侧壁和右侧壁组成，在底部平台上开设有安装孔(8)，基础结构(1)通过安装孔(8)固定在振动机械上；所述的悬臂梁(4)的固定端与基础结构(1)的左侧壁形成固支，悬臂梁(4)与水平成θ角度，从而使悬臂梁(4)的自由端高于固定端，在悬臂梁(4)的自由端安装有悬臂梁磁铁(6)；所述的基础结构(1)的右侧壁顶部安装有基础结构磁铁(7)；所述的基础结构磁铁(7)与悬臂梁磁铁(6)磁极相对；通过调节悬臂梁磁铁(6)与基础结构磁铁(7)之间的距离，改变悬臂梁磁铁(6)与基础结构磁铁(7)之间的斥力大小，从而实现悬臂梁振子渐硬非线性的特性；所述的悬臂梁(4)上设有压电元件(9)和自由滑块(5)；所述的压电元件(9)安装在悬臂梁(4)固定端，压电元件(9)与负载电路(2)连接，在悬臂梁(4)振动时，压电元件(9)将机械能转化为电能并为负载电路(2)供电；所述的自由滑块(5)与悬臂梁(4)表面形成线接触，可以自由的在悬臂梁(4)上滑动；当悬臂梁(4)静止时，自由滑块(5)将从悬臂梁(4)的自由端滑向固定端，为避免自由滑块(5)破坏压电元件(9)，在悬臂梁(4)上设有可以调节位置的阻挡块(3)。

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