CN113224977B - 方向与频率双重自适应的振动能量采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，属于能量采集技术领域。转动单元位于支撑单元内部、且与支撑单元转动连接，所述移动单元位于转动单元内部，且与转动单元固定连接，所述能量采集单元位于移动单元内部且与移动单元滑动连接。优点是使用单悬臂梁实现了方向与频率的双重自适应能量采集，结构新颖，易于制造与安装，且使用灵活，具有较强的环境适应性，可以提高压电能量采集效率。
Description
技术领域
本发明属于能量采集技术领域，具体涉及一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器。
背景技术
无线传感网络在国防军事、生物医疗、生态环境监测等领域的应用日趋广泛，由于无线传感网络节点在某些场合难以更新维护，其能量供给一直是研究人员关注的前沿与热点问题。为了利用现实环境中无处不在的振动能量，研究人员提出了压电振动能量采集技术。其中，悬臂梁式压电振动能量采集器因结构简单、能量转换效率高，得到了广泛地研究和应用。
传统的悬臂梁式压电振动能量采集器，只能在其法线振动方向上和自身谐振频率附近有较大电压输出，一旦外界激励偏离其法线振动方向和谐振频率，输出电压便骤然下降。而在实际应用中，环境激励的方向与频率往往是不断变化的，工作方向与频率单一的单悬臂梁式压电振动能量采集器已无法满足使用需求。为了解决这一问题，专利CN102013837A公布了一种蒲公英状多方向、宽频带压电振动能量收集装置，将多个不同朝向、不同谐振频率的悬臂梁安装在球状支撑体上收集多方向、宽频带的振动能量；专利CN210839391U公布了一种悬臂梁式非线性压电振动能量采集器，通过手动调整悬臂梁的长度来改变悬臂梁的谐振频率，与外部激励频率进行有效匹配。但以上能量采集器结构复杂、功率密度小，甚至需要消耗额外的能量进行主动调谐，无法跟随环境振动方向和频率的改变进行被动自适应的调整，在复杂时变的振动环境中能量采集效率较低。
发明内容
本发明提供一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，以解决现有能量采集器无法自动跟随环境振动方向和频率变化的缺点，其无需外界提供任何形式的能量，通过释放悬臂梁的转动自由度实现方向自适应，通过释放悬臂梁的移动自由度改变其谐振频率实现频率自适应，
本发明采取的技术方案是：包括支撑单元、转动单元、移动单元、能量采集单元，其中转动单元位于支撑单元内部、且与支撑单元转动连接，所述移动单元位于转动单元内部，且与转动单元固定连接，所述能量采集单元位于移动单元内部且与移动单元滑动连接。
本发明所述支撑单元包括两个支撑座或一个支撑座和一个端盖、减摩套、连接螺栓和螺母，其中两个支撑座或一个支撑座和一个端盖通过连接螺栓和螺母固定连接，所述减摩套与支撑座固定连接；
本发明所述两个支撑座通过定位销定位。
本发明所述减摩套至少含有一个回转圆周面用于与转动单元实现转动连接。
本发明所述减摩套可采用滑动轴承、滚动轴承或减摩涂层。
本发明所述转动单元为回转类零件。
本发明所述移动单元包括两个移动基体和一个限位销，其中两个移动基体通过限位销确定相对位置并固定连接。
本发明所述移动基体包含有矩形浅槽、矩形深槽和定位孔，为能量采集单元提供移动空间。
本发明所述能量采集单元包括悬臂梁、压电拾振结构、质量块、弹性元件；其中压电拾振结构、质量块、弹性元件与悬臂梁固定连接，悬臂梁有一个矩形孔和偶数个圆柱形孔，弹性元件安装于悬臂梁的圆柱形孔内。
