CN113659869A - 一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法 - Google Patents

一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法，包括能量采集装置以及与所述能量采集装置连接的能量管理电路；所述能量采集装置包括载物台、弹簧、阻尼计、悬块和压电材料；所述弹簧的第一端与所述载物台固定连接；所述弹簧的第二端与所述悬块的底部固定连接，且位于所述悬块底部的中心区域；所述压电材料和所述阻尼计对称设置在所述载物台与所述悬块之间的间隙中，且所述压电材料的厚度与该间隙的高度保持一致。在保证压电材料电压电流输出特性的同时，提高了计算速度和效率。

Description

一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法
技术领域
本发明涉及模数转换器技术领域，具体而言，涉及一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法。
背景技术
建立压电材料磁场能量采集装置的模型是对其进行理论分析与计算的基础。对悬梁式压电材料能量采集装置而言，使用有限元的方法能够得到较为精确的压电材料电压电流输出特性，但计算速度和效率较低。在实际的工作过程中，悬梁式压电材料能量采集装置振动幅值一般很小并且属于单自由度振动，此时对于线性压电材料，需要提供一种方案以建立一个能够对能量采集装置进行快速的建模分析，提高计算速度和效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法，用以实现对能量采集装置进行快速的建模分析的同时提高计算速度和效率的技术效果。
第一方面，本发明提供了一种传感器无线能量采集装置模型，包括能量采集装置以及与所述能量采集装置连接的能量管理电路；所述能量采集装置包括载物台、弹簧、阻尼计、悬块和压电材料；所述弹簧的第一端与所述载物台固定连接；所述弹簧的第二端与所述悬块的底部固定连接，且位于所述悬块底部的中心区域；所述压电材料和所述阻尼计对称设置在所述载物台与所述悬块之间的间隙中，且所述压电材料的厚度与该间隙的高度保持一致。
进一步地，所述能量管理电路为串联同步开关电感电路、并联同步开关电感电路或者同步电荷提取电路中的任意一种。
第二方面，本发明提供了一种传感器无线能量采集装置模型的计算方法，应用于上述的传感器无线能量采集装置模型，包括：S1.为能量采集装置预施加一个外力并检测压电材料输出的电压和电流；S2.根据所述电压和电流分析得到所述外力与压电材料的能量平衡关系；S3.根据所述能量平衡关系结合对应的能量管理电路分析得到各个能量管理电路的负载功率、整流电压以及压电材料振动幅值与外力幅值之间的关系。
进一步地，所述S2中能量转换关系的计算方式为：
Figure BDA0003136942800000021
Figure BDA0003136942800000022
式中，F表示施加的外力；u表示悬块的振动位移；
Figure BDA0003136942800000023
表示悬块的振动速度；M表示悬块的质量；KE表示压电材料短路时弹簧对应的刚度；C表示阻尼；α表示压电材料的力电耦合系数；V表示压电材料输出的电压；t表示时间常数；
Figure BDA0003136942800000024
表示外力输入能量；
Figure BDA0003136942800000025
表示悬块的动能；
Figure BDA0003136942800000026
表示弹簧的弹性势能；
Figure BDA0003136942800000027
表示机械损耗的能量；
Figure BDA0003136942800000028
表示转换的电能；
Figure BDA0003136942800000029
表示压电材料内电容存储的能量；∫VIdt表示压电材料输出的电能。
进一步地，当所述能量管理电路为串联同步开关电感电路时，所述S3中整流电压和负载功率的计算方式为：
Figure BDA00031369428000000210
Figure BDA00031369428000000211
式中，VDC表示电路输出的整流电压；P表示负载功率；α表示压电材料的力电耦合系数；UM表示压电材料的振动幅值；RLoad表示负载；C0表示压电材料的内电容；γ表示常数；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度。
进一步地，当所述能量管理电路为串联同步开关电感电路时，则所述压电材料振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
Figure BDA0003136942800000031
通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系：
Figure BDA0003136942800000032
式中，A1表示串联同步开关电感电路的机械损耗；A2表示串联同步开关电感电路中转换的电能；A3表示串联同步开关电感电路中压电材料内电容存储的能量；VM表示电路中的电荷转移后压电材料电压的幅值；Vm表示压电材料未发生电荷转移的输出电压。
