CN111929515B - 一种压电混合电磁能量收集器测试装置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电混合电磁能量收集器测试装置，包括风洞，风洞的顶部横亘有横梁，横梁通过连接杆连接有悬臂梁，悬臂梁位于风洞中，悬臂梁上粘贴有压电纤维片，压电纤维片电接有外载电阻，悬臂梁远离连接杆的一端固接有端部质量块，端部质量块的两侧均吸附有圆柱磁铁，两个圆柱磁铁相对，靠近圆柱磁铁设置有加持架，加持架靠近圆柱磁铁的一端加持有线圈，线圈电接外载电阻，本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置的测试方法，解决了现有技术中存在的采集器振动不稳定的问题。

Description

一种压电混合电磁能量收集器测试装置及其测试方法
技术领域
本发明属于压电混合电磁能量收集器测试技术领域，涉及一种压电混合电磁能量收集器测试装置，还涉及上述一种压电混合电磁能量收集器测试装置的测试方法。
背景技术
近年来，振动能量采集领域的研究受到国内外学者的广泛关注。压电混合电磁能量收集器是一种能够将大自然中广泛存在的，目前无法直接利用的风能转换为电能的装置，能够对诸如MEMS、传感器件等微电子设备提供电能，具有广泛的应用前景。压电混合电磁能量收集器一般采用悬臂梁结构，利用压电材料的正压电效应和电磁感应，能有效地将环境中的振动能转化为较高能量密度形式的电能。
以往压电能能量收集器方面的研究主要集中在压电能方面，而将压电效应和电磁感应混合起来的能量收集器的研究相对较少，把单方面压电能能量收集器的应用扩大到压电混合电磁能量收集器将会产生非常多的应用形式，研究潜力巨大，应用前景也十分可观。目前的压电能能量采集器大多是简单的将风直接冲击到与悬臂梁相连的端部质量块上，使悬臂梁产生变形带动压电材料的变形从而产生电能，这种形式的采集器振动不稳定，采集的电能频率和幅值都不稳定，对于其所供电的传感器有损害，影响其使用寿命。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种压电混合电磁能量收集器测试装置，解决了现有技术中存在的采集器振动不稳定的问题。
本发明的第二目的是提供一种压电混合电磁能量收集器测试装置的测试方法。
本发明所采用的技术方案是，一种压电混合电磁能量收集器测试装置，包括风洞，风洞的顶部横亘有横梁，横梁通过连接杆连接有悬臂梁，悬臂梁位于风洞中，悬臂梁上粘贴有压电纤维片，压电纤维片电接有外载电阻，悬臂梁远离连接杆的一端固接有端部质量块，端部质量块的两侧均吸附有圆柱磁铁，两个圆柱磁铁相对，靠近圆柱磁铁设置有加持架，加持架靠近圆柱磁铁的一端加持有线圈，线圈电接外载电阻。
本发明的特点还在于：
端部质量块采用树脂D打印的质量块，端部质量块两侧面的重心处均开有开孔，两个开孔之间的距离为3mm。
风洞高度大于3倍的端部质量块的高度。
连接杆的一端贯穿横梁后通过顶丝与横梁固定连接，连接杆的另一端固接悬臂梁。
线圈为漆包铜线线圈。
一种压电混合电磁能量收集器测试装置的测试方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将端部质量块迎风面正对风的来流方向；
步骤2、调节风洞风速至起振风速，在外载电阻R为零的情况下，分别测量外载电阻两端的开路电压，记录电压信号；
步骤3、逐步增加外载电阻R，每ΔR为一个增加量，分别测量外载电阻两端的电压，并记录电压信号，记录的电压信号作为分析压电混合电磁能量收集器能量变化的数据；
步骤4、保持风速不变，改变圆柱磁铁和线圈之间的距离L，以每ΔL为一个增加量，重复步骤，直到所有需要测量的间距都测试后，进入下一步；
步骤5、逐步增加风速V，以ΔV为一个增加量改变风速，重复步骤和步骤，直到达到最大风速。
步骤6、更换不同端部质量块，使得质量块迎风面正对来流方向，重复步骤、步骤、步骤。
步骤7、分析实验数据，找出最优外载电阻R值，最优距离L，最优风速区间，最优端部质量块。
步骤5中的风速不大于30m/s。
