CN111726035A - 一种调谐质量压电俘能器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调谐质量压电俘能器，包括：阻尼件、弹簧件、质量块、固定件和俘能件；所述质量块与所述固定件之间设置有所述阻尼件、弹簧件和俘能件，且所述质量块与所述固定件相互平行设置；所述阻尼件的一端设置在所述固定件的中部，另一端设置在所述质量块的中部；所述阻尼件的四周间隔设有所述俘能件和所述弹簧件；所述俘能件的一端和所述弹簧件的一端均与所述固定件相连，所述俘能件的另一端和所述弹簧件的另一端均与所述质量块相连。本发明能够使俘能件变形增大产生电能增多，使得俘能效率大大提高。

Description

一种调谐质量压电俘能器及其制造方法

技术领域

本发明涉及桥梁监测技术领域，具体涉及一种调谐质量压电俘能器及其制造方法。

背景技术

随着轨道交通的日益发达，车辆行驶速度逐渐增加引起的桥梁振动也越来越受重视，需要在沿桥梁沿线布置了很多用于检测桥梁结构安全和行车安全的无线传感器。传统的给无线传感器供能方式为电池，但是电池存在寿命有限，污染环境，需要定期更换等缺点，而且在偏远的山区部分还存在难更换的问题。目前采用俘获交通环境振动能转化为电能的方式，来给沿桥梁布置的对桥梁健康监测和行车安全问题进行监测的无线传感器提供电能。将振动能转换为电能的方式具体有以下三种：电磁式、静电式和压电式。电磁式即利用电磁感应原理将机械能转化为电能，缺点在于所需要的线圈体积大，输出功率低，效率不佳；静电式则是能够外力荷载改变电容器的极板之间间距或者通过改变极板的相对面积，进而改变电容的方式来将机械能转化为电能，缺点在于需要外界提供一个稳定的电压源，因此其应用有很大限制；压电式则是利用压电材料的正压电效应将机械能转化为电能，这种方式相较于前两种的优点在于内部机电耦合系数高，具有优异的力电转化性能、低能耗、高能量密度，且结构简单易于加工制作，因此在实际应用中具有更加广阔的发展前景。

现阶段主要采用压电式的减振俘能器将振动能转换为电能，一种方式是将压电叠堆与调谐质量阻尼器结合的减振俘能器，压电叠堆直接放置与调谐质量阻尼器的阻尼元件和刚度元件下方，压电叠堆作为了连接被控制结构和调谐质量阻尼器的一个元件。另一种方式是采用将压电材料与传统调谐质量阻尼器的阻尼元件和刚度元件串联的减振俘能器，应用于钢梁的下方。

但是，现有的压电式减振俘能器的变形主要集中在刚度元件和阻尼元件上，由于压电叠堆自身的刚度较大，导致压电材料产生的变形较小使俘获能量也较小，从而俘能效率不高。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种调谐质量压电俘能器，能够使俘能件变形增大产生电能增多，使得俘能效率大大提高。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种调谐质量压电俘能器，包括：阻尼件、弹簧件、质量块、固定件和俘能件；

所述质量块与所述固定件之间设置有所述阻尼件、弹簧件和俘能件，且所述质量块与所述固定件相互平行设置；

所述阻尼件的一端设置在所述固定件的中部，另一端设置在所述质量块的中部；

所述阻尼件的四周间隔设有所述俘能件和所述弹簧件；

所述俘能件的一端和所述弹簧件的一端均与所述固定件相连，所述俘能件的另一端和所述弹簧件的另一端均与所述质量块相连。

其中，所述俘能件包括：压电叠堆部件和力放大框架；

所述压电叠堆部件设置在所述力放大框架内部，且与所述力放大框架相连。

其中，所述压电叠堆部件由n层压电陶瓷和n+1层铜电极交替粘接而成，最外层两侧的铜所述电极分别粘接绝缘陶瓷。

其中，所述每层铜电极上均设置有用于连接外部导线的突触。

其中，所述力放大框架的左、右两侧端设置有用于连接所述压电叠堆部件的螺栓，以及用于固定所述压电叠堆部件的固定槽；所述力放大框架的上、下两侧端设置用于连接所述质量块和所述固定件的贯穿孔。

