CN110912458B - 一种低速微风致振动能量收集器的整流分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整流分析方法，具体涉及一种振动能量收集器的整流分析方法，包括以下步骤：S10、建立低速微风致振动能量收集器的悬臂梁结构动力学特性模型；S20、对动力学模型进行分析，确定悬臂梁结构的固有频率、尺寸和材料参数；S30、组建低速微风致振动能量收集器；S40、将输出的电压通过整流电路进行全波整流；S50、对全波整流的电压值进行采集并上传至电脑存储；S60、将采集数据使用数学软件展现电压变化；S70、基于电压变化，分析风能、机械能和电能三种能量相互耦合特性。本发明的整流分析方法能够得到柔性的风致振动结构在低速风的激励下，风能、机械能和电能三种能量相互耦合的特性，为微机电系统超低压供电研究提供理论依据与实验参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种整流分析方法，具体涉及一种振动能量收集器的整流分析方法。
背景技术
随着现代电子技术发展越来越快，电路系统变的越来小型化、集成化，促进了微机电系统（比如微传感器、MEMS隐形眼镜，胶囊内镜、智能终端）的应用在各领域（医疗、军事、消费电子等）朝着“轻、薄、短、小”的特点的发展。现在这些微机电系统设备传统的供电方式有聚合物电池，其特点有续航时间短、成本高，甚至会对周边环境造成巨大的污染，这将进一步会影响微机电系统在各领域更广泛应用。
近些年来，各种形式的能量收集受到国内外研究者越来越多的关注，有太阳能、机械能、流体动能等等，其中风能是一种清洁的可再生能源，在周围环境中广泛存在的，特别是低速型的微风。微型风能收集应用是为微小型的自供能系统供电，将风致振动结构和振动能量收集材料结合在一起，形成基于风致振动效应的风能收集器，把流体动能转化为机械能，再转化为电能。现有技术中对振动能量收集器的研究较多，对能量转换的研究较少，目前还没有针对低速微风致振动结构能量收集器的风能、机械能和电能三种能量之间的耦合特性分析方法。
因此，急需一种针对低速微风致振动结构能量收集器的风能、机械能和电能三种能量之间的相互耦合特性分析方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种针对低速微风致振动结构能量收集器的风能、机械能和电能三种能量之间的相互耦合特性分析方法，发明的内容如下：
一种低速微风致振动能量收集器的整流分析方法，所述低速微风致振动能量收集器包括悬臂梁结构、压电片和整流电路，所述低速微风致振动能量收集器的整流分析方法包括以下步骤：
S10、建立低速微风致振动能量收集器的悬臂梁结构动力学特性模型；
S20、对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行分析，确定悬臂梁结构的固有频率、尺寸和材料参数；
S30、根据悬臂梁结构的固有频率、尺寸和材料参数，组建低速微风致振动能量收集器；
S40、将所述低速微风致振动能量收集器中所述压电片输出的电压通过整流电路进行交流转直流的全波整流；
S50、通过电压数据采集卡对全波整流的电压值进行采集并上传至电脑存储；
S60、将电脑接收的电压采集数据使用数学软件展现电压变化；
S70、基于所述电压变化，分析所述低速微风致振动能量收集器在微风激励下风能、机械能和电能三种能量之间相互耦合特性。
进一步地，步骤S20包括以下步骤：
S21、对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行受力分析；
S22、根据所述悬臂梁结构动力学特性模型的受力分析结果进行数学建模，得到数学模型；
S23、对所述数学模型进行分析，得到所述悬臂梁的固有频率、尺寸和材料参数。
进一步地，步骤S21对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行受力分析，包括对所述悬臂梁结构的外力与内力分析。
