CN110912459A - 一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置，包括底座、压电悬臂梁、套筒、钢球；压电悬臂梁的一端通过刚性固定的方式固定在底座上，另一端自由；套筒固定在梁的自由端，钢球可以在套筒内随着梁的振动而上下跳动；本发明提出的教学用碰撞式能量采集装置可以有效的提高传统悬臂梁的输出功率，高效的采集环境中的微小振动，为低功耗的体验式教学设备提供低品位能量，在低功耗的体验式教学设备领域有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于体验式教学设备和可再生能源领域，特别涉及到利用钢球碰撞现象提高压电悬臂梁式能量采集装置的输出电功率和能量转化率。
背景技术
随着信息科技的不断发展，先进的教育理念在科技的带动下发展势头也非常迅猛。在新时代下，新的教育思想和观念的冲击下，传统的教学模式、教学设备逐渐发生了新变化，新型的互动式教学模式、教学设备已开始崭露头角，占据了教育装备的一席之地。现在互动式教学是学校目前较为推崇的教学方式，逐渐替代了传统的教学模式。互动式教学更注重培养学生自主学习的能力，让学生真正参与到课堂教学中来，从而可以提高学生在课堂上的学习效率。
教育模式的转变也为教学设备的革新带来了新的契机，传统的教学设备的供电模式主要有电池供电和电源供电。对于电池供电来说，电池的容量有限，寿命短，电量耗尽的时间未知，并且对于那些长久不用的设备，里边的电池还会腐蚀设备，对于废弃电池的处理也很麻烦。而对于电源供电来说，常常需要在教室里通过外接插板方式对设备进行供电，这种暴露在外的线缆插座不仅有很大的安全隐患，而且影响教室的美观。因此对于体验式教学设备供电问题的研究有很大的价值。
振动能在环境中广泛存在，利用压电材料将环境中的振动能转化为电能为微机电设备和无线传感节点供电在国内外得到了广泛的研究，其中，悬臂梁式结构的压电能量采集器较为常见，但是，传统的悬臂梁加质量块固定结构的能量采集器输出电功率较低，能量采集器频响范围小，转化的振动能有限，为了提高压电悬臂梁结构的能量采集器的电压输出，有很多专家学者提出基于碰撞振动的能量采集装置。
发明内容
为了解决上述问题，为了更好地发挥碰撞振动的电能采集效率，本发明提出一种带套筒的垂直碰撞振动的悬臂梁能量采集器。
为了解决上述问题，本发明提供一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置主要由底座、压电悬臂梁、套筒、钢球组成；压电悬臂梁一端固定在底座上，另外一端自由振动，套筒固定在自由端，钢球可以在套筒内自由跳动；该采集装置在使用时，会随着使用者的运动而产生振动，压电悬臂梁会在外界激励下产生受迫振动，当梁末端套筒的振动加速度大于钢球的重力加速度时，钢球就会脱离压电梁向上做匀减速运动，加速度大小为g，方向向下，当钢球上升到最高位置时，速度变为0，随即又做自由落体运动，当钢球再次接触到梁的末端时，钢球把部分动能传递给悬臂梁，此时受到钢球冲击作用的悬臂梁在强迫振动的基础上发生自激振动，压电悬臂梁上的压电薄膜受到的应力发生变化，在两电极间产生电势差，实现了振动能向电能的转化；相比于无球悬臂梁的振动响应，增加了一个自由响应的振动，拓宽了振动响应的频率范围，从示波器中可以看出这两种能量采集器所产生电压的差异，可以进一步制作的原理样机的实验结果进行对比。
与传统悬臂梁式能量采集器相比，本发明中压电梁的振动激励由两部分构成，分别是环境中的振动激励和钢球下落时碰撞产生的激励。
利用使用者手持振动或环境传递到底部支座的振动激励和钢球对梁碰撞产生的激励驱动压电梁振动，PVDF压电薄膜将振动能转化为电能，为教学设备供电。
