CN112366981A - 一种多稳态调谐质量压电俘能器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多稳态调谐质量压电俘能器，包括：俘能件、弹簧件、阻尼件、质量块、固定件和封装箱；俘能件包括若干个多稳态压电悬臂梁，多稳态压电悬臂梁位于质量块的四周，并通过多稳态压电悬臂梁的钢梁与质量块连接；多稳态压电悬臂梁末端的第二磁铁固定于封装箱四边的内侧，并与多稳态压电悬臂梁的第一磁铁保持一定距离；阻尼件的上边固定于质量块的下底边，且阻尼件的下边与封装箱的底部固定连接；固定件贯穿于质量块，并且上下底边分别固定于封装箱的上下底边；弹簧件的上边固定于所述质量块的下底边，且弹簧件的下边与封装箱的底部固定连接。本发明装置可以将对桥梁有害的振动能量转换为对无线传感器提供电源的电能。

Description

一种多稳态调谐质量压电俘能器

技术领域

本发明涉及工程结构减振控制技术和压电俘能技术领域，尤其涉及一种多稳态调谐质量压电俘能器。

背景技术

监测桥梁健康状态对交通技术的发展具有至关重要的意义，无线传感监测技术因具有成本低、可靠性高且无须布线等优点，受到广泛青睐，但仍缺乏稳定、持续且价格便宜的电源给无线传感节点供电。实际上，车致桥梁振动能量以热能形式耗散掉，不仅浪费，长期振动也会带来舒适性差、结构安全性低以及噪声污染等问题。因此，可将桥梁的振动能进行控制、集中并转换为电能。

工程结构减振控制是通过在结构上安装耗能减振装置来减轻或抑制结构由于外荷载作用引起的反应。土木工程结构振动控制技术的发展经历了如下几个阶段：被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制、智能控制。作为被动控制技术之一，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)发展较为成熟，减震效果明显，施工操作简单，因而被广泛应用于国内外结构工程中。TMD是一种附加在结构上的减震子结构，由弹簧、阻尼器和质量块组成，质量块一般通过弹簧和阻尼器支撑或者悬挂在主结构上。当结构受到外部荷载作用产生振动时，子结构通过连接装置与结构一起振动，由此产生的能量会通过惯性力反作用于主结构，以及部分被阻尼器所消耗，实现减震的目的。

现阶段将振动能转换为电能的方式主要有以下三种：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，俘能效率不佳；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。压电式能量收集中，传统的线性能量采集系统虽然结构简单，但是只能在固有频率附近有效工作。然而当激励频率与固有频率不一致时，能量采集效果就会急剧下降。由于环境激励是以多频的宽谱形式存在，因此这种能量采集系统无法在实际环境中有效地工作。在过去的十年中，非线性技术已被引入到压电能量收集中，以通过增加收集器的响应带宽来提高线性系统的能量收集性能，而采用多稳态系统则是非线性方法中的重要技术之一。多稳态系统一般是通过在压电悬臂梁能量收集器中加入一个尖端磁铁和若干个固定的外部磁铁来实现，与类似的线性系统相比，悬臂梁围绕稳定位置的非线性振荡会导致更宽的频率带宽和更高的功率输出。

目前，采用压电能量收集技术将桥梁振动能转化为电能的能量收集效率比较低，尚未达到桥梁健康监测的用电标准。在桥梁、轨道或轨枕等结构表面贴压电材料，通过与结构协调变形而俘获能量，通常输出功率不高，主要原因是结构变形不大。若采取独立俘能结构(俘能器)，使其自振频率与激励频率一致，通过共振可增大压电材料变形，但轨道不平顺、桥梁徐变、温度作用变形等诸多因素存在，加之轨道不平顺具有随机性，使得车桥系统所受的激励频率成分复杂多样，传统单频俘能器频带比较窄，难以满足要求。再者，传统压电俘能器尺度比较小，其振动位移在微米或毫米级别上，从桥梁转移到俘能器上的能量有限，故而可被收集的能量就少。针对该问题，潘鹏设计了一种将压电材料与传统TMD的阻尼元件和刚度元件串联的新装置，将此装置应用于钢箱梁的下方，此种构造方式的缺点为：变形主要集中在刚度元件和阻尼元件上，而压电材料分到的振动变形并不是很大，从而俘能效率不高；而向容设计了一种将压电叠堆与TMD结合的新型减振俘能器，将压电叠堆直接放置与传统TMD的阻尼元件和刚度元件下方，也就是说，压电叠堆作为了连接被控制结构(也就是桥梁)和传统TMD的一个元件，这种构造方式的缺点在于没有考虑此时压电叠堆的受力变形情况是否超过了其容许应变。