进一步地，步骤S21中将所述悬臂梁结构动力学特性模型简化为模态为一阶的悬臂梁。
进一步地，对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行受力分析，包括悬臂梁的振动响应特性分析。
进一步地，所述悬臂梁的振动响应特性是强迫振动。
进一步地，步骤S22采用牛顿第二定律进行数学建模。
进一步地，步骤S22中采用牛顿第二定律进行数学建模步骤如下：在悬臂梁长度方向取微小段ds,利用牛顿第二定律，对悬臂梁建立力学方程：
由剪力与弯矩的关系，悬臂梁力学方程公式可简化为
长度方向的伸长量
为
因此，长度方向的应力表达为
其中E为悬臂梁的杨式模量；
则悬臂梁轴力为
悬臂梁弯矩为
悬臂梁的挠度为
其中，
为振型 ，
为广义坐标；
综上公式，得出
其中，
, 
, 
；
结合压电传感方程，得出微分致振动能量收集器的动力学方程为
其中， 
是压电系数，
是压电材料的电容, 
是负载电阻，f(t)是风力，V是电压，q是广义坐标代表是机械能的。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种低速微风致振动能量收集器的整流分析方法，通过本发明的整流分析方法能够得到柔性的风致振动结构在低速风的激励下，其内部的风能、机械能和电能三种能量相互耦合的特性，从而为微机电系统超低压供电研究提供理论依据与实验参考。此外，本发明应用性强，可用于超低压的供能方式中，对高集成化的微机电系统具有重要价值。
附图说明
图1 低速微风致振动能量收集器结构示意图
图2 低速微风致振动能量收集器装置示意图
图3 悬臂梁结构示意图
图4 悬臂梁微小段
图5 悬臂梁的几何参数与力学性能参数
图6 悬臂梁结构第一阶固有频率
图7 微风测速
图8 全波整流器
图9 压电片输出交流电压
图10 整流后的直流电压
图11 发光二极管发光示意图
具体实施方式
低速微风致振动能量收集器包括悬臂梁结构、压电片和整流电路，低速微风致振动能量收集器结构示意图如图1。
一种低速微风致振动能量收集器的整流分析方法包括以下步骤：
S10、建立低速微风致振动能量收集器的悬臂梁结构动力学特性模型；
S20、对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行分析，确定悬臂梁结构的固有频率、尺寸和材料参数；
S21、对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行受力分析；
S22、根据所述悬臂梁结构动力学特性模型的受力分析结果进行数学建模，得到数学模型；
S23、对所述数学模型进行分析，得到所述悬臂梁的固有频率、尺寸和材料参数。
S30、根据悬臂梁结构的固有频率、尺寸和材料参数，组建低速微风致振动能量收集器；
S40、将所述低速微风致振动能量收集器中所述压电片输出的电压通过整流电路进行交流转直流的全波整流；
S50、通过电压数据采集卡对全波整流的电压值进行采集并上传至电脑存储；
S60、将电脑接收的电压采集数据使用数学软件展现电压变化；
S70、基于所述电压变化，分析所述低速微风致振动能量收集器在微风激励下风能、机械能和电能三种能量之间相互耦合特性。
步骤S21对所述悬臂梁结构动力学特性模型包括对所述悬臂梁结构的外力与内力分析，将所述悬臂梁结构动力学特性模型简化为模态为一阶的悬臂梁。
对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行受力分析，包括悬臂梁的振动响应特性分析。
所述悬臂梁的振动响应特性是强迫振动。
步骤S22采用牛顿第二定律进行数学建模。
Ø对力学分析的低速微风致振动能量收集器进行数学建模
通过对悬臂梁系统进行力学分析，在悬臂梁长度方向取微小段ds, 如图4所示，利用牛顿第二定律，对悬臂梁建立力学方程：
由剪力与弯矩的关系，公式可简化为
长度方向的伸长量
为
因此长度方向的应力表达为
其中E为悬臂梁的杨式模量。
则悬臂梁轴力为
悬臂梁弯矩为
悬臂梁的挠度为
其中，
为振型 ，
为广义坐标；
综上将公式进行整合，得出
其中，
, 
, 
.