本发明所述压电拾振结构为PZT压电陶瓷或PVDF压电薄膜。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过转动单元释放悬臂梁的转动自由度，在一定角度范围内可实现悬臂梁的被动自适应转动，以适应激励方向变化，提高能量采集效率，弥补现有多方向能量采集器无法主动适应激励方向变化的缺点。
2、本发明通过移动单元释放悬臂梁的移动自由度，悬臂梁自身根据激励频率的变化被动自适应调整两侧悬伸长度，从而调整自身的谐振频率，可实现频率自调谐功能，弥补现有宽频能量采集器需消耗额外能量进行主动调谐的缺点。
3、本发明通过释放转动自由度和移动自由度，在单悬臂梁运动中耦合了振动、转动和移动三种运动状态，构建了一种新形式的多自由度振动模型，且振动与转动的耦合关系将使得能量在两种运动状态间迁移进而引起内共振等现象，为研究非线性振动理论提供了新的载体。
4、本发明使用单悬臂梁实现了方向与频率的双重自适应能量采集，结构简单，易于制造与安装，且使用灵活，具有较强的环境适应性，可以提高压电能量采集效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例1的半剖视图；
图3是本发明实施例1支撑单元的爆炸图；
图4是本发明实施例1支撑单元的剖面图；
图5是本发明实施例1转动单元的结构示意图；
图6是本发明实施例1移动单元与能量采集单元的结构示意图；
图7是本发明实施例1能量采集单元的局部爆炸图；
图8是本发明实施例2的半剖视图；
图9是本发明实施例2支撑单元与转动单元的结构示意图；
图10是本发明实施例2支撑单元与转动单元的剖面图；
图11是本发明实施例2移动单元与能量采集单元的示意图；
图12是本发明实施例1的方向自适应过程受力图；
图13是本发明的方向自适应结构在不同激励方向下的实验图；
图14是本发明的方向自适应结构与固定式悬臂梁结构的扫频对比图；
图15是本发明的频率自适应过程受力图；
图16是本发明的频率自适应结构与固定式悬臂梁结构的扫频对比图。
具体实施方式
以下附图用来对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
如图1所示，一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，包括支撑单元Ⅰ、转动单元Ⅱ、移动单元Ⅲ、能量采集单元Ⅳ，其中转动单元Ⅱ位于支撑单元Ⅰ内部、且与支撑单元Ⅰ转动连接，所述移动单元Ⅲ位于转动单元Ⅱ内部，且与转动单元Ⅱ固定连接，所述能量采集单元Ⅳ位于移动单元Ⅲ内部且与移动单元Ⅲ滑动连接。
本发明所述支撑单元I包括两个支撑座或一个支撑座和一个端盖、减摩套、连接螺栓和螺母，其中两个支撑座或一个支撑座和一个端盖通过连接螺栓和螺母固定连接，所述减摩套与支撑座固定连接；
本发明所述两个支撑座通过定位销定位。
本发明所述减摩套至少含有一个回转圆周面用于与转动单元实现转动连接。
本发明所述减摩套可采用滑动轴承、滚动轴承或减摩涂层。
本发明所述转动单元II为回转类零件。
本发明所述移动单元III包括两个移动基体和一个限位销，其中两个移动基体通过限位销确定相对位置并固定连接。
本发明所述移动基体包含有矩形浅槽、矩形深槽和定位孔，为能量采集单元提供移动空间。
本发明所述能量采集单元IV包括悬臂梁、压电拾振结构、质量块、弹性元件；其中压电拾振结构、质量块、弹性元件与悬臂梁固定连接，悬臂梁有一个矩形孔和偶数个圆柱形孔，弹性元件安装于悬臂梁的圆柱形孔内。
本发明所述压电拾振结构为PZT压电陶瓷或PVDF压电薄膜。
实施例1
如图2所示，一种方向与频率双重自适应振动能量采集器，包括支撑单元1、转动单元2、移动单元3、能量采集单元4。
如图3所示，所述支撑单元1包括支撑座101、定位销102、减摩套103、连接螺栓104、螺母105；其中所述两个支撑座101通过定位销102定位并通过连接螺栓104和螺母105固定连接，减摩套103与支撑座101内部固定连接；