进一步地，当所述能量管理电路为并联同步开关电感电路时，则所述S3中整流电压VDC和负载功率P的计算方式为：
Figure BDA0003136942800000033
Figure BDA0003136942800000041
式中，VDC表示电路输出的整流电压；P表示负载功率；α表示压电材料的力电耦合系数；UM表示压电材料的振动幅值；RLoad表示负载；C0表示压电材料的内电容；γ表示常数；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度。
进一步地，当所述能量管理电路为并联同步开关电感电路时，则所述压电材料振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
Figure BDA0003136942800000042
通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系：
Figure BDA0003136942800000043
式中，T表示压电材料输出电压的周期；Vm表示压电材料未发生电荷转移的输出电压。
进一步地，当所述能量管理电路为同步电荷提取电路时，所述S3中整流电压和负载功率的计算方式为：
VDC＝0
Figure BDA0003136942800000044
式中，C0表示压电材料的内电容；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度；FM表示外力幅值；α表示压电材料的力电耦合系数；C表示阻尼。
本发明能够实现的有益效果是：本发明提供的传感器无线能量采集装置模型及计算方法在保证压电材料电压电流输出特性的同时，提高了计算速度和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种传感器无线能量采集装置模型的拓扑结构图；
图2为本发明实施例提供的一种传感器无线能量采集装置模型的计算方法总体流程示意图。
图标：10-传感器无线能量采集模型；100-能量采集装置；110-载物台；120-弹簧；130-阻尼计；140-悬块；150-压电材料；200-能量管理电路。
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描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参看图1，图1为本发明实施例提供的一种传感器无线能量采集装置模型的拓扑结构图。
在一种实施方式中，本发明实施例提供了一种传感器无线能量采集模型10，包括能量采集装置100以及与能量采集装置100连接的能量管理电路200；能量采集装置100包括载物台110、弹簧120、阻尼计130、悬块140和压电材料150；弹簧120的第一端与载物台110固定连接；弹簧120的第二端与悬块140的底部固定连接，且位于悬块140底部的中心区域；压电材料150和阻尼计130对称设置在载物台110与悬块140之间的间隙中，且压电材料150的厚度与该间隙的高度保持一致。其中，能量管理电路200为串联同步开关电感电路、并联同步开关电感电路或者同步电荷提取电路中的任意一种。
通过上述实现过程，可以将传感器无线能量采集模型10应用于串联同步开关电感电路、并联同步开关电感电路或者同步电荷提取电路中，从而提高计算速度和效率。
请参看图2，图2为本发明实施例提供的一种传感器无线能量采集装置模型的计算方法总体流程示意图。
在一种实施方式中，本发明实施例提供了一种传感器无线能量采集装置模型的计算方法，该方法可以用于上述的传感器无线能量采集装置模型，其具体如下所述。
S1.为能量采集装置预施加一个外力并检测压电材料输出的电压和电流；
S2.根据所述电压和电流分析得到所述外力与压电材料的能量平衡关系；
S3.根据所述能量平衡关系结合对应的能量管理电路分析得到各个能量管理电路的负载功率、整流电压以及压电材料振动幅值与外力幅值之间的关系。
示例性地，S2中能量转换关系的计算方式为：
Figure BDA0003136942800000061
Figure BDA0003136942800000071
式中，F表示施加的外力；u表示悬块的振动位移；
Figure BDA0003136942800000072
表示悬块的振动速度；M表示悬块的质量；KE表示压电材料短路时弹簧对应的刚度；C表示阻尼；α表示压电材料的力电耦合系数；V表示压电材料输出的电压；t表示时间常数；
Figure BDA0003136942800000073
表示外力输入能量；
Figure BDA0003136942800000074
表示悬块的动能；
Figure BDA0003136942800000075
表示弹簧的弹性势能；
Figure BDA0003136942800000076
表示机械损耗的能量；
Figure BDA0003136942800000077
表示转换的电能；
Figure BDA0003136942800000078
表示压电材料内电容存储的能量；∫VIdt表示压电材料输出的电能。
当能量管理电路为串联同步开关电感电路时，电路工作达到稳态后，在一个振动周期T内平波电容上的电荷不发生变化，由波形的对称性，在半个振动周期T 2内平波电容上的电荷同样不发生变化，流过负载RLoad的电荷等于压电材料输出电荷。由于压电材料只在开关闭合期间与整流桥联通，在t0～t0+T/2周期内压电材料输出电荷等于开关闭合时电压反转过程中压电材料内电容C0上电荷的变化，因此S3中整流电压和负载功率的计算方式为：