最后结合压电传感方程，得出微分致振动能量收集器的动力学方程为
其中， 
是压电系数，
压电材料的电容, 
是负载电阻，f(t)是风力，V是电压，通过q, V能量耦合，q是广义坐标代表是机械能的。
实验室测试实施例1
Ø 对建立的低速微风致振动能量收集器数学模型分析，获知悬臂梁等相关参数
本实施例中根据低速微风致振动能量收集器得到悬臂梁结构的固有频率、尺寸和材料参数等分析结果，进行组装低速微风致振动能量收集器的结构如图2，悬臂梁与压电片之间可以采用胶合或键合的形式连接。其微风环境由小风扇提供，小风扇吹出的风力被简化q，风致振动能量收集器被简化为悬臂梁系统，如图3所示。该悬臂梁的力学分析微小段如图4。悬臂梁的第一阶固有频率计算公式为：
其中
，
与
分别为压电材料两端离悬臂梁固定端的距离。下标b代表梁，下标p代表是压电材料，l表示长度，h表示高度，t表示厚度，E表示弹性模量，ρ表示密度，d31表示压电系数。
本发明低速微风致振动能量收集器在微风力的作用下，初始位置为静止状态，计算得出悬臂梁几何参数与力学性能参为图5；根据图5显示结果，智能悬臂梁的材料为铝，悬臂梁为长lb为0.477m，宽hb为0.0305m，厚度tb为0.7×10-3m的条形片状结构，为通过第一阶固有频率计算公式与表1的智能悬臂梁的几何参数与图5中力学性能参数悬臂梁的第一阶固有频率数值仿真为2.581Hz，实验结果为2.637Hz，因此智能悬臂梁的第一阶固有频率约为2.6Hz，如图6所示。
Ø 分析低速微风致振动能量收集器在微风激励下风能和机械能、机械能和电能之间的耦合特性
首先低速微风环境由小风扇提供，如图6，小风扇的风速有三档，由风速计测量，如图2所示，第一档风速为2.48m/s、第二档风速3.16m/s、第三档风速为4.10m/s。而微风的风速为3.4m/s～5.4m/s。因此小风扇第三档为系统提供低速微风环境。小风扇离悬臂梁的距离为10cm，悬臂梁在小风扇的风力作用下发生前后摇摆，此时风能转化为机械能。在摇摆的过程中，悬臂梁的根部产生一个交变的应变。由于应变的应用，悬臂梁根部的压电片由于压电效应产生一个交变电压，此时是机械能转化电能。
Ø 对低速微风能量收集器输出的电压进行交流-直流全波整流；
为了分析使悬臂梁根部压电片产生的交变电压，将压电片与整流电路连接，使交流转变直流。整流电路图如图7所示，四个消特基二极管组成整流电路，使交变电压转变同向电压，再由并联的电容充电处理，使同向电压转换成直流电压，转换前交流电压采集数据如图8和转换后直流电压采集数据图9所示，转换直流电压可以直接供微机电器件使用如图10所示，为全波整流器输出的直流电压可点亮白色发光二极管，输出直流电压值为2.45V。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围的。
Claims (6)
1.一种低速微风致振动能量收集器的整流分析方法，其特征在于，所述低速微风致振动能量收集器包括悬臂梁结构、压电片和整流电路，所述低速微风致振动能量收集器的整流分析方法包括以下步骤：
S10、建立低速微风致振动能量收集器的悬臂梁结构动力学特性模型；
S20、对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行分析，确定悬臂梁结构的固有频率、尺寸和材料参数；
S30、根据悬臂梁结构的固有频率、尺寸和材料参数，组建低速微风致振动能量收集器；
S40、将所述低速微风致振动能量收集器中所述压电片输出的电压通过整流电路进行交流转直流的全波整流；
S50、通过电压数据采集卡对全波整流的电压值进行采集并上传至电脑存储；
S60、将电脑接收的电压采集数据使用数学软件展现电压变化；
S70、基于所述电压变化，分析所述低速微风致振动能量收集器在微风激励下风能、机械能和电能三种能量之间相互耦合特性；
步骤S20包括以下步骤：
S21、对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行受力分析；
S22、根据所述悬臂梁结构动力学特性模型的受力分析结果进行数学建模，得到数学模型；
S23、对所述数学模型进行分析，得到所述悬臂梁的固有频率、尺寸和材料参数。
2.根据权利要求1所述的整流分析方法，其特征在于，步骤S21对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行受力分析，包括对所述悬臂梁结构的外力与内力分析。
3.根据权利要求1所述的整流分析方法，其特征在于，步骤S21中将所述悬臂梁结构动力学特性模型简化为模态为一阶的悬臂梁。
4.根据权利要求3所述的整流分析方法，其特征在于，对所述悬臂梁结构动力学特性模型进行受力分析，包括悬臂梁的振动响应特性分析。
5.根据权利要求4所述的整流分析方法，其特征在于，所述悬臂梁的振动响应特性是强迫振动。
6.根据权利要求1所述的整流分析方法，其特征在于，步骤S22采用牛顿第二定律进行数学建模。