本发明的有益效果是：本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置，解决了现有技术中存在的采集器振动不稳定的问题，能用于在特定风速下，研究端部质量块6的形状对压电混合电磁能量采集装置所采集能量的影响；还可以改变风速，研究不同风速下压电混合电磁能量收集器的采集效果；本发明还可以研究不同圆柱磁铁和线圈的距离对压电混合电磁能量收集器采集能量的影响；还可以通过改变外载电阻，研究电阻变化对压电混合电磁能量收集器采集能量的影响；本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置的测试方法，能测量不同风速、不同负载、不同圆柱磁铁和线圈的距离和不同端部质量块，基于风致振动的压电混合电磁能量收集器所产生的电压和功率，为压电混合电磁能量采集在风力方面的研究提供参考意见。
附图说明
图1是本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置的结构示意图；
图2是本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置的A-A方向剖面图。
图中，1.连接杆，2.横梁，3.风洞，4.悬臂梁，5.压电纤维片，6.端部质量块，7.线圈，8.圆柱磁铁，9.夹持架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置，如图1和图2所示，包括风洞3，风洞3的顶部横亘有横梁2，横梁2通过连接杆1连接有悬臂梁4，悬臂梁4位于风洞3中，悬臂梁4上粘贴有压电纤维片5，压电纤维片5电接有外载电阻，压电纤维片5与外载电阻构成一组回路，悬臂梁4远离连接杆1的一端固接有端部质量块6，端部质量块6的两侧均吸附有圆柱磁铁8，两个圆柱磁铁8相对，靠近圆柱磁铁8设置有加持架9，加持架9靠近圆柱磁铁8的一端加持有线圈7，线圈7电接外载电阻。线圈7与外载电阻构成一组回路。通过调整夹持架9可调整线圈7的位置。所述外载电阻为可变电阻。线圈7距离圆柱磁铁8的距离可变(线圈7距离磁铁8位置可变)。
端部质量块6采用树脂3D打印的质量块，端部质量块6两侧面的重心处均开有开孔，两个开孔之间的距离为3mm。方便圆柱磁铁8吸附。磁铁8对称吸附在端部质量块6两侧，不需要额外的固定措施，端部质量块6的形状、质量和尺寸可以改变。
风洞3高度大于3倍的端部质量块6的高度。横梁2具有相当的重量，保证连接的端部质量块6承受风的冲击时，横梁2保持静止。
连接杆1的一端贯穿横梁2后通过顶丝与横梁2固定连接，连接杆1的另一端固接悬臂梁4。
线圈7为漆包铜线线圈。
实施例
横梁2上中间位置竖直方向开有Ф22的通孔，在风吹方向上，通孔的中间高度处，前后开有两个M8的螺纹孔，与通孔相通，连接杆1插入Ф22的通孔，并用两个M8顶丝顶死，使其固定不动。
连接杆1为Ф20mm的圆钢，总长550mm。在连接杆1下端向圆心切削10mm，切削长度为35mm，在这段长度上开有两个M5的螺纹孔，用两个M5螺栓固定连接悬臂梁4，悬臂梁4为厚0.6m的铜片。悬臂梁4一面用AB高性能双组份环氧树脂胶粘贴压电纤维片5。悬臂梁4下部固定在开有宽0.8mm、深25mm的插槽的端部质量块6中，连接杆1在上端向圆心切削2mm，切削长度500mm，上端切削面与下端的切削面垂直，上端穿过横梁通孔，通过两个M8顶丝顶死，使其保持相对静止，通过调节连接杆1的上下位置，使端部质量块6恰好处在风洞的中间。
本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置的测试方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将端部质量块6迎风面正对风的来流方向；
步骤2、调节风洞3风速至起振风速，在外载电阻R为零的情况下，分别测量外载电阻两端的开路电压，记录电压信号；
步骤3、逐步增加外载电阻R，每ΔR为一个增加量，分别测量外载电阻两端的电压，并记录电压信号，记录的电压信号作为分析压电混合电磁能量收集器能量变化的数据；
步骤4、保持风速不变，改变圆柱磁铁8和线圈7之间的距离L，以每ΔL为一个增加量，重复步骤2，直到所有需要测量的间距都测试后，进入下一步；
步骤5、逐步增加风速V，以ΔV为一个增加量改变风速，重复步骤2和步骤3，直到达到最大风速。
步骤5中的风速不大于30m/s。
步骤6、更换不同端部质量块6，使得质量块迎风面正对来流方向，重复步骤2、步骤3、步骤4。
步骤7、分析实验数据，找出最优外载电阻R值，最优距离L，最优风速区间，最优端部质量块6。