如图3所示，所述支撑座101内侧开有三段安装孔，孔内侧圆周面分别为圆柱面一10101、圆锥面一10102、圆柱面二10103，其中圆柱面一10101直径小于圆柱面二10103直径；所述支撑座101内端面开有两个销孔10104和四个螺栓孔10105。
如图3所示，所述减摩套103为回转类零件，其外侧圆周面包括圆柱面三10301、圆锥面二10302、圆柱面四10303，其中圆柱面三10301直径小于圆柱面四10303直径；其内侧圆周面包括圆柱面五10304、圆锥面三10305、圆柱面六10306，其中圆柱面五10304直径小于圆柱面六10306直径。
如图2所示，减摩套103可以设计为滑动轴承结构，所述圆柱面三10301、圆锥面二10302、圆柱面四10303通过过盈配合与支撑座101圆柱面一10101、圆锥面一10102、圆柱面二10103固定连接。
另外，减摩套103可以与支撑座101设计为一体结构，例如在支撑座101的内侧圆周面上涂镀减摩涂层，所述圆柱面三10301、圆锥面二10302、圆柱面四10303与支撑座101圆柱面一10101、圆锥面一10102、圆柱面二10103固定连接。
如图4所示，减摩套103可以设计为滚动轴承结构，安装于支撑座101圆柱面一10101、圆锥面一10102、圆柱面二10103中。
如图5所示，所述转动单元2为回转类零件，其外表面与两个减摩套103转动连接，其内表面与移动单元3固定连接，所述转动单元2外侧表面包括五个圆周面，从左至右分别为圆柱面七201、圆锥面四202、圆柱面八203、圆锥面五204、圆柱面九205，其中圆柱面七201与圆柱面九205直径相等，且小于圆柱面八203直径；所述圆柱面七201、圆锥面四202、圆柱面八203、圆锥面五204、圆柱面九205分别与两个减摩套103的圆柱面五10304、圆锥面三10305、圆柱面六10306间隙配合或过渡配合构成转动连接关系；所述圆柱面七201、圆锥面四202、圆柱面八203、圆锥面五204、圆柱面九205涂镀有减摩材料涂层或经过特殊减摩处理；
如图5所示，所述转动单元2的内表面206为圆柱形，通过过盈配合与移动单元3固定连接；
另外，转动单元2的内表面206为棱柱形，通过过盈配合与移动单元3固定连接。
如图6所示，所述移动单元3包括移动基体301、限位销302，其中两个移动基体301通过限位销302确定相对位置并固定连接。
如图6所示，所述移动基体301上包括矩形浅槽一30101、矩形深槽一30102、中心销孔一30103，其中矩形浅槽一30101贯穿整个移动基体301，矩形深槽一30102、中心销孔一30103位于移动基体301的中心，矩形深槽一30102宽度与矩形浅槽一30101宽度相同；所述矩形浅槽一30101、矩形深槽一30102为能量采集单元4提供移动空间；
所述限位销302为阶梯轴类零件，从上至下包括圆柱面十30201、圆柱面十一30202、圆柱面十二30203，其中圆柱面十30201、圆柱面十二30203直径相同且小于圆柱面十一30202直径；所述圆柱面十30201、圆柱面十二30203分别与两个移动基体301上的中心销孔一30103配合。
如图6所示，所述移动单元3可以为圆柱形，通过过盈配合与转动单元2固定连接；
另外，所述移动单元3可以为棱柱形，通过过盈配合与转动单元2固定连接。
如图6所示，所述能量采集单4元包括悬臂梁401、压电拾振结构402、质量块403、弹性元件404；其中压电拾振结构402、质量块403、弹性元件404与悬臂梁401固定连接。