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112491297B (zh) * | 2020-11-23 | 2021-09-07 | 杭州电子科技大学 | 一种基于风致振动的压电-电磁耦合能量收集装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130276175A1 (en) * | 2011-08-15 | 2013-10-17 | William P. King | Magnetic Actuation and Thermal Cantilevers for Temperature and Frequency Dependent Atomic Force Microscopy |
| CN103812382A (zh) * | 2013-11-07 | 2014-05-21 | 西安交通大学 | 一种宽频带压电能量俘获系统的非线性建模方法 |
| CN106055797A (zh) * | 2016-06-01 | 2016-10-26 | 西安交通大学 | 一种非线性宽频压电能量俘获系统建模及参数辨识的方法 |
| CN207798367U (zh) * | 2018-01-25 | 2018-08-31 | 广州大学 | 一种用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统 |
| CN109787492A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-05-21 | 北京工业大学 | 一种用于振动能量采集器的开关电感整流电路及方法 |
| US20190341836A1 (en) * | 2015-09-28 | 2019-11-07 | The Curators Of The University Of Missouri | Device for Generating Electrical Power From Low Frequency Oscillations |
-
2019
- 2019-12-20 CN CN201911327686.4A patent/CN110912458B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130276175A1 (en) * | 2011-08-15 | 2013-10-17 | William P. King | Magnetic Actuation and Thermal Cantilevers for Temperature and Frequency Dependent Atomic Force Microscopy |
| CN103812382A (zh) * | 2013-11-07 | 2014-05-21 | 西安交通大学 | 一种宽频带压电能量俘获系统的非线性建模方法 |
| US20190341836A1 (en) * | 2015-09-28 | 2019-11-07 | The Curators Of The University Of Missouri | Device for Generating Electrical Power From Low Frequency Oscillations |
| CN106055797A (zh) * | 2016-06-01 | 2016-10-26 | 西安交通大学 | 一种非线性宽频压电能量俘获系统建模及参数辨识的方法 |
| CN207798367U (zh) * | 2018-01-25 | 2018-08-31 | 广州大学 | 一种用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统 |
| CN109787492A (zh) * | 2019-02-28 | 2019-05-21 | 北京工业大学 | 一种用于振动能量采集器的开关电感整流电路及方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于颤振机理的微型压电风致振动能量收集器基础理论与关键技术;赵兴强;《重庆大学博士学位论文》;20140918;第8-47页 * |
| 基于风致振动机理的MEMS微型风力发电机结构设计及实验研究;李江;《重庆大学硕士学位论文》;20130424;全文 * |
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| Publication number | Publication date |
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| GR01 | Patent grant | ||
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