CN114895113A - 用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，具体涉及材料性能测试领域，包括直流电机、角钢夹具以及升降架，升降架的顶部以及底部均设置有端头杆，端头杆分别滑动连接在底座以及顶板上开设的限位滑槽内，底座的内壁上安装有伺服电机，伺服电机的输出端固定连接有丝杆，本发明中为满足激振力的大小和频率在一定程度上可以进行调节的要求，通过圆盘结构对激振力进行控制，即通过粘贴有磁片的圆盘旋转来对悬臂梁施加一固定频率的力，同时通过改变圆盘转速和磁片距离来分别控制激振力频率和大小。
Description
技术领域
本发明涉及用于压电薄膜能量收集测试领域，尤其涉及用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构。
背景技术
自然界中存在某些材料，当对其施加压力时，它们便会产生电位差，反之对其施加电压，则它们会发生机械形变，我们将这种材料称为压电材料。如果对其所施加的压力为一种高频振动，则材料产生的就是高频电流，利用这种原理，就可以将机械振动转化为电能，以此来进行能量收集。压电材料包括很多种，如今广泛使用的为传统的压电陶瓷材料，其柔韧性较差，不易于集成到微型化器件中。
压电薄膜为一种新型压电材料，一般具有良好的柔韧性，其能量收集系统结构简单、转换效率高、容易集成到复杂系统中。随着微纳米工艺技术的不断发展，无线传感网络节点、可穿戴便携电子设备、嵌入式医疗器件的广泛应用，利用压电薄膜对环境中机械振动能量进行收集在微型化供能领域表现出了极大潜力。其中，如何高效模拟机械振动，对压电薄膜的性能进行测试，也成为了一个重要问题。
当能量收集器受到外界振动的激励时，由于压电效应，压电薄膜的表面会产生电荷，从而输出电能。在众多压电能量收集器结构中，悬臂梁结构由于具有结构刚度低、灵敏度高以及易实现微细加工等优点成为压电能量收集器结构选择的首选对象。悬臂梁结构中，梁的一端固定，另一端悬空，并将压电薄膜粘贴在梁的根部。如果在悬臂梁的自由端放置一质量块，那么可以增加悬臂梁的外部压力，使其在相同的振动条件下产生更大的变形，从而产生更高的电压输出。因为悬臂梁在一阶频率振动时根部的应变最大，所以将压电薄膜贴在梁的根部可以输出更多电荷，从而收集到更多能量。对悬臂梁结构来说，当外界振动的频率与悬臂梁的固有频率相同时，会发生共振现象，此时悬臂梁的振动幅度最大，压电薄膜的输出电压最高。由于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)化的悬臂梁尺寸通常较小，导致其固有频率很高，很难输出最高电压，为此，可以通过在悬臂梁上加载质量块来降低固有频率。悬臂梁结构分类方式较多，按照梁的形状及数量可分为直线型悬臂梁、异形梁、多层梁以及梁阵列等多种结构。
在对压电薄膜能量收集性能测试的过程中，有多种方法来激励悬臂梁振动，其中最为简便的方法即为，在悬臂梁的自由端用细线悬挂一定质量的重物，待悬臂梁稳定后，剪断细线即可使悬臂梁自由振动。最为精确的方法为采用振动台控制悬臂梁振动，具体方法为通过调节信号发生器，使信号发生器输出某一特定频率的正弦信号，并将这一正弦信号传输至振动台作为激励信号。振动台将按照信号发生器输出的正弦信号频率以相应的加速度发生振动，从而给悬臂梁施加一个正弦激励，即产生振动源。压电能量收集器的输出，可以通过示波器直接读出，此外压电能量收集器振动的幅度则通过激光多普勒仪反馈至示波器，便于数据的读取与比较。
通过分析上述两种激励悬臂梁振动的方法，可以得出：用重物来激励振动虽然操作简单，但无法使悬臂梁进行周期性振动，同时不易控制振动的频率和幅度。用振动台的方法，优点在于其能激励悬臂梁按给定的正弦信号进行振动，精度高，但操作上比较复杂，涉及较多仪器，所需条件和成本较高。
因此需要提供一种简单操作，且能激励悬臂梁做周期性振动，并能控制其振动频率和幅度的低成本简易装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，包括直流电机、角钢夹具以及升降架，所述升降架的顶部以及底部均设置有端头杆，所述端头杆分别滑动连接在底座以及顶板上开设的限位滑槽内，所述直流电机安装在虎钳内，所述直流电机的输出端固定连接有旋转圆盘，所述角钢夹具安装在顶板表面设置的虎钳内，所述角钢夹具上靠近旋转圆盘的一侧设置有悬臂梁，所述悬臂梁上设置有压电薄膜。