Figure BDA0003136942800000079
Figure BDA00031369428000000710
式中，VDC表示电路输出的整流电压；P表示负载功率；α表示压电材料的力电耦合系数；UM表示压电材料的振动幅值；RLoad表示负载；C0表示压电材料的内电容；γ表示常数(此处的γ可以根据Vm+VDC＝γ(VM-VDC)计算得到)；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度；VM表示电路中的电荷转移后压电材料电压的幅值；Vm表示压电材料未发生电荷转移的输出电压。
当能量管理电路为串联同步开关电感电路时，由于在压电材料电压反转过程中存在能量损耗，压电材料电压有所下降，即压电材料内电容Cr上的电荷量有所减少，此时在能量守恒方程式中应考虑压电材料内电容上电能的变化。在t0和t0+T/2时刻，悬块的动能、弹簧的弹性势能不发生改变。则压电材料振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
Figure BDA0003136942800000081
通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系：
Figure BDA0003136942800000082
式中，A1表示串联同步开关电感电路的机械损耗；A2表示串联同步开关电感电路中转换的电能；A3表示串联同步开关电感电路中压电材料内电容存储的能量。
当能量管理电路为并联同步开关电感电路时，则S3中整流电压VDC和负载功率P的计算方式为：
Figure BDA0003136942800000083
Figure BDA0003136942800000091
式中，VDC表示电路输出的整流电压；P表示负载功率；α表示压电材料的力电耦合系数；UM表示压电材料的振动幅值；RLoad表示负载；C0表示压电材料的内电容；γ表示常数，(此处的γ可以根据Vm＝γVDC计算得到)；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度。
当能量管理电路为并联同步开关电感电路时，则压电材料振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
Figure BDA0003136942800000092
通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系：
Figure BDA0003136942800000093
式中，T表示压电材料输出电压的周期。
当能量管理电路为同步电荷提取电路时，S3中整流电压和负载功率的计算方式为：
VDC＝0
Figure BDA0003136942800000094
式中，C0表示压电材料的内电容；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度；FM表示外力幅值；α表示压电材料的力电耦合系数；C表示阻尼。
当能量管理电路为同步电荷提取电路时，则压电材料振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
Figure BDA0003136942800000101
通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系：
Figure BDA0003136942800000102
综上所述，本发明实施例提供一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法，包括能量采集装置以及与能量采集装置连接的能量管理电路；能量采集装置包括载物台、弹簧、阻尼计、悬块和压电材料；弹簧的第一端与载物台固定连接；弹簧的第二端与悬块的底部固定连接，且位于悬块底部的中心区域；压电材料和阻尼计对称设置在载物台与悬块之间的间隙中，且压电材料的厚度与该间隙的高度保持一致。在保证压电材料电压电流输出特性的同时，提高了计算速度和效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种传感器无线能量采集装置模型，其特征在于，包括:能量采集装置以及与所述能量采集装置连接的能量管理电路；所述能量采集装置包括载物台、弹簧、阻尼计、悬块和压电材料；所述弹簧的第一端与所述载物台固定连接；所述弹簧的第二端与所述悬块的底部固定连接，且位于所述悬块底部的中心区域；所述压电材料和所述阻尼计对称设置在所述载物台与所述悬块之间的间隙中，且所述压电材料的厚度与该间隙的高度保持一致。
2.根据权利要求1所述的传感器无线能量采集装置模型，其特征在于，所述能量管理电路为串联同步开关电感电路、并联同步开关电感电路或者同步电荷提取电路中的任意一种。
3.一种传感器无线能量采集装置模型的计算方法，应用于权利要求1-2任一项所述的传感器无线能量采集装置模型，特征在于，包括：
S1.为能量采集装置预施加一个外力并检测压电材料输出的电压和电流；
S2.根据所述电压和电流分析得到所述外力与压电材料的能量平衡关系；