如图7所示，所述悬臂梁401为矩形梁，其宽度小于移动基体301上的矩形浅槽一30101的宽度0.5～1mm；所述悬臂梁401上有一个矩形孔一40101和偶数个圆形孔一40102；其中，矩形孔一40101相对于悬臂梁中心线不对称，且长度比移动基体301矩形深槽一30102的长度小3～5mm；圆形孔一40102分别位于矩形孔一40101两侧，且相对于悬臂梁上下对称；
如图7所示，圆形孔一40102的数目为4个，且弹性元件404安装于悬臂梁的圆形孔一40102中且位于限位销302的两侧；所述悬臂梁401材料为钢、铍青铜或聚乙烯等弹性材料；所述压电拾振结构402可以为PZT压电陶瓷或PVDF压电薄膜。
实施例2
如图8所示，一种方向与频率双重自适应振动能量采集器，包括支撑单元5、转动单元6、移动单元7、能量采集单元8。
如图9所示，所述支撑单元包括支撑座501、端盖502、减摩套503、连接螺栓504、螺母505；其中所述支撑座501与端盖502通过连接螺栓504和螺母505固定连接。
如图9所示，所述支撑座501内侧开有三段安装孔，孔内侧圆周面分别为圆柱面十三50101、圆锥面六50102、圆柱面十四50103，其中圆柱面十三50101直径小于圆柱面十四50103直径。
如图9所示，所述减摩套503设计为回转类零件，其外侧圆周面包括圆柱面十五50301、圆锥面七50302、圆柱面十六50303，其中圆柱面十五50301直径小于圆柱面十六50303直径；其内侧圆周面包括圆柱面十七50304、圆锥面八50305、圆柱面十八50306，其中圆柱面十七50304直径小于圆柱面十八50306直径。
如图9所示，减摩套503可以设计为滑动轴承结构，所述圆柱面十五50301、圆锥面七50302、圆柱面十六50303通过过盈配合与支撑座501圆柱面十三50101、圆锥面六50102、圆柱面十四50103固定连接。
另外，减摩套503可以与支撑座501设计为一体结构，例如在支撑座501的内侧圆周面上涂镀减摩涂层，所述圆柱面十五50301、圆锥面七50302、圆柱面十六50303与支撑座501圆柱面十三50101、圆锥面六50102、圆柱面十四50103固定连接。
如图10所示，减摩套503可以设计为滚动轴承结构，安装于支撑座501圆柱面十三50101、圆锥面六50102、圆柱面十四50103中。
如图9所示，所述转动单元6为回转类零件，其外表面与减摩套503转动连接，其内表面与移动单元7固定连接。所述转动单元6外侧表面包括三个圆周面，从右至左分别为圆柱面十九601、圆锥面九602、圆柱面二十603，其中圆柱面十九601直径小于圆柱面二十603直径；进一步，所述圆柱面十九601、圆锥面九602、圆柱面二十603分别与减摩套503圆柱面十七50304、圆锥面八50305、圆柱面十八50306间隙配合或过渡配合构成转动连接关系；所述圆柱面十九601、圆锥面九602、圆柱面二十603涂镀有减摩材料涂层或经过特殊减摩处理；
如图9所示，所述转动单元6的内表面604为圆柱形，通过过盈配合与移动单元5固定连接；
另外，所述转动单元6的内表面604或为棱柱形，通过过盈配合与移动单元5固定连接。
如图11所示，所述移动单元7包括移动基体701、限位销702，其中两个移动基体701通过限位销702确定相对位置并固定连接。
如图11所示，所述移动基体701上包括矩形浅槽二70101、矩形深槽二70102、中心销孔二70103，其中矩形浅槽二70101贯穿整个移动基体701，矩形深槽二70102、中心销孔二70103位于移动基体701的一端，矩形深槽二70102宽度与矩形浅槽二70101宽度相同；所述矩形浅槽二70101、矩形深槽二70102为能量采集单元8提供移动空间。所述限位销702为阶梯轴类零件，从上至下包括圆柱面二十一70201、圆柱面二十二70202、圆柱面二十三70203，其中圆柱面二十一70201、圆柱面二十三70203直径相同且小于圆柱面二十二70202直径；所述圆柱面二十一70201、圆柱面二十三70203分别与两个移动基体701上的中心销孔二70103配合。