其中，所述固定件呈扁平的长方体结构。

其中，所述质量块呈长方体结构。

其中，所述力放大框架呈上下对称的直角拱形结构。

其中，所述阻尼件、所述俘能件和所述弹簧件均通过螺栓与所述质量块和所述固定件相连。

由上述技术方案可知，本发明提供一种调谐质量压电俘能器，通过阻尼件将其吸附的能量将集中传递到俘能件上，使俘能件变形增大产生电能增多，使得俘能效率大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的调谐质量压电俘能器的3D结构示意图；

图2为本发明实施例中的调谐质量压电俘能器的内部结构示意图；

图3为本发明实施例中的调谐质量压电俘能器中阻尼件结构示意图；

图4为本发明实施例中的调谐质量压电俘能器中弹簧件结构示意图；

图5为本发明实施例中的调谐质量压电俘能器中质量块的结构示意图；

图6为本发明实施例中的调谐质量压电俘能器中固定件的结构示意图；

图7为本发明实施例中的调谐质量压电俘能器中俘能件的结构示意图；

图8为本发明实施例中的力放大框架的结构示意图；

图9为本发明实施例中的压电叠堆部件的结构示意图；

图10为本发明实施例中的调谐质量压电俘能器的受力分析示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明提供一种调谐质量压电俘能器的实施例，参见图1，具体包含有如下内容：

调谐质量压电俘能器包括：阻尼件1(图1中未标出)、弹簧件2、质量块3、固定件4和俘能件5；

参见图2，在本实施例中，阻尼件1为一件设置在固定件4中部，弹簧件2和俘能件5均为4件间隔设置在阻尼件1的四周。参见图3，阻尼件1为圆柱形的减震阻尼器，阻尼件1的两端分别与质量块3和固定件4相连。参见图4，弹簧件2为上下带有卡箍的弹簧，通过上下卡箍分别与质量块3和固定件4相连。通过阻尼件1将其吸附的能量将集中再传递到俘能件5上。

需要说明的是，可以根据需要增加或减少弹簧件2和俘能件5的数目。可以根据需要增加阻尼件1的个数。

参见图5，质量块3作为调谐质量压电俘能器吸收振动的一个元件，使桥梁产生的振动吸附到阻质量块3成长方体结构，其上设有九个贯穿孔，这九个贯穿孔与固定件4中间的九个贯穿孔一一对应，即中间设有一个贯穿孔，用于螺栓焊接来固定阻尼件1，围绕最中间的一个贯穿孔周围的八个贯穿孔其中有贯穿孔用于通过螺栓焊接来固定四个弹簧件2，另外四个孔用于通过螺栓焊接来固定四个俘能件5。

参见图6，固定件4呈扁平的长方体结构，其上设有13个贯穿孔，其中最中间的一个贯穿孔用于通过螺栓焊接来固定阻尼件1，围绕最中间的一个贯穿孔周围的八个贯穿孔其中有四个贯穿孔用于通过螺栓焊接来固定四个弹簧件2，另外四个孔用于通过螺栓焊接来固定四个俘能件5，其四个角的四个贯穿孔用于通过螺栓焊接来将固定件4固定在被控制结构上。

参见图7，俘能件5由外部的力放大框架和内部的压电叠堆部件组成，俘能件5采用拱形的结构将竖向荷载转化为水平压力，使压电叠堆部件发生形变产生电能，从而适用于俘获环境振动能；

参见图8，力放大框架呈上下对称的直角拱形结构，其左侧端部侧面分别对称焊接有三个螺栓用来固定安装在里面的压电叠堆部件，其左侧端部内部设有一个贯穿孔，其左侧端部内部开凿有一个固定槽用来卡住压电叠堆部件，其右侧端部侧面同样分别对称焊接三个螺栓孔，其右侧端部内部也开凿有一个固定槽来卡住压电叠堆。其上侧和下侧分别设有一个贯穿孔，上侧贯穿孔的作用在于将力放大框架与质量块3通过螺栓固定连接，下侧贯穿孔的作用在于将力放大框架与固定件4通过螺栓固定连接。调谐质量压电俘能器通过固定件4上的螺栓固定在被控制结构上。上述力放大框架构件可以由钢材制成。

