CN115395822A - 一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仪器科学与工程领域，且公开了一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，包括：底座和设置在底座上的两个长方体；限位部件，设置在底座上，限位部件包括圆柱体棒；压电仿生曲梁，承载两个长方体和圆柱体棒上，压电仿生曲梁包括仿生曲梁和中心质量块以及压电片，仿生曲梁一端活性连接在长方体上，一端固定在中心质量块上，压电片固定在仿生曲梁上；电量收集模块，与压电片连接，通过仿生压电曲梁感应周围环境的振动，使得与仿生曲梁固定的压电贴片产生应变，当仿生曲梁从阱内运动转为阱间运动，会伴随着大量能量释放，能高效的收集周围环境的振动能转换为电能。
Description
技术领域
本发明涉及仪器科学与工程领域，具体为一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置。
背景技术
无线传感网络技术是一种分布式传感网络，系统的末端是由无数个可感知和监测外部的传感器组成。传感器之间通过无线方式组成网络通信系统，构成可以协作感知、采集和处理网络覆盖区域的环境参数。而监测设备或环境的各类参数，如温度、压力、应力、湿度等需要大量的传感器节点，每个传感器节点均需要提供一定的电能。
目前，传感器节点大多采用化学电池供电，但节点的使用寿命与容量有限的电池之间的矛盾越来越激烈。一方面传感器节点往往尺寸较小无法配置大容量的电池，这就导致节点的使用寿命受到了制约；另一方面，频繁的更换电池也为网络的维护带来了巨大的工作量，间接提升了网络部署的成本。尤其是对于一些部署在艰苦恶劣环境中的监测网络来说，每次维护都需要耗费巨大的人力和财力，甚至由于所处环境位置偏远或难以进行二次维护等原因导致根本无法进行电池的更换或充电操作，为此我们提出了一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，解决了上述的问题。
(二)技术方案
为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，包括：
底座；
支撑部件，设置在所述底座上，所述支撑部件包括两个长方体；
限位部件，设置在所述底座上，所述限位部件包括圆柱体棒；
压电仿生曲梁，承载于所述长方体和圆柱体棒上，所述压电仿生曲梁包括仿生曲梁和中心质量块以及压电片，所述仿生曲梁一端连接在长方体上，且仿生曲梁与长方体之间设置有可调节连接机构，所述仿生曲梁背离长方体的一端固定在中心质量块上，所述压电片固定安装在仿生曲梁上；
电量收集模块，与所述压电片连接。
所述仿生曲梁是为曲线型的，且模拟海鸥翅膀振动飞行时设计的一种曲梁。
所述中心质量块中间开孔穿过圆柱体棒，所述圆柱体棒位于底座中心位置。
优选的，所述圆柱体棒表面通过涂工业凡士林减少与中心质量块的接触摩擦力。
优选的，所述压电片通过环氧树脂或者聚丙烯中的其中一种与所述仿生曲梁固定，且压电片对称分布在仿生曲梁的上下表面，所述压电片的材料均为PVDF聚偏二氟乙烯。
优选的，所述可调节连接机构包括滑杆、移动块和插杆，所述长方体与仿生曲梁连接的侧面外壁开设有开放式通槽，所述通槽的顶部和底部内壁之间固定安装有滑杆，所述滑杆上滑动套接有与通槽内壁贴合的移动块，所述仿生曲梁背离中心质量块的一端固定连接在移动块上，所述长方体的侧面外壁、移动块侧面外壁中心点以及滑杆上开设有位于同一水平线上的通孔，且长方体、滑杆和移动块通过同一水平线上的通孔插接有插杆。
优选的，所述长方体的侧面外壁与滑杆上开设的通孔有多组且竖向等距排列。
优选的，所述底座的四侧外壁固定安装有多组安装环。
优选的，运作过程包括以下步骤：
安装仿生压电振动能量收集装置，确保所述底座通过安装环与外部振动环境刚性连接；
根据外部环境振动频率，调整中心质量块的质量，并通过可调节连接机构调节仿生曲梁与长方体的连接高度，使仿生压电振动能量收集装置的共振频率与环境的激励频率一致或接近；
用第一导线连接所述压电片；
用第二导线连接所述感应部件；
将第一导线和第二导线接入所述电量收集模块，收集输出的电能。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，具备以下有益效果：
1、该基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，通过仿生压电曲梁感应周围环境的振动，通过中心质量块块沿着圆柱体棒轨道上下运动，仿生曲梁产生应变，使得与仿生曲梁固定的压电片产生应变，从而产生电能，当运动状态在AB之间运动，该运动状态为阱内运动；当运动状态在AC之间运动，突破势能壁垒，伴随着更高能量释放，该运动状态为阱间运动当仿生曲梁从阱内运动转为阱间运动，突破势能壁垒的同时会伴随着大量能量释放，能高效的收集周围环境的振动能从而转换为电能，同时，装置简单，能够在野外无人区或恶劣环境中工作，应用范围广，实用性高。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明长方体剖视示意图；
图3为本实用井间运动以及井内运动示意图；
图4为本发明发电梁示意图；
图5为本发明限位装置示意图。
图中：1、底座；2、长方体；3、圆柱体棒；4、中心质量块；5、仿生曲梁；6、压电片；7、可调节连接机构；8、安装环；9、滑杆；10、移动块；11、插杆；12、通槽；13、通孔。