引入了自由跳动的钢球，增大了压电悬臂梁的变形，拓宽了采集器的频响范围，提高了输出电功率。
本发明的技术方案如下：一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置，包括压电悬臂梁，压电悬臂梁的一端为固定端，压电悬臂梁的另一端设置有被动振动激励装置。
本发明提供的体验式教学用碰撞振动能量采集装置，还具有以下技术特征：
进一步地，所述的压电悬臂梁安装被动振动激励装置的一端为自由端。
进一步地，所述的被动振动激励装置由套筒和碰撞质量块组成，碰撞质量块设置在套筒内。
进一步地，所述的压电悬臂梁由薄板、压电薄膜组成，压电悬臂梁的一端固定在底座上，所述的压电悬臂梁梁另一端为自由端且其上方所述的被动振动激励装置。固定方式可以为胶粘、螺栓固定、螺钉固定、焊接或者其它金属构件的刚性固定方式。其中压电悬臂梁的一端固定和底座之间采用螺栓固定方式可以采用一个或两个螺栓进行固定，也可以增加垫板的方式，保障两者之间为刚性固定即可。
进一步地，所述的压电悬臂梁的固定端设置有底座，这样本发明创造可以通过底座吸收环境中的振动，进而通过压电悬臂梁吸收采集振动能量。
进一步地，所述的碰撞质量块为钢球。
进一步地，所述的薄板为FR-4材质。
进一步地，所述的压电薄膜为PVDF型。
进一步地，被动振动激励装置可以为如下的其它振动输入源：压缩弹簧组成的振动源激励装置，拉伸弹簧组成的振动源激励装置，电机带动的往复运动激励装置，或者磁性互斥或互吸的振动源装置。
本发明具有如下有益效果:结合具体技术手段来说有如下几点：
相比较无球压电悬臂梁能量采集装置，本发明具有以下特点：
1、本发明提出的利用钢球与压电复合梁碰撞发电的方法，通过引入一个自由跳动的钢球，可以将钢球的重力势能转化为下落过程中的动能，在和悬臂梁碰撞的瞬间又将动能转化为梁的弯曲势能，所以梁在外界激励作用下发生强迫振动得同时，又在钢球的碰撞作用下发生自激振动，梁的弯曲变形增大，压电薄膜受到的应力变化增大，进而能够产生更大的电功率输出。
2、本发明中在压电悬臂梁自由端增加了一个套筒，钢球只能在套筒内沿着竖直方向跳动，限制了钢球左右跳动，保证钢球不会跌落在梁外，落点始终在梁的末端，能够对梁形成持续的冲击。
3、本发明中压电悬臂梁采用一端固定，一端自由振动的方式，减小了整个装置的刚度，梁能够发生更大的变形。此外还可以通过改变钢球的质量、悬臂梁的伸长量以及在悬臂梁自由端增加配重质量块来改善装置的发电特性。
4、将本发明中的碰撞式能量采集装置应用在低功耗体验式教学设备中，能够更好的感知外界的微小振动，压电梁在外界振动和钢球碰撞的双重作用下能够发生更大的变形，产生更多的电量为使用中的教学设备供电，提高设备的可靠性和教学效率，在低功耗教学设备领域有着广泛的应用前景。
5、本发明中的被动振动激励装置可以为如下的其它振动输入源：压缩弹簧组成的振动源激励装置，拉伸弹簧组成的振动源激励装置，电机带动的往复运动激励装置，或者磁性互斥或互吸的振动源装置；类型广泛，组合方便，而且效果好。
附图说明
图1为本发明实施例的一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置的立体图；
图2为本发明实施例的一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置的俯视图；
图3为本发明实施例的一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置的无球悬臂梁能量采集装置的输出电压波形图；
图4为本发明实施例的一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置的有球悬臂梁能量采集装置的输出电压波形图；