因此，亟需一种既可以控制桥梁振动，又可以将桥梁振动能转换为电能来持续给无线传感器供能的装置。

发明内容

本发明提供了一种多稳态调谐质量压电俘能器，以解决现有技术问题中的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本实施例提供一种多稳态调谐质量压电俘能器，包括：俘能件、弹簧件、阻尼件、质量块、固定件和封装箱；

所述的俘能件包括若干个多稳态压电悬臂梁，所述多稳态压电悬臂梁位于所述质量块的四周，并通过多稳态压电悬臂梁的钢梁与所述质量块连接；所述多稳态压电悬臂梁末端的第二磁铁固定于所述封装箱四边的内侧，并与多稳态压电悬臂梁的第一磁铁保持一定距离，以使与所述第二磁铁相互作用；

所述阻尼件的上边固定于所述质量块的下底边，且所述阻尼件的下边与所述封装箱的底部固定连接；

所述固定件贯穿于所述质量块，并且上下底边分别固定于所述封装箱的上下底边；

所述弹簧件的上边固定于所述质量块的下底边，且所述弹簧件的下边与所述封装箱的底部固定连接。

优选地，当所述的稳态压电悬臂梁的个数为多个时，多个多稳态压电悬臂梁均匀地排列在所述质量块的四周。

优选地，多稳态压电悬臂梁包括钢梁、压电陶瓷片、第一磁铁和第二磁铁；

所述钢梁的一端与所述质量块相连，另一端焊接着所述第一磁铁；

所述的压电陶瓷片的上下表面镀有铜电极，所述的压电陶瓷片通过导电胶粘贴在钢梁上方位于质量块的一端，并引出电极，用于收集压电陶瓷产生的电荷。

优选地，第二磁铁与所述第一磁铁在同一平面上。

优选地，多个多稳态压电悬臂梁的个数为12个，所述质量块为1个，所述质量块为长方体结构，所述质量块的每侧均匀设置有3个多稳态压电悬臂梁。

优选地，弹簧件为4个。

优选地，固定件为2个。

优选地，阻尼件为1个。

优选地，钢梁为扁平的长条形状.

优选地，封装箱为长方体结构。

由上述本发明的多稳态调谐质量压电俘能器提供的技术方案可以看出，本发明将压电悬臂梁和TMD结合，通过TMD将其吸附的能量集中传递到压电悬臂结构上，把阻尼耗能变为振动俘能，通过TMD吸振将桥梁振动能进行集中，使其的产能效率大大提升，而且能够控制桥梁结构振动；此外，在压电悬臂梁中加入磁铁引入多稳态，这种非线性结构可以有效地拓宽结构的俘能频带；采用多个悬臂梁阵列的形式，对俘能频带的拓宽也有所帮助，可以大大地提升压电俘能器的能量转换效率；将俘能器与TMD进行一体设计，使得这一新体系具有减振控制与能量收集的双重功能；以绿色的方式持续稳定地提供电源，解决桥梁健康监测用电的重大需求，为桥梁安全运营提供保障。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本实施例的多稳态调谐质量压电俘能器机构示意图；

图2为本实施例的多稳态调谐质量压电俘能器机构示意图；

图3为本实施例的阻尼件(6)的结构示意图；

图4为本实施例的弹簧件(5)的结构示意图；

图5为封装箱底板(7)的安装示意图。

附图标记说明：

(1)质量块(2)钢梁(3)压电陶瓷片(4)第二磁铁(5)弹簧件

(6)阻尼件(7)封装箱底板(8)固定件(9)封装箱(10)第一磁铁

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其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。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。