需要说明的是，可以将力放大框架中的斜梁臂增加厚度或减小厚度或者增大角度等，还可以对力放大框架做相似形状的改动，其放置方向也可以沿任意角度摆放。

参见图9，压电叠堆部件呈叠堆结构，其横截面为正方体或长方体，由n层压电陶瓷，n+1层铜电极交替粘接而成，并且在粘接好的铜电极叠堆外部两侧还分别粘接有一层绝缘的普通陶瓷，用做保护层，这两层普通陶瓷粘接在铜电极一侧。其中铜电极还有一块突触，突触是用于连接导线的连接部分，用于将压电陶瓷产生的电荷收集起来并导出。

需要说明的是，可以根据需要增加或减少压电叠堆中压电陶瓷和铜电极的层数，可以用更多层或更少层甚至一块压电陶瓷来代替目前的压电叠堆。

本实施例中将力放大机制与压电叠堆部件组合，力放大机制可以实现放大施加在压电叠堆部件上的作用力。将力放大机制与压电叠堆部件的组合称作一个俘能件5，将此俘能件5与原有调谐质量阻尼器中的弹簧件2和阻尼件1并联，当桥梁产生振动能量时，通过质量块3将桥梁振动能吸附于调谐质量压电俘能器中，此时通过质量块3、螺栓等将振动荷载传递到俘能件5上，通过俘能件5里的力放大框架进一步放大振动荷载之后施加到压电叠堆部件上，此时压电叠堆部件所产生的形变将比之前的技术方案都高，从而产生的电能也能大幅提升。

综上，在本实施例中，阻尼件1吸附的能量将集中传递到压电叠堆部件上，使其变形增大产生电能增多，而且能够控制桥梁结构振动，进而提高俘能器的俘能效率。

参见图10，对本实施例中的调谐质量压电俘能器的工作原理进行说明。

将本发明的调谐质量压电俘能器放置于被控桥梁结构下部，调谐质量压电俘能器将受到桥梁振动荷载，在质量块3的作用下，将桥梁振动主要吸附集中于调谐质量压电俘能器，通过固定件4及螺栓，将竖向振动加速度传递到力放大框架上，在力放大框架作用下，竖向振动加速度激励将转化为水平推力，继而继续传递到压电叠堆部件上，实现压电叠堆的变形从而产生电能。

在本实施例中，采用叠堆型压电俘能器的俘能单元，将其嵌入到调谐质量阻尼器(调谐质量阻尼器)中，当桥梁产生振动时，调谐质量阻尼器吸附在桥梁上作为一个减振装置，其中调谐质量阻尼器的质量块3会起到将桥梁振动全部吸引到这个质量块3上，而此时压电叠堆嵌入在其中所能得到的振动能也将是巨大的，将会解决由于压电叠堆自身刚度太大导致变形不大的这个问题，使得俘能效率大大提高，此时产生的电能将相当可观。在压电叠堆外部使用了一个力放大机制，通过力放大机制会进一步加大作用在叠堆上的外力，进一步增加其俘能效率。

采用d33模式和将压电叠堆放置于调谐质量阻尼器中来提高俘能器的俘能效率，而且本装置中调谐质量阻尼器吸附的能量将集中传递到压电叠堆上，使其变形增大产生电能增多，而且能够控制桥梁结构振动。

可以理解的是，压电式俘能器的类型主要有d31，d33两种，d31形式主要应用于悬臂梁式压电俘能器，d33形式则主要为叠堆型压电俘能器。

从上述描述可知，本实施例提供的技术方案具有高效的机电转换效率，将压电叠堆部件置于阻尼件中，采用的方式为将压电叠堆部件与阻尼件的刚度元件和阻尼件并联放置于质量块s与被控制桥梁结构之间，使得阻尼件吸附的振动能量集中在压电叠堆部件上，此时产生的电能将是巨大的，能提供一套无线传感设备足够的电能使用，在提供足够能量的同时，又能够将对桥梁结构有弊的振动能衰减掉。

本发明实施例还提供一种调谐质量压电俘能器的制造方法，包括：

第一步，利用导电胶将铜电极与压电陶瓷粘接起来，粘接方法按照一层铜电极一层压电陶瓷的方法来粘接，使得粘接完的成品最外面一层为铜电极，然后再将两层绝缘的保护陶瓷分别粘接在最外面的铜电极上，将铜电极的连接部分用导线连接起来；