图5为本发明实施例的一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置的立体图。
图6为本发明实施例的一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置的立体图。
图中： 1、底座 2、压电薄膜 3、薄板 4、套筒 5、钢球。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1-6所示的一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置，包括压电悬臂梁，压电悬臂梁的一端为固定端，压电悬臂梁的另一端设置有被动振动激励装置。
图1和图5的差异是底座的结构差异，伸出端高出底座，有结构差异，都可以满足本发明创造的使用要求。
图1和图6的差异是底座和压电悬臂梁的安装结构不同，可以采用螺栓固定或者非螺栓固定的刚性固定方式。
本发明创造实施时，首先，悬臂梁在外界激励作用下发生强迫振动得同时，又在被动振动激励装置作用下发生自激振动，梁的弯曲变形增大，压电薄膜受到的应力变化增大，进而能够产生更大的电功率输出。
在本申请的一个实施例中，所述的压电悬臂梁安装被动振动激励装置的一端为自由端，减小了整个装置的刚度，梁能够发生更大的变形。
在本申请的一个实施例中，所述的被动振动激励装置由套筒和碰撞质量块组成，碰撞质量块设置在套筒内，使其在套筒内沿着竖直方向跳动，限制了其左右跳动，保证碰撞质量块不会跌落在梁外，落点始终在梁的末端，能够对梁形成持续的冲击。
在本申请的一个实施例中，所述的压电悬臂梁由薄板、压电薄膜组成，压电悬臂梁的一端通过胶粘或螺栓或其它刚性固定的方式固定在底座上，所述的压电悬臂梁梁另一端为自由端且其上方所述的被动振动激励装置，减小了整个装置的刚度，梁能够发生更大的变形。
在本申请的一个实施例中，所述的压电悬臂梁安装被动振动激励装置的一端还固定连接有阻尼装置，通过示波器可以看到振动的叠加作用和不同的波形曲线，可以展示能量转换过程衰减曲线。
在本申请的一个实施例中，所述的压电悬臂梁的固定端设置有底座，减小了整个装置的刚度，梁能够发生更大的变形。
在本申请的一个实施例中，所述的碰撞质量块为钢球，容易获得，成本低，结构简单。
在本申请的一个实施例中，所述的薄板为FR-4材质，材料成本低，方便实现，结实耐用。
在本申请的一个实施例中，所述的压电薄膜为PVDF型，型号应用简易便捷，转换效率高。
在本申请的一个实施例中，被动振动激励装置可以为如下的其它振动输入源：压缩弹簧组成的振动源激励装置，拉伸弹簧组成的振动源激励装置，电机带动的往复运动激励装置，或者磁性互斥或互吸的振动源装置；可选类型多，方便实现，成本低，有利于展示多种类型的转换能量形式。被动振动激励装置作为激振源，驱动悬臂梁上下振动，当悬臂梁自由端振动加速度大于钢球的重力加速度时，钢球就会和梁分离，先弹起，而后在重力作用下向下冲击碰撞悬臂梁，由此拓宽了采集器的频响范围，增大输出电压。
在本申请的一个实施例中，本发明提供一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置，包括底座1，压电薄膜2，薄板3，套筒4，钢球5；薄板3为FR-4材质，压电薄膜和薄板组成组成压电悬臂梁，压电悬臂梁的一端以螺栓方式固定在底座上，底座的形状为长方体，悬臂梁的另一端自由振动，套筒固定在梁的自由端，钢球在套筒内沿竖直方向跳动，套筒的高度大于钢球跳起的最高高度，钢球不会跌落在套筒外部，套筒的直径大于钢球的直径，钢球在套筒内跳动时不会有过大的动能的损失；压电薄膜采用胶粘的方式固定在FR-4薄板的上部；如图4所示的实验表明本发明提出的体验式教学用碰撞振动能量采集装置能够有效采集环境中振动能，提高输出电压。