优选的，所述悬臂梁的下表面以及旋转圆盘的上表面均粘接有磁片。
优选的，所述底座的内壁上安装有伺服电机，所述伺服电机的输出端固定连接有丝杆，所述丝杆连接在底座上，所述丝杆的中部螺纹连接有螺纹套，所述螺纹套固定插设在升降架的底部上。
优选的，该用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构具体使用步骤如下：
S1、设备的组装：将直流电机固定在虎钳上，旋转圆盘固定在直流电机的电机轴上，将压电薄膜粘贴在悬臂梁根部，将悬臂梁通过角钢夹具固定在虎钳上，并将虎钳放置在顶板上，在悬臂梁下表面和旋转圆盘上表面分别粘贴磁片；
S2、将压电薄膜的输出直接与示波器相连，通过示波器观察到压电薄膜振动时产生电压信号的大小和波形，实验时，保持直流电机的输入电压为24V恒定不变，即旋转圆盘转速保持；
S3、将压电薄膜的输出直接与示波器相连，通过示波器测得压电薄膜振动时产生电压信号的有效值，实验时，保持磁片距离为7mm恒定不变，测得不同电机输入电压，即在不同旋转圆盘转速下，压电薄膜所输出的开路电压有效值，并作图建立起与上述S2之间的关系，形成评测机构；
S4、利用上述步骤中所设计的评测机构来模拟环境中的机械振动，并搭建好能量收集电路，搭建能量收集电路具体为：示波器连接到电容两端来检测其电压变化的情况，分别在三组不同条件下进行测试，第一组磁片距离保持为7mm，电源电压保持10V，即旋转圆盘转速为472rpm；
第二组仅增加磁片距离到10mm；
第三组仅提高电源电压到22V，即旋转圆盘转速为1038rpm，在实验过程中，每隔30s记录一次电容两端的电压大小，直到电容电压不再随时间明显增加为止。
优选的，步骤S2、步骤S3以及步骤S4测试中选择采用24V的直流电机，输入电压为24V，直流电机转速可达到1132rpm，直流电机的电源采用0-24V可调直流电源，并带有数字显示功能。
采用上述技术方案：利用有数显功能的直流电源，便于读出电源当前输出的电压大小，从而计算出旋转圆盘转速。
优选的，步骤S1中进行设备的搭建过程中，搭建环境为平整且不会晃动的桌面。
采用上述技术方案：能够防止因桌面不平在运行时产生晃动，导致测量结果不准，保证桌面的水平，防止桌面倾斜而导致重力因素对实验结果产生较大影响。
优选的，所述步骤S1中通过虎钳固定悬臂梁时，需要调整好角钢的位置，保证悬臂梁在初始状态下水平静止，固定直流电机时使得旋转圆盘处于水平状态。
优选的，所述步骤S4中磁片之间的距离调节具体为：通过启动伺服电机，利用伺服电机带动丝杆转动，从而使的螺纹套前后移动，进而带动升降架整体伸缩，实现顶板的升降，从而调整顶板使悬臂梁和旋转圆盘之间保持合适的距离，在升降过程中，会使得悬臂梁偏离水平位置，在调整好高度后需要重新调整悬臂梁水平，同时，调节好悬臂梁和圆盘的相对位置，使悬臂梁通过旋转圆盘半径，指向圆心，调节悬臂梁上磁片和旋转圆盘上磁片的位置，使其同轴心。
采用上述技术方案：能够保证在一个周期内受到均匀的磁力激励且在距离一定时产生最大磁力。
本发明的有益效果为：
本发明中为满足激振力的大小和频率在一定程度上可以进行调节的要求，可以通过旋转圆盘结构来控制振动频率，通过旋转圆盘的旋转对悬臂梁施加一固定频率的力，改变旋转圆盘转速从而改变悬臂梁的振动频率，同时，激振力选择非接触式的磁力，在悬臂梁和旋转圆盘上分别粘贴磁片，通过改变悬臂梁和旋转圆盘之间的距离，即可控制激振力的大小，此种设计可以在设定好圆盘转速和磁铁距离后保持激振频率和激振力恒定，有利于压电信号的采集和分析，通过改变旋转圆盘转速和磁片距离，可以很轻松的控制激振频率及激振力大小。
本发明中根据所选择的压电薄膜激振模式，即通过非接触式的磁力旋转方式对压电薄膜进行激励振荡，来对评测机构的具体实现方法进行设计，易于模拟出压电薄膜在各种条件下的振动环境。
本发明中在旋转圆盘旋转的控制方面，设计采用直流电机来控制旋转圆盘转速，要求对比不同转速下时压电薄膜的发电情况，对于直流电机来说，其转速和施加在电机上的电压成正比，可通过调直流电源来控制电机电压，从而控制旋转圆盘转速，根据电机输出轴的尺寸信息，通过建模软件设计出中心孔和输出轴相匹配的旋转圆盘模型，并3D打印出圆盘实物。
