CN112468016A - 一种车载压电悬臂梁-非对称摆式多向能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载压电悬臂梁‑非对称摆式多向能量收集装置，包括固定单元、悬臂梁基板、压电元件、摆杆连接单元和非对称摆结构，所述悬臂梁基板水平安装，所述压电元件设置在所述悬臂梁基板上，所述悬臂梁基板包括自由端和固定端，所述固定单元与悬臂梁基板的固定端固定连接，所述非对称摆结构通过所述摆杆连接单元安装在悬臂梁基板的自由端。该能量收集装置将非对称摆结构装设于单悬臂梁基板的自由端，并通过设计非对称摆和压电悬臂梁的结构尺寸，使得非对称摆的固有频率为装置整体固有频率的一半。
Description
技术领域
本发明涉及能量收集领域，尤其适合收集车辆行驶时低频振动产生的能量，为车载分布式或嵌入式无线传感器供电，具体为一种车载压电悬臂梁-非对称摆式多向能量收集装置。
背景技术
随着汽车智能化的发展，越来越多的传感器被安装在汽车上，对于车载传感器系统的稳定性、节能性和维护成本的要求越来越高。过去，系统大多依靠传统的化学电池供电，但化学电池存在寿命短、在某些条件下更换电池操作复杂且花费较高、能源散逸、环境污染等众多问题，无法很好的满足实际使用的需要。因此，如何实现自主发电，使这些器件具备能源自给的能力，是系统进一步实用化、商品化的关键。
目前可用于收集的能量源主要包括太阳能、热能和机械能等。相比之下，机械振动能在环境中广泛存在，其存在形式多样，具有不同的强度和频率，应用前景更好。利用能量收集技术，将环境中普遍存在的振动能转化为电能，为实现传感器系统安全可靠的工作提供绿色能源支撑成为人们关注的焦点。机械振动能转化为电能的方法主要有静电式、电磁式和压电式。压电式能量收集装置因其构造相对不复杂、价格较便宜且无需启动电源等优点而备受关注，因此，在一些不便更换电池的场合具有广阔的发展前景。
在众多压电式能量收集装置中，单悬臂梁结构具有构造简单、造价便宜的优点，关于该结构的研究也最为成熟，但传统的单悬臂梁-质量块结构往往只对单个方向的激励敏感，且频带很窄，只能在某个特定的频率下有较好的表现，因此实际应用时具有很大的局限性。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种车载压电悬臂梁-非对称摆式多向能量收集装置，用非对称摆代替普通质量块，与单悬臂梁共同组成拾振结构，收集低频环境下任意方向的振动能量，为车载无线传感器供电。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种车载压电悬臂梁-非对称摆式多向能量收集装置，包括固定单元、悬臂梁基板、压电元件、摆杆连接单元和非对称摆结构，所述悬臂梁基板水平安装，所述压电元件设置在所述悬臂梁基板上，所述悬臂梁基板包括自由端和固定端，所述固定单元与悬臂梁基板的固定端固定连接，所述非对称摆结构通过所述摆杆连接单元安装在悬臂梁基板的自由端。
进一步的，所述非对称摆结构包括2个质量不同的球体和1根摆杆，摆杆的两端分别连接1个球体，摆杆的中部通过摆杆连接单元设置在悬臂梁基板的自由端。
进一步的，质量小的所述球体设置在所述自由端的上方，质量小的所述球体设置在所述自由端的上方，所述质量小的球体对应的摆杆的长度小于等于所述质量大的球体对应的长度
进一步的，所述摆杆为轻质刚性细杆。
进一步的，所述能量收集装置的固定频率为所述非对称摆结构的固定频率的2倍。
进一步的，所述悬臂梁基板为长条形。
进一步的，所述压电元件设置在悬臂梁基板的相对两侧面。
进一步的，所述固定单元为2个对称安装的L型安装座，所述L型安装座夹住所述悬臂梁基板，使得所述悬臂梁基板保持水平状态。
本发明的有益效果：