在具体实施时，具体包括：

步骤1.1，提前用微型电磨将压电陶瓷块的粘接面和铜电极的粘接面打磨粗糙，并用小锉刀修理，使压电陶瓷的粘接面和铜电极的粘接面出现凹凸不平的条纹形状；

步骤1.2，用导电胶将铜电极和压电陶瓷块交替粘接起来，并把多遇的胶水挤出清理干净；

步骤1.3，粘贴好之后，用平口钳夹住养护，24小时之后取下；

步骤1.4，用电磨将铜电极上面多余的导电胶打磨干净；

步骤1.5，在铜电极表面均匀的涂抹一层绝缘胶，将两层普通陶瓷保护层分别粘接在铜电极表面，为了保持绝缘效果，铜电极表面胶的厚度大约为0.5mm，粘接好之后，固化24小时；

步骤1.6，用小电钻在铜电极的连接部分钻孔，钻洞过程中不要挤压到压电陶瓷块，钻好洞之后用导线将铜电极的连接部分连接起来，处理完成之后，将压电陶瓷块非粘接面的胶清理干净。

第二步，待胶水达到强度之后，将粘接好的压电叠堆放置于力放大框架的固定槽中，用螺栓拧紧的方法来通过力放大框架左侧端部的贯穿孔将压电叠堆与力放大框架紧密安装，并且将力放大框架左侧端部边缘和右侧端部边缘的总计12个贯穿孔用螺栓焊接的方法进一步固定压电叠堆使得压电叠堆与力放大框架紧密安装。按照此方法组装四个俘能单元。

第三步，将俘能单元(力放大框架与压电叠堆安装好的整体，称作俘能单元)安装到固定件上，通过事先预留在力放大框架上的贯穿孔和在固定件上的贯穿孔一一对应起来，通过螺栓焊接将俘能单元焊接到固定件上，按照此方法将四个俘能单元一一组装到固定件上。

第四步，将弹簧元件和阻尼元件安装到固定件上，通过事先在固定件上给弹簧元件和阻尼元件预留的贯穿孔，通过螺栓焊接将弹簧元件和阻尼元件焊接到固定件上，按照此方法一共组装四个弹簧元件和一个阻尼元件。

第五步，将质量块组装到已组装完成的部分，通过质量块上预留的贯穿孔将质量块与弹簧元件、阻尼元件、俘能单元通过螺栓焊接连接起来；

第六步，将组装好的调谐质量压电俘能器组装到被控制结构上，通过事先预留在固定件的贯穿孔，利用螺栓焊接将组装完成的调谐质量压电俘能器组装到被控制结构上。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。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。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种调谐质量压电俘能器，其特征在于，包括：阻尼件、弹簧件、质量块、固定件和俘能件；

所述质量块与所述固定件之间设置有所述阻尼件、弹簧件和俘能件，且所述质量块与所述固定件相互平行设置；

所述阻尼件的一端设置在所述固定件的中部，另一端设置在所述质量块的中部；所述阻尼件的四周间隔设有所述俘能件和所述弹簧件；

所述俘能件的一端和所述弹簧件的一端均与所述固定件相连，所述俘能件的另一端和所述弹簧件的另一端均与所述质量块相连。

2.根据权利要求1所述的调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述俘能件包括：压电叠堆部件和力放大框架；

所述压电叠堆部件设置在所述力放大框架内部，且与所述力放大框架相连。

3.根据权利要求2所述的调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述压电叠堆部件由n层压电陶瓷和n+1层铜电极交替粘接而成，最外层两侧的铜所述电极分别粘接绝缘陶瓷。

4.根据权利要求3所述的调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述每层铜电极上均设置有用于连接外部导线的突触。

5.根据权利要求2所述的调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述力放大框架的左、右两侧端设置有用于连接所述压电叠堆部件的螺栓，以及用于固定所述压电叠堆部件的固定槽；所述力放大框架的上、下两侧端设置用于连接所述质量块和所述固定件的贯穿孔。

6.根据权利要求1所述的调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述固定件呈扁平的长方体结构。

7.根据权利要求1所述的调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述质量块呈长方体结构。

8.根据权利要求1所述的调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述力放大框架呈上下对称的直角拱形结构。

9.根据权利要求1所述的调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述阻尼件、所述俘能件和所述弹簧件均通过螺栓与所述质量块和所述固定件相连。

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