本发明中通过在悬臂梁下表面和旋转圆盘上表面分别粘贴磁片，来实现发明中所需要的非接触磁力，为提高旋转圆盘旋转时磁力的激振频率，旋转圆盘上的磁片设置有四块，且环形阵列设置，使得圆盘旋转一圈可以对悬臂梁产生四次激励，振动频率变为原来的四倍，同时在粘贴磁片时，要保证悬臂梁和圆盘之间的磁力类型为排斥力，避免因为磁力吸引而使得悬臂梁与圆盘吸附在一起而发生碰撞。
本发明中悬臂梁的固定情况对整个测试系统的稳定性起着重要影响，在固定悬臂梁时，要使得悬臂梁只能因激振力按照预计的方向进行上下振动，而不能进行其他方向上的滑动，为此，用角钢夹具中两个钢片夹住悬臂梁，并将钢片用螺栓螺母进行紧固，最后放到虎钳上进行固定。
本发明中评测机构通过直流电机控制旋转圆盘进行旋转，采用直流可调速电机来控制圆盘转速，并将直流电机固定在虎钳上，悬臂梁通过角钢夹片固定在虎钳上，并将虎钳放置于可以升降的顶板上，便于调节悬臂梁和旋转圆盘之间的距离，在悬臂梁下表面和圆盘上表面分别粘贴磁片，通过磁力来使得圆盘旋转时对悬臂梁产生周期性的激振力，此种装置搭建简易，成本较低，操作简便，且精度更加精准。
附图说明
图1是本发明提供的非接触式磁力旋转装置的结构示意图；
图2是本发明提供的非接触式磁力旋转装置的正视结构图；
图3是本发明提供的非接触式磁力旋转装置的原理示意图；
图4是本发明提供的压电薄膜在磁铁距离为10mm条件下的发电波形图；
图5是本发明提供的压电薄膜在磁铁距离为8mm条件下的发电波形图；
图6是本发明提供的压电薄膜在不同转速下的开路电压图；
图7是本发明提供的100μF电容充电曲线图。
图例说明：
1、直流电机；2、磁片；3、旋转圆盘；4、悬臂梁；5、压电薄膜；6、角钢夹具；7、升降架；8、虎钳；9、端头杆；10、底座；11、限位滑槽；12、伺服电机；13、丝杆；14、螺纹套；15、顶板。
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。
如图1-7所示，用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，包括直流电机1、角钢夹具6以及升降架7，升降架7的顶部以及底部均设置有端头杆9，端头杆9分别滑动连接在底座10以及顶板15上开设的限位滑槽11内，直流电机1安装在虎钳8内，直流电机1的输出端固定连接有旋转圆盘3，角钢夹具6安装在顶板15表面设置的虎钳8内，角钢夹具6上靠近旋转圆盘3的一侧设置有悬臂梁4，悬臂梁4上设置有压电薄膜5，悬臂梁4的下表面以及旋转圆盘3的上表面均粘接有磁片2，其中旋转圆盘3上的磁片2设置有四块，且环形阵列设置，使得旋转3圆盘旋转一圈可以对悬臂梁4产生四次激励，振动频率变为原来的四倍，底座10的内壁上安装有伺服电机12，伺服电机12的输出端固定连接有丝杆13，丝杆13连接在底座10上，丝杆13的中部螺纹连接有螺纹套14，螺纹套14固定插设在升降架7的底部上。
实验步骤：该用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构具体使用步骤如下：
S1、设备的组装：将直流电机1固定在虎钳8上，旋转圆盘3固定在直流电机1的电机轴上，将压电薄膜5粘贴在悬臂梁4根部，将悬臂梁4通过角钢夹具6固定在虎钳8上，并将虎钳8放置在顶板15上，在悬臂梁4下表面和旋转圆盘3上表面分别粘贴磁片2，其中，搭建环境为平整且不会晃动的桌面，防止因桌面不平在运行时产生晃动，导致测量结果不准，其次，还要保证桌面的水平，防止桌面倾斜而导致重力因素对实验结果产生较大影响，通过虎钳8固定悬臂梁4时，需要调整好角钢的位置，保证悬臂梁4在初始状态下水平静止，固定直流电机1时使得旋转圆盘3处于水平状态，本发明中悬臂梁4的固定情况对整个测试系统的稳定性起着重要影响，在固定悬臂梁4时，要使得悬臂梁4只能因激振力按照预计的方向进行上下振动，而不能进行其他方向上的滑动，为此，用角钢夹具6中两个钢片夹住悬臂梁4，并将钢片用螺栓螺母进行紧固，最后放到虎钳8上进行固定；