本发明提供一种车载压电悬臂梁-非对称摆式多向能量收集装置，将非对称摆结构装设于单悬臂梁基板的自由端，并通过设计非对称摆和压电悬臂梁的结构尺寸，使得非对称摆的固有频率为装置整体固有频率的一半。当车辆行驶时因自身或路面不平产生的低频振动来自任意方向时，将激励分解为与悬臂梁基板垂直和与悬臂梁基板水平方向，垂直于悬臂梁方向的激励使悬臂梁直接形变，压迫压电元件形变，使压电片产生电能；水平于悬臂梁方向的激励作用于非对称摆结构，利用非对称摆与悬臂梁1∶2的固定频率关系产生内共振，将能量转移至悬臂梁，从而间接带动悬臂梁形变，压迫压电元件形变，使压电片产生电能。这样，本发明就能实现任意方向振动能量的收集。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的固定单元结构图；
图3为本发明非对称摆结构图；
其中：1、固定单元；1-1、第一安装板；1-2、第二安装板；2、悬臂梁基板；3、压电元件；4、摆杆连接单元；5、非对称摆结构。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种车载压电悬臂梁-非对称摆式多向能量收集装置包括固定单元1，悬臂梁基板2，压电元件3，摆杆连接单元4和非对称摆结构5。
其中，所述固定单元1可与车辆的悬架、车架、车厢等位置固定连接，所述悬臂梁基板2包括自由端和固定端，所述固定单元1与固定端固定连接，所述非对称摆结构5通过所述摆杆连接单元4安装在自由端。
所述固定单元1为吊装结构，凡是能将该能量收集装置水平安装的吊装结构均可适用。在本实施例中，具体结构如图2所示，所述固定单元1为2个对称安装的L型安装座，所述L型安装座包括第一安装板1-1和第二安装板1-2，所述第一安装板1-1的一端与所述第二安装板1-2的一端垂直连接，两者形成L型结构；所述第一安装板1-1上开设有一安装孔，2个第一安装板1-1对称安装，用于夹住悬臂梁基板2以及压电元件3，再通过螺栓等方式紧固；在所述第二安装板1-2上开设有两个安装孔，用于将该能量收集装置固定在车辆的悬架、车架、车厢等位置，再通过螺栓等方式紧固。
这里的L型安装座优选金属材质，具有较大的抗冲击韧性和抗疲劳性，更适宜在车载颠簸的环境下，固定该能量收集装置。
所述悬臂梁基板2为长条形。
所述压电元件3可采用现有技术中的压电器件。压电器件是利用材料的压电效应(如石英晶体)制成的器件，通常情况下，数压电器件的结构由电极、压电片、支架和外壳组成。当电信号频率接近压电片的固有频率时，压电器件靠逆压电效应产生机械谐振，谐振频率主要决定于压电片的尺寸和形状。本实施例中，压电元件3优选两个与悬臂梁基板2的宽度相同的长条形的压电陶瓷片，两个所述压电陶瓷片分别设置在所述悬臂梁基板2的相对侧。压电元件3的压电陶瓷片可布满整个悬臂梁基板2，也可不布满。
所述非对称摆结构5的具体结构如图3所示，所述非对称摆结构5包括2个质量不同的球体和1根摆杆，摆杆为轻质刚性细杆，摆杆的每一端连接1个球体，摆杆的中部通过摆杆连接单元4设置在悬臂梁基板2的自由端，摆杆相对所述悬臂梁基板2非对称安装。
也就是说，该非对称摆结构5通过所述摆杆连接单元4与所述悬臂梁基板2的端部连接，当车辆的振动传至该能量收集装置时，悬臂梁基板2的端部的非对称摆结构5也一起摆动，即两个球体可自由活动，但由于摆杆为刚性杆，球体自由活动时，摆杆不会发生弯曲。
优选的，质量小的球体设置在悬臂梁基板2的自由端的上方，质量大的球体设置在悬臂梁基板2的自由端的下方，上方对应的摆杆长度小于等于下方
为了能达到该能量收集装置的最佳效果，设该非对称摆结构5的固有频率为ω0，而当该能量收集装置整体的固有频率为2ω0时，该装置的能量收集效果最佳。
该非对称摆结构5的固有频率由非对称摆结构自身的结构尺寸决定，为一确定值。而该能量收集装置的固定频率则由摆非对称摆结构5和悬臂梁基板2的结构尺寸共同决定。