本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置及其测试方法的工作原理为：风洞3为试验提供稳定风速，悬臂梁4的一面粘贴压电纤维片5，稳定风速对端部质量块6产生冲击作用，引起端部质量块6摆动，带动悬臂梁4振动，从而压电纤维片5产生应变，在正压电效应作用下产生电荷，压电纤维片5用导线与外接外载电阻及电压测量装置连接，收集所产生的电压信号，即为压电纤维片5电压测试数据，得到可用于研究不同圆柱磁铁和线圈距离、不同端部质量块及不同大小负载在特定风速下的采集能量试验数据。另一方面，端部质量块6振动，带动附在上边的圆柱磁铁8产生振动。从而使得线圈7切割磁感线，在电磁感应的作用下产生电荷，线圈7用导线与外接外载电阻及电压测量装置连接，收集所产生的电压信号，即为线圈7电压测试数据，得到可用于研究不同圆柱磁铁和线圈距离、不同端部质量块及不同大小负载在特定风速下的采集能量试验数据。
具有一定速度V的气流进入风洞3，冲击端部质量块6，端部质量块6受到冲击之后引起悬臂梁4振动，悬臂梁4振动带动压电纤维片5振动，产生电荷。另一方面，端部质量块6振动，带动附在上边的圆柱磁铁8产生振动。从而使得线圈7切割磁感线，在电磁感应的作用下产生电荷，改变风速V的大小，得到风速变化对压电混合电磁能量收集器采集能量能力的影响。
本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置，解决了现有技术中存在的采集器振动不稳定的问题，能用于在特定风速下，研究端部质量块6的形状对压电混合电磁能量采集装置所采集能量的影响；还可以改变风速，研究不同风速下压电混合电磁能量收集器的采集效果；本发明还可以研究不同圆柱磁铁和线圈的距离对压电混合电磁能量收集器采集能量的影响；还可以通过改变外载电阻，研究电阻变化对压电混合电磁能量收集器采集能量的影响；本发明一种压电混合电磁能量收集器测试装置的测试方法，能测量不同风速、不同负载、不同圆柱磁铁和线圈的距离和不同端部质量块，基于风致振动的压电混合电磁能量收集器所产生的电压和功率，为压电混合电磁能量采集在风力方面的研究提供参考意见。

Claims (1)

1.一种压电混合电磁能量收集器测试装置的测试方法，其特征在于，其中，该装置包括风洞(3)，所述风洞(3)的顶部横亘有横梁(2)，所述横梁(2)通过连接杆(1)连接有悬臂梁(4)，所述悬臂梁(4)位于风洞(3)中，所述悬臂梁(4)一面用AB高性能双组份环氧树脂胶粘贴有压电纤维片(5)，压电纤维片(5)电接有外载电阻，所述悬臂梁(4)远离连接杆(1)的一端固接有端部质量块(6)，所述端部质量块(6)的两侧均吸附有圆柱磁铁(8)，两个圆柱磁铁(8)相对，靠近所述圆柱磁铁(8)设置有加持架(9)，所述加持架(9)靠近圆柱磁铁(8)的一端加持有线圈(7)，所述线圈(7)电接外载电阻；
所述端部质量块(6)采用树脂3D打印的质量块，所述端部质量块(6)两侧面的重心处均开有开孔，两个开孔之间的距离为3mm；
所述风洞(3)高度大于3倍的端部质量块(6)的高度；
所述连接杆(1)的一端贯穿横梁(2)后通过顶丝与横梁(2)固定连接，所述连接杆(1)的另一端固接悬臂梁(4)；
所述线圈(7)为漆包铜线线圈；
所述方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将端部质量块(6)迎风面正对风的来流方向；
步骤2、调节风洞(3)风速至起振风速，在外载电阻R为零的情况下，分别测量外载电阻两端的开路电压，记录电压信号；
步骤3、逐步增加外载电阻R，每ΔR为一个增加量，分别测量外载电阻两端的电压，并记录电压信号，记录的电压信号作为分析压电混合电磁能量收集器能量变化的数据；
步骤4、保持风速不变，改变圆柱磁铁(8)和线圈(7)之间的距离L，以每ΔL为一个增加量，重复步骤2，直到所有需要测量的间距都测试后，进入下一步；
步骤5、逐步增加风速V，以ΔV为一个增加量改变风速，重复步骤2和步骤3，直到达到最大风速；风速不大于30m/s；
步骤6、更换不同端部质量块(6)，使得质量块迎风面正对来流方向，重复步骤2、步骤3、步骤4；
步骤7、分析实验数据，找出最优外载电阻R值，最优距离L，最优风速区间，最优端部质量块(6)。
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