在本申请的一个实施例中，为了进一步验证本发明提出的教学用碰撞振动能量采集装置的可行性，制作了原理样机进行实验，为了更好的说明本发明提出的碰撞振动能量采集装置的优势，分别对有钢球和无钢球实验装置进行实验，并对实验结果进行比对分析；原理样机中FR-4薄板的长度为100mm,宽度为13mm,厚度为1mm,PVDF压电薄膜的长度为40mm,宽度为11mm，厚度为0.2mm,钢球的直径为6.5mm；将本发明的能量采集装置固定在振动台上，并将振动台的激励频率设为40HZ，加速度设为1g，在实验时，将PVDF压电薄膜两个电极的引出导线接在示波器探头上，可以实时观测到该采集装置产生电压的大小，同时利用加速度传感器测出振动台任意时刻的振动加速度大小，保证加速度大小不变；在有钢球时，压电悬臂梁在振动台的激励下，开始发生强迫振动，当悬臂梁末端的振动加速度大于钢球的重力加速度时，钢球会脱离悬臂梁，在套筒内上下跳动，当钢球在和悬臂梁碰撞的瞬间，会将部分动能转化为梁的弯曲势能，梁的形变在这一瞬间增大，通过示波器也可以看出在碰撞的瞬间，压电薄膜两电极间的电压也瞬间增大，而当钢球脱离悬臂梁后，梁的振动逐步衰减，电压值减小，直至下一次碰撞；在无钢球时，压电悬臂梁在振动台振动激励下做强迫振动，电压较小，并且维持在较为平稳状态，电压值不会出现突然增大的情况；从示波器中可以看出，在无球振动时，能量采集装置的输出电压峰峰值维持在9V左右，电压均方根值约为3V，而引入钢球之后，输出电压峰峰值可以达到13V左右，电压均方根值最高可到4.33V，提高了44%。
在本申请的一个实施例中，此外为了进一步提高该装置振动能量采集效率，可以增加钢球的质量或者在压电悬臂梁末端与套筒相对的一面增加质量块，实验表明本发明提出的体验式教学用碰撞振动能量采集装置能够有效采集环境中振动能，提高输出电压。
在本申请的一个实施例中，相比于无球悬臂梁的振动响应，增加了一个自由响应的振动，拓宽了振动响应的频率范围，从示波器中可以看出这两种能量采集器所产生电压的差异，制作的原理样机的实验结果见图4，和图3对，可见均方根值和峰值有很大提高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种体验式教学用碰撞振动能量采集装置，包括压电悬臂梁，压电悬臂梁的一端为固定端，其特征在于：压电悬臂梁的另一端设置有被动振动激励装置。
2.根据权利要求1所述的体验式教学用碰撞振动能量采集装置，其特征在于：所述的压电悬臂梁安装被动振动激励装置的一端为自由端。
3.根据权利要求1所述的体验式教学用碰撞振动能量采集装置，其特征在于：所述的被动振动激励装置由套筒（4）和碰撞质量块（5）组成，碰撞质量块（5）设置在套筒（4）内。
4.根据权利要求1所述的体验式教学用碰撞振动能量采集装置，其特征在于：所述的压电悬臂梁由薄板（3）、压电薄膜（2）组成，压电悬臂梁的一端固定在底座（1）上，所述的压电悬臂梁梁另一端为自由端且其上方设置所述的被动振动激励装置。
5.根据权利要求1所述的体验式教学用碰撞振动能量采集装置，其特征在于：所述的压电悬臂梁的固定端设置有底座（1）。
6.根据权利要求1所述的体验式教学用碰撞振动能量采集装置，其特征在于：所述的碰撞质量块为钢球。
7.根据权利要求1所述的体验式教学用碰撞振动能量采集装置，其特征在于：所述的薄板为FR-4材质。
8.根据权利要求1所述的体验式教学用碰撞振动能量采集装置，其特征在于：被动振动激励装置可以为如下的任一振动输入源：压缩弹簧组成的振动源激励装置，拉伸弹簧组成的振动源激励装置，电机带动的往复运动激励装置，磁性互斥或互吸的振动源装置。
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