如图11所示，所述移动单元7可以为圆柱形，通过过盈配合与转动单元6固定连接；
另外，所述移动单元7可以为棱柱形，通过过盈配合与转动单元6固定连接。
如图11所示，所述能量采集单元8包括悬臂梁801、压电拾振结构802、质量块803、弹性元件804；其中，压电拾振结构802、质量块803、弹性元件804与悬臂梁801固定连接。
如图11所示，所述悬臂梁801上设计有一个矩形孔二80101和2个圆形孔二80102；其中，圆形孔二80102分别位于矩形孔二80101两侧，且相对于悬臂梁上下对称，弹性元件404安装于悬臂梁的圆形孔二80102中且位于限位销702的外侧；所述悬臂梁801材料为钢、铍青铜或聚乙烯等弹性材料；所述压电拾振结构802可以为PZT压电陶瓷或PVDF压电薄膜。
本发明所述支撑单元用于支撑整个系统，感知与传递环境激励，直接与转动单元配合，提供转动自由度和可控的转动摩擦力，并限制转动单元左右移动；所述转动单元可以绕支撑单元旋转，内部安装并固定移动单元，当外部激励方向变化时，转动单元能够带动移动单元和能量采集单元绕支撑单元旋转，使悬臂梁的振动幅值保持最大；所述移动单元用于释放能量采集单元的移动自由度，当外部激励频率变化时，能量采集单元可以在移动单元的内部沿着轴向移动，使能量采集单元的某一侧悬臂梁谐振频率处于激励频率附近，获得最大的振动幅值；所述能量采集单元用于采集悬臂梁的振动特征，并通过压电效应，将振动能量转化为电能输出到负载或存储器，能量采集单元可以在转动单元和移动单元的带动下绕轴向旋转和移动，实现方向自适应和频率自适应的功能，在一定的转角范围内和频率范围内最大效率的采集振动能量。
下面以实施例1为例分别说明其方向自适应与频率自适应的过程与工作原理。
方向自适应振动能量采集器的工作过程：如图12(c)所示，悬臂梁稳定振动时，外界激励方向与悬臂梁法线方向(即悬臂梁弯曲振动方向)一致，此时悬臂梁振幅最大，能量采集单元输出最大的能量。当外界激励方向变化时，如图12(a)所示，外界激励方向与悬臂梁法线方向存在夹角θ，此时悬臂梁弯曲振动的离心力F产生一个促使悬臂梁转动的等效力矩M，带动转动单元相对于支撑单元旋转。旋转过程中，夹角θ逐渐变小，悬臂梁的振幅则逐渐增大，如图12(b)所示，其等效力矩M’也逐渐增大，进一步促使转动单元继续旋转。当转至悬臂梁的弯曲振动方向与外界激励方向一致时，如图12(c)所示，等效力矩M”变为零，悬臂梁在此位置产生稳定状态的振动。
图13为同一激励下不同夹角θ(外界激励方向与悬臂梁法线方向的夹角)的方向自适应能量采集结构的输出电压图，图中可以看出，悬臂梁输出电压从小逐渐变大至某一稳定值，即在不同的激励方向下，悬臂梁均能自动调整到与外界激励方向一致的位置，产生稳定的振动。图14为本发明所提出的方向自适应悬臂梁结构与固定式悬臂梁结构输出电压对比图(MATLAB扫频)，图中可以看出，方向自适应悬臂梁结构最高输出电压为2.5V，而固定式悬臂梁在夹角为20°、40°、60°、80°时的最高输出电压分别为2.3V、1.9V、1.3V、0.4V。因此，本发明所述的方向自适应能量采集器能够适应激励方向的变化，相比于固定式悬臂梁结构，具有较高的能量采集效率。