S2、将压电薄膜5的输出直接与示波器相连，通过示波器观察到压电薄膜5振动时产生电压信号的大小和波形，实验时，保持直流电机1的输入电压为24V恒定不变，即旋转圆盘3转速保持；
S3、将压电薄膜5的输出直接与示波器相连，通过示波器测得压电薄膜5振动时产生电压信号的有效值，实验时，保持磁片2距离为7mm恒定不变，测得不同电机输入电压，即在不同旋转圆盘3转速下，压电薄膜5所输出的开路电压有效值，并作图建立起与上述S2之间的关系，形成评测机构；
S4、利用上述步骤中所设计的评测机构来模拟环境中的机械振动，并搭建好能量收集电路，搭建能量收集电路具体为：示波器连接到电容两端来检测其电压变化的情况，分别在三组不同条件下进行测试，第一组磁片2距离保持为7mm，电源电压保持10V，即旋转圆盘3转速为472rpm；
第二组仅增加磁片2距离到10mm；
第三组仅提高电源电压到22V，即旋转圆盘3转速为1038rpm，在实验过程中，每隔30s记录一次电容两端的电压大小，直到电容电压不再随时间明显增加为止；
其中，磁片2之间的距离调节具体为：通过启动伺服电机12，利用伺服电机12带动丝杆13转动，从而使的螺纹套14前后移动，进而带动升降架7整体伸缩，实现顶板15的升降，从而调整顶板15使悬臂梁4和旋转圆盘3之间保持合适的距离，将虎钳8放置于可以升降的顶板15上，便于调节悬臂梁4和旋转圆盘3之间的距离，在悬臂梁4下表面和旋转圆盘3上表面分别粘贴磁片，通过磁力来使得旋转圆盘3旋转时对悬臂梁4产生周期性的激振力，此种装置搭建简易，成本较低，操作简便，且精度更加精准，在升降过程中，会使得悬臂梁4偏离水平位置，在调整好高度后需要重新调整悬臂梁4水平，同时，调节好悬臂梁4和圆盘的相对位置，使悬臂梁4通过旋转圆盘3半径，指向圆心，从而保证在一个周期内受到均匀的磁力激励，调节悬臂梁4上磁片2和旋转圆盘3上磁片2的位置，使其同轴心，从而在距离一定时产生最大磁力。
步骤S2、步骤S3以及步骤S4测试中选择采用24V的直流电机1，输入电压为24V，直流电机1转速可达到1132rpm，直流电机1的电源采用0-24V可调直流电源，并带有数字显示功能，便于读出电源当前输出的电压大小，从而计算出旋转圆盘3转速，设计采用直流电机来控制旋转圆盘3转速，要求对比不同转速下时压电薄膜5的发电情况，对于直流电机来说，其转速和施加在电机上的电压成正比，可通过调直流电源来控制电机电压，从而控制旋转圆盘3转速，根据电机输出轴的尺寸信息，通过建模软件设计出中心孔和输出轴相匹配的旋转圆盘3模型，并3D打印出圆盘实物。
本发明中通过改变直流电机1转速来控制旋转圆盘3转速，从而控制磁力的激振频率，进而控制悬臂梁4振动的频率，通过调节升降架以及顶板15，能够改变悬臂梁4和旋转圆盘之间的距离，从而改变磁力的大小，进而控制悬臂梁4振动的幅度。
本实施例通过在不同的旋转圆盘3转速和磁片距离下采集压电薄膜5产生的信号，建立起压电薄膜5输出信号和振动频率和幅值之间的联系，并分析出压电薄膜5最佳的振动条件，如图3所示：实验中磁片距离用悬臂梁4和旋转圆盘3之间的距离表示，通过调整直流电机1的输入电压来改变旋转圆盘3转速。
通过上述三组具体的实施案例，可以看出通过本发明机构可以有效的改变压电薄膜5的振动条件，从而测试压电薄膜5在不同振动频率和振动幅度下的压电性能，同时还可以模拟环境中的不同振动条件，来进行能量收集测试。
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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，包括直流电机(1)、角钢夹具(6)以及升降架(7)，其特征在于，所述升降架(7)的顶部以及底部均设置有端头杆(9)，所述端头杆(9)分别滑动连接在底座(10)以及顶板(15)上开设的限位滑槽(11)内，所述直流电机(1)安装在虎钳(8)内，所述直流电机(1)的输出端固定连接有旋转圆盘(3)，所述角钢夹具(6)安装在顶板(15)表面设置的虎钳(8)内，所述角钢夹具(6)上靠近旋转圆盘(3)的一侧设置有悬臂梁(4)，所述悬臂梁(4)上设置有压电薄膜(5)。