实施例

图1和图2为本实施例的多稳态调谐质量压电俘能器机构示意图，参照图1和图2，多稳态调谐质量压电俘能器包括：俘能件、弹簧件(5)、阻尼件(6)、质量块(1)、固定件(8)和封装箱(9)。

质量块(1)为1个，质量块(1)为长方体结构。

俘能件包括12个多稳态压电悬臂梁，12个多稳态压电悬臂梁均匀地排列在质量块(1)的四周，质量块(1)的每侧均匀设置有3个多稳态压电悬臂梁。并通过多稳态压电悬臂梁的钢梁(2)与质量块(1)连接；多稳态压电悬臂梁末端的第二磁铁(4)固定于封装箱(9)四边的内侧，并与多稳态压电悬臂梁的第一磁铁(10)保持一定距离，以使与第二磁铁(4)相互作用。第二磁铁(4)与第一磁铁(10)在同一平面上。与类似的线性系统相比，这种悬臂梁围绕稳定位置的非线性振荡会导致更宽的频率带宽和更高的功率输出。

多稳态压电悬臂梁包括钢梁(2)、压电陶瓷片(3)、第一磁铁(10)和第二磁铁(4)；钢梁(2)为扁平的长条形状，钢梁(2)的一端与质量块(1)相连，通过焊接的方式连接在质量块(1)上，另一端焊接着第一磁铁(10)；压电陶瓷片(3)的上下表面镀有铜电极，压电陶瓷片(3)通过导电胶粘贴在钢梁(2)上方位于质量块(1)的一端，并引出电极，用于收集压电陶瓷产生的电荷。

阻尼件(6)的上边固定于质量块(1)的下底边，且阻尼件(6)的下边与封装箱(9)的底部固定连接，阻尼件(6)为1个，如图3所示，且阻尼件(6)位于质量块(1)的中心位置。弹簧件(5)的上边固定于质量块(1)的下底边，且弹簧件(5)的下边与封装箱(9)的底部固定连接，弹簧件(5)为4个。质量块(1)底部的阻尼件(6)和弹簧件(5)，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TMD这个结构中然后再传递到俘能件上。

固定件(8)贯穿于质量块(1)，并且上、下底边分别固定于封装箱(9)的上、下底边，固定件(8)为2个。

封装箱(9)为长方体结构，其底板上设有十一个贯穿孔，如图5所示，其中最中间的一个贯穿孔用于通过螺栓来固定阻尼件(6)；围绕最中间的一个贯穿孔周围的六个贯穿孔中有四个以封装箱(9)底面中心对称的贯穿孔，用于通过螺栓来固定四个弹簧件(5)，图4为本实施例的弹簧件(5)的结构示意图，另外两个孔用于通过螺栓来固定两根贯穿质量块(1)的固定件(8)，这两个固定件(8)用于防止质量块(1)的扭转运动，其余四个角的四个贯穿孔用于通过螺栓来将调谐质量压电俘能器固定在被控制结构上。封装箱(9)的上侧设有两个通孔，用于通过螺栓来固定两根贯穿质量块(1)的固定件(8)。

质量块(1)的下表面设有七个孔，这七个孔与固定件(8)中间的七个贯穿孔一一对应，即中间设有一个孔，用于螺栓来固定阻尼件(6)，围绕最中间的一个孔周围的六个孔中的四个以固定件(8)中心对称的孔，用于通过螺栓来固定四个弹簧件(5)，另外两个孔为贯穿质量块(1)的通孔，用于通过防止质量块(1)扭转的两根固定件(8)。

制造本实施例的调谐质量压电俘能器的方法主要包括如下步骤：

第1步，利用导电胶将铜电极粘接在压电陶瓷片(3)的上下表面，并引出电极，然后再用导电胶粘贴在钢梁(2)的固定端一侧，将第一磁铁(10)(小磁块)焊接在钢梁(2)的另一侧(即自由端)，用此方法制得12根相同的带端部磁铁的压电悬臂梁，然后将这12根压电悬臂梁粘贴有压电片的一侧焊接在质量块(1)上每侧三根悬臂梁，以相同的间距均匀排列；