也就是说，该能量收集装置产生1∶2的内共振，是该能量收集装置的最佳效果；而当该能量收集装置的固有频率是非对称摆结构5的固有频率的2倍时，是该能量收集装置产生1∶2的内共振的前提条件。
故在设计装置的尺寸时，可先确定非对称摆结构5的尺寸，得到非对称摆的固有频率为ω0，再设计悬臂梁基板2的结构尺寸，使得装置整体的固有频率为2ω0
当外界激励频率在ω0附近时，该装置既可以在ω0附近产生共振，同时由于1∶2的内共振，装置又可以在2ω0附近产生共振，从而大幅提升能量收集效果。
在仅考虑梁的一阶模态的情况下，传统的单悬臂梁-质量块结构，由于悬臂梁只能在竖直方向弯曲，因而只对竖直方向的激励敏感，而且只能在一个特定频率(其自身的固有频率)下达到最佳响应，难以适用于现实生活中复杂的应用环境。
而本实施例中，由于在悬臂梁基板2的端部设置了一个可自由运动的非对称摆结构5，在没有增加结构复杂性的基础上，相比于传统单悬臂梁结构具有三大独特优势：其一是能量收集的多向性，传统悬臂梁无法对来自悬臂梁基板2水平方向的激励起作用，而本结构通过非对称摆结构5的运动使能量流入悬臂梁基板2，带动悬臂梁基板2的弯曲振动，当振动来自与所述悬臂梁基板2水平方向时，可使得非对称摆运动，通过1∶2的内共振间接带动所述悬臂梁基板2弯曲振动，使得所述压电元件3发生形变，产生电能，从而完成水平方向的能量收集，普通质量块则无法做到这一点；其二是相比于传统悬臂梁只能在自身固有频率下共振，本实施例既可以在非对称摆结构5的固有频率下实现水平方向的共振，又可以在该能量收集装置整体的固有频率下实现竖直方向的共振，因此在实际应用时可以根据此特点进行有针对性的设计，以满足更复杂应用场景的需求；其三，由于悬臂梁基板2和非对称摆结构5之间的非线性耦合作用，本实施例的输出响应还具备一定的宽频效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种车载压电悬臂梁-非对称摆式多向能量收集装置，其特征在于，包括固定单元、悬臂梁基板、压电元件、摆杆连接单元和非对称摆结构，所述悬臂梁基板水平安装，所述压电元件设置在所述悬臂梁基板上，所述悬臂梁基板包括自由端和固定端，所述固定单元与悬臂梁基板的固定端固定连接，所述非对称摆结构通过所述摆杆连接单元安装在悬臂梁基板的自由端。
2.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于，所述非对称摆结构包括2个质量不同的球体和1根摆杆，摆杆的两端分别连接1个球体，摆杆的中部通过摆杆连接单元设置在悬臂梁基板的自由端。
3.根据权利要求2所述的能量收集装置，其特征在于，质量小的所述球体设置在所述自由端的上方，质量小的所述球体设置在所述自由端的上方，所述质量小的球体对应的摆杆的长度小于等于所述质量大的球体对应的长度。
4.根据权利要求2所述的能量收集装置，其特征在于，所述摆杆为轻质刚性细杆。
5.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于，所述能量收集装置的固定频率为所述非对称摆结构的固定频率的2倍。
6.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于，所述悬臂梁基板为长条形。
7.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于，所述压电元件设置在悬臂梁基板的相对两侧面。
8.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于，所述固定单元为2个对称安装的L型安装座，所述L型安装座夹住所述悬臂梁基板，使得所述悬臂梁基板保持水平状态。
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