S3.根据所述能量平衡关系结合对应的能量管理电路分析得到各个能量管理电路的负载功率、整流电压以及压电材料振动幅值与外力幅值之间的关系。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2中能量转换关系的计算方式为：
Figure FDA0003136942790000011
Figure FDA0003136942790000012
式中，F表示施加的外力；u表示悬块的振动位移；
Figure FDA0003136942790000021
表示悬块的振动速度；M表示悬块的质量；KE表示压电材料短路时弹簧对应的刚度；C表示阻尼；α表示压电材料的力电耦合系数；V表示压电材料输出的电压；t表示时间常数；
Figure FDA0003136942790000022
表示外力输入能量；
Figure FDA0003136942790000023
表示悬块的动能；
Figure FDA0003136942790000024
表示弹簧的弹性势能；
Figure FDA0003136942790000025
表示机械损耗的能量；
Figure FDA0003136942790000026
表示转换的电能；
Figure FDA0003136942790000027
表示压电材料内电容存储的能量；∫VIdt表示压电材料输出的电能。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述能量管理电路为串联同步开关电感电路时，所述S3中整流电压和负载功率的计算方式为：
Figure FDA0003136942790000028
Figure FDA0003136942790000029
式中，VDC表示电路输出的整流电压；P表示负载功率；α表示压电材料的力电耦合系数；UM表示压电材料的振动幅值；RLoad表示负载；C0表示压电材料的内电容；γ表示常数；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述能量管理电路为串联同步开关电感电路时，则所述压电材料振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
Figure FDA00031369427900000210
通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系：
Figure FDA0003136942790000031
式中，A1表示串联同步开关电感电路的机械损耗；A2表示串联同步开关电感电路中转换的电能；A3表示串联同步开关电感电路中压电材料内电容存储的能量；VM表示电路中的电荷转移后压电材料电压的幅值；Vm表示压电材料未发生电荷转移的输出电压。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述能量管理电路为并联同步开关电感电路时，则所述S3中整流电压VDC和负载功率P的计算方式为：
Figure FDA0003136942790000032
Figure FDA0003136942790000033
式中，VDC表示电路输出的整流电压；P表示负载功率；α表示压电材料的力电耦合系数；UM表示压电材料的振动幅值；RLoad表示负载；C0表示压电材料的内电容；γ表示常数；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述能量管理电路为并联同步开关电感电路时，则所述压电材料振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
Figure FDA0003136942790000041
通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系：
Figure FDA0003136942790000042
式中，T表示压电材料输出电压的周期；Vm表示压电材料未发生电荷转移的输出电压。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述能量管理电路为同步电荷提取电路时，所述S3中整流电压和负载功率的计算方式为：
VDC＝0
Figure FDA0003136942790000043
式中，C0表示压电材料的内电容；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度；FM表示外力幅值；α表示压电材料的力电耦合系数；C表示阻尼。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述能量管理电路为同步电荷提取电路时，则所述压电材料振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
Figure FDA0003136942790000044
通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值UM与外力幅值FM之间的关系：
Figure FDA0003136942790000045
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