步骤1.1，提前用微型电磨将压电陶瓷片(3)的粘接面和铜电极的粘接面打磨粗糙，并用小锉刀修理，使压电陶瓷片(3)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片(3)粘接起来，并把多余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，用导电胶将贴有铜电极的压电陶瓷片(3)粘贴到钢梁(2)的固定端；

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片(3)，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，将压电陶瓷片(3)非粘接面的胶清理干净。

第2步，将弹簧件(5)和阻尼件(6)安装到封装箱(9)的底板上，通过事先在底板上给弹簧件(5)和阻尼件(6)预留的通孔，通过螺栓将弹簧件(5)和阻尼件(6)焊接到底板上，按照此方法一共组装四个弹簧件(5)和一个阻尼件(6)；

第3步，将质量块(1)组装到已组装完成的部分，通过质量块(1)上预留的孔将质量块(1)与弹簧件(5)、阻尼件(6)和固定件(8)通过螺栓连接起来。将两根固定件(8)(钢柱)穿过在质量快上预先留出的通孔，并将柱子的底部焊接在固定件(8)上对应的通孔；

第4步，将封装箱(9)的底部与封装箱(9)的四周焊接起来，同时钢柱会对应地穿过封装箱(9)上部预留的两个贯穿孔，将钢柱通过通孔与封装箱(9)焊接在一起；

第5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(8)的贯穿孔，利用螺栓将组装完成的调谐质量压电俘能器组装到被控制结构上。

将本实施例的多稳态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(1)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，压电悬臂梁由于竖向加速度的作用开始发生振动，其上的压电陶瓷片(3)开始发生变形从而产生电能。在运动过程中，多稳态压电悬臂梁的第一磁铁(10)和第二磁铁(4)之间相互作用，使压电悬臂梁围绕多个稳定位置发生运动，因此能够拓宽俘能器的俘能带宽。

本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，包括：俘能件、弹簧件、阻尼件、质量块、固定件和封装箱；

所述的俘能件包括若干个多稳态压电悬臂梁，所述多稳态压电悬臂梁位于所述质量块的四周，并通过多稳态压电悬臂梁的钢梁与所述质量块连接；所述多稳态压电悬臂梁末端的第二磁铁固定于所述封装箱四边的内侧，并与多稳态压电悬臂梁的第一磁铁保持一定距离，以使与所述第二磁铁相互作用；

所述阻尼件的上边固定于所述质量块的下底边，且所述阻尼件的下边与所述封装箱的底部固定连接；

所述固定件贯穿于所述质量块，并且上下底边分别固定于所述封装箱的上下底边；

所述弹簧件的上边固定于所述质量块的下底边，且所述弹簧件的下边与所述封装箱的底部固定连接。

2.根据权利要求1所述的多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，当所述的稳态压电悬臂梁的个数为多个时，多个多稳态压电悬臂梁均匀地排列在所述质量块的四周。

3.根据权利要求1所述的多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述的多稳态压电悬臂梁包括钢梁、压电陶瓷片、第一磁铁和第二磁铁；

所述钢梁的一端与所述质量块相连，另一端焊接着所述第一磁铁；

所述的压电陶瓷片的上下表面镀有铜电极，所述的压电陶瓷片通过电胶粘贴在钢梁上方位于质量块的一端，并引出电极，用于收集压电陶瓷产生的电荷。

4.根据权利要求3所述的多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述第二磁铁与所述第一磁铁在同一平面上。

5.根据权利要求2所述的多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述的多个多稳态压电悬臂梁的个数为12个，所述质量块为1个，所述质量块为长方体结构，所述质量块的每侧均匀设置有3个多稳态压电悬臂梁。

6.根据权利要求1所述的多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述弹簧件为4个。

7.根据权利要求1所述的多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述固定件为2个。

8.根据权利要求1所述的多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述阻尼件为1个。

9.根据权利要求1所述的多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述的钢梁为扁平的长条形状。

10.根据权利要求1所述的多稳态调谐质量压电俘能器，其特征在于，所述封装箱为长方体结构。

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