2.根据权利要求1所述的用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，其特征在于，所述悬臂梁(4)的下表面以及旋转圆盘(3)的上表面均粘接有磁片(2)。
3.根据权利要求1所述的用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，其特征在于，所述底座(10)的内壁上安装有伺服电机(12)，所述伺服电机(12)的输出端固定连接有丝杆(13)，所述丝杆(13)连接在底座(10)上，所述丝杆(13)的中部螺纹连接有螺纹套(14)，所述螺纹套(14)固定插设在升降架(7)的底部上。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，其特征在于，该用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构具体使用步骤如下：
S1、设备的组装：将直流电机(1)固定在虎钳(8)上，旋转圆盘(3)固定在直流电机(1)的电机轴上，将压电薄膜(5)粘贴在悬臂梁(4)根部，将悬臂梁(4)通过角钢夹具(6)固定在虎钳(8)上，并将虎钳(8)放置在顶板(15)上，在悬臂梁(4)下表面和旋转圆盘(3)上表面分别粘贴磁片(2)；
S2、将压电薄膜(5)的输出直接与示波器相连，通过示波器观察到压电薄膜(5)振动时产生电压信号的大小和波形，实验时，保持直流电机(1)的输入电压为24V恒定不变，即旋转圆盘(3)转速保持；
S3、将压电薄膜(5)的输出直接与示波器相连，通过示波器测得压电薄膜(5)振动时产生电压信号的有效值，实验时，保持磁片(2)距离为7mm恒定不变，测得不同电机输入电压，即在不同旋转圆盘(3)转速下，压电薄膜(5)所输出的开路电压有效值，并作图建立起与上述S2之间的关系，形成评测机构；
S4、利用上述步骤中所设计的评测机构来模拟环境中的机械振动，并搭建好能量收集电路，搭建能量收集电路具体为：将示波器连接到电容两端来检测其电压变化的情况，分别在三组不同条件下进行测试，第一组磁片(2)距离保持为7mm，电源电压保持10V，即旋转圆盘(3)转速为472rpm；
第二组仅增加磁片(2)距离到10mm；
第三组仅提高电源电压到22V，即旋转圆盘(3)转速为1038rpm，在实验过程中，每隔30s记录一次电容两端的电压大小，直到电容电压不再随时间明显增加为止。
5.根据权利要求4所述的用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，其特征在于，步骤S2、步骤S3以及步骤S4测试中选择采用24V的直流电机(1)，输入电压为24V，直流电机(1)转速可达到1132rpm，直流电机(1)的电源采用0-24V可调直流电源，并带有数字显示功能。
6.根据权利要求4所述的用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，其特征在于，步骤S1中进行设备的搭建过程中，搭建环境为平整且不会晃动的桌面。
7.根据权利要求4所述的用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，其特征在于，所述步骤S1中通过虎钳(8)固定悬臂梁(4)时，需要调整好角钢的位置，保证悬臂梁(4)在初始状态下水平静止，固定直流电机(1)时使得旋转圆盘(3)处于水平状态。
8.根据权利要求4所述的用于压电薄膜能量收集测试的非接触式磁力旋转机构，其特征在于，所述步骤S4中磁片(2)之间的距离调节具体为：通过启动伺服电机(12)，利用伺服电机(12)带动丝杆(13)转动，从而使的螺纹套(14)前后移动，进而带动升降架(7)整体伸缩，实现顶板(15)的升降，从而调整顶板(15)使悬臂梁(4)和旋转圆盘(3)之间保持合适的距离，在升降过程中，会使得悬臂梁(4)偏离水平位置，在调整好高度后需要重新调整悬臂梁(4)水平，同时，调节好悬臂梁(4)和圆盘的相对位置，使悬臂梁(4)通过旋转圆盘(3)半径，指向圆心，调节悬臂梁(4)上磁片(2)和旋转圆盘(3)上磁片(2)的位置，使其同轴心。
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