频率自适应振动能量采集器的工作过程：初始状态下能量采集单元中的悬臂梁两侧的悬伸长度不同，其两侧悬臂梁的谐振频率便不同，因此当外界激励频率变化时，谐振频率与外界激励频率最接近的一侧悬臂梁会产生更大的振幅，其离心力也更大。如图15所示，两端的离心力F1和F2的水平分量Fx1和Fx2不相等引起悬臂梁沿轴向移动。在悬臂梁移动过程中，会进一步引起两侧悬臂梁的长度变化，使得一侧的谐振频率更接近于外界激励频率，离心力差加大进一步带动悬臂梁继续移动。同时悬臂梁上的弹性元件受到限位销的阻碍，产生一个弹性恢复力Fs，且该恢复力也逐渐变大，最终与离心力差相等，即Fs＝Fx1-Fx2，悬臂梁在该位置产生稳定的振动，且此时某一侧悬臂梁的谐振频率处于激励频率附近，能量采集效率较高。
由于弹性元件可以提供一个随位移变化的弹性恢复力，悬臂梁在限位槽范围内理论上存在无数个平衡位置与外界激励频率相匹配，因此可以较大的拓宽能量采集频率范围，使得悬臂梁在一定频率范围内具有频率自适应功能。
图16为本发明所提出的频率自适应悬臂梁结构与固定式悬臂梁结构输出电压对比图(MATLAB扫频)，当从0Hz向上扫频时，频率自适应悬臂梁结构虽然在谐振频率范围内最高输出电压略有下降，但其谐振频率范围是固定式悬臂梁结构的三倍。图中可以看出，本发明能够在一定范围内适应外界激励频率的变化，相比于固定式悬臂梁结构，具有较大的带宽和较高的能量采集效率。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，其特征在于：包括支撑单元、转动单元、移动单元、能量采集单元，其中转动单元位于支撑单元内部、且与支撑单元转动连接，所述移动单元位于转动单元内部，且与转动单元固定连接，所述能量采集单元位于移动单元内部且与移动单元滑动连接；
所述移动单元包括两个移动基体和一个限位销，其中两个移动基体通过限位销确定相对位置并固定连接；移动基体上包括矩形浅槽一、矩形深槽一、中心销孔一，其中矩形浅槽一贯穿整个移动基体，矩形深槽一、中心销孔一位于移动基体的中心，矩形深槽一宽度与矩形浅槽一宽度相同；限位销位于中心销孔一中；所述能量采集单元包括悬臂梁、压电拾振结构、质量块、弹性元件；悬臂梁在矩形浅槽一、矩形深槽一内部滑动；悬臂梁上有一个矩形孔一和偶数个圆形孔一；其中，矩形孔一相对于悬臂梁中心线不对称，且长度比移动基体矩形深槽一的长度小；圆形孔一分别位于矩形孔一两侧，且相对于悬臂梁上下对称，弹性元件安装于悬臂梁的圆柱形孔内；弹性元件与限位销相配合为悬臂梁的滑动提供弹性恢复力。
2.根据权利要求1所述的一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，其特征在于：所述支撑单元包括两个支撑座或一个支撑座和一个端盖、减摩套、连接螺栓和螺母，其中两个支撑座或一个支撑座和一个端盖通过连接螺栓和螺母固定连接，所述减摩套与支撑座固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，其特征在于：所述两个支撑座通过定位销定位。
4.根据权利要求2所述的一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，其特征在于：减摩套至少含有一个回转圆周面用于与转动单元实现转动连接。
5.根据权利要求2所述的一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，其特征在于：所述减摩套采用滑动轴承、滚动轴承或减摩涂层。
6.根据权利要求1所述的一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，其特征在于：所述转动单元为回转类零件。
7.根据权利要求1所述的一种方向与频率双重自适应的振动能量采集器，其特征在于：所述压电拾振结构为PZT压电陶瓷或PVDF压电薄膜。
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