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。
请参阅图1-5，一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，包括：
底座1；
支撑部件，设置在底座1上，支撑部件包括两个长方体2；
限位部件，设置在底座1上，限位部件包括圆柱体棒3；
压电仿生曲梁，承载于长方体2和圆柱体棒3上，压电仿生曲梁包括仿生曲梁5和中心质量块4以及压电片6，仿生曲梁5一端连接在长方体2上，且仿生曲梁5与长方体2之间设置有可调节连接机构7，仿生曲梁5背离长方体2的一端固定在中心质量块4上，压电片6固定安装在仿生曲梁5上；
电量收集模块，与压电片6连接。
仿生曲梁5是曲线型的，且是模拟海鸥翅膀振动飞行时设计的一种曲梁。
中心质量块4中间开孔穿过圆柱体棒3，圆柱体棒3位于底座1中心位置。
圆柱体棒3表面通过涂工业凡士林减少与中心质量块4的接触摩擦力。
压电片6通过环氧树脂或者聚丙烯中的其中一种与仿生曲梁5固定，且压电片6对称分布在仿生曲梁5的上下表面，压电片6的材料均为PVDF聚偏二氟乙烯。
可调节连接机构7包括滑杆9、移动块10和插杆11，长方体2与仿生曲梁5连接的侧面外壁开设有开放式通槽12，通槽12的顶部和底部内壁之间固定安装有滑杆9，滑杆9上滑动套接有与通槽12内壁贴合的移动块10，仿生曲梁5背离中心质量块4的一端固定连接在移动块10上，长方体2的侧面外壁、移动块10侧面外壁中心点以及滑杆9上开设有位于同一水平线上的通孔13，且长方体2、滑杆9和移动块10通过同一水平线上的通孔13插接有插杆11。
长方体2的侧面外壁与滑杆9上开设的通孔13有多组且竖向等距排列。
底座1的四侧外壁固定安装有多组安装环8，用于该仿生压电振动能量收集装置的安装。
运作过程包括以下步骤：
安装仿生压电振动能量收集装置，确保底座1通过安装环8与外部振动环境刚性连接；
根据外部环境振动频率，调整中心质量块4的质量，并通过可调节连接机构7调节仿生曲梁5与长方体2的连接高度，使仿生压电振动能量收集装置的共振频率与环境的激励频率一致或接近；
用第一导线连接压电片6；
用第二导线连接感应部件；
将第一导线和第二导线接入电量收集模块，收集输出的电能。
工作原理：通过底座1安装将该仿生压电振动能量收集装置，并确保底座1通过与外部振动环境刚性连接，根据外部环境振动频率，调整中心质量块4的质量，并通过可调节连接机构7调节仿生曲梁5与长方体2的连接高度，使仿生压电振动能量收集装置的共振频率与环境的激励频率一致或接近，用第一导线连接压电片6，用第二导线连接感应部件，将第一导线和第二导线接入电量收集模块，收集输出的电能；且通过可调节连接机构7调节时，只需将插杆11从通孔13中拉拔出，从而通过移动移动块10来调节仿生曲梁5与长方体2的连接高度，确定高度后将移动块10上的通孔13与长方体2和滑杆9上通孔13对齐，并插接进插杆11进行固定；通过仿生压电曲梁感应周围环境的振动，通过中心质量块4块沿着圆柱体棒3轨道上下运动，仿生曲梁5产生应变，使得与仿生曲梁5固定的压电片6产生应变，从而产生电能，当运动状态在AB之间运动，该运动状态为阱内运动；当运动状态在AC之间运动，突破势能壁垒，伴随着更高能量释放，该运动状态为阱间运动当仿生曲梁5从阱内运动转为阱间运动，突破势能壁垒的同时会伴随着大量能量释放，能高效的收集周围环境的振动能从而转换为电能，同时，装置简单，能够在野外无人区或恶劣环境中工作，应用范围广，实用性高。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，其特征在于，包括：
底座(1)；
支撑部件，设置在所述底座(1)上，所述支撑部件包括两个长方体(2)；
限位部件，设置在所述底座(1)上，所述限位部件包括圆柱体棒(3)；
压电仿生曲梁，承载于所述长方体(2)和圆柱体棒(3)上，所述压电仿生曲梁包括仿生曲梁(5)和中心质量块(4)以及压电片(6)，所述仿生曲梁(5)一端连接在长方体(2)上，且仿生曲梁(5)与长方体(2)之间设置有可调节连接机构(7)，所述仿生曲梁(5)背离长方体(2)的一端固定在中心质量块(4)上，所述压电片(6)固定安装在仿生曲梁(5)上；
电量收集模块，与所述压电片(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，其特征在于：所述仿生曲梁(5)为曲线型。
3.根据权利要求1所述的一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，其特征在于：所述中心质量块(4)中间开孔穿过圆柱体棒(3)，所述圆柱体棒(3)位于底座(1)中心位置。
4.根据权利要求3所述的一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，其特征在于：所述圆柱体棒(3)表面通过涂工业凡士林。
5.根据权利要求1所述的一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，其特征在于：所述压电片(6)通过环氧树脂或者聚丙烯中的其中一种与所述仿生曲梁(5)固定，且压电片(6)对称分布在仿生曲梁(5)的上下表面，所述压电片(6)的材料均为PVDF聚偏二氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，其特征在于：所述可调节连接机构(7)包括滑杆(9)、移动块(10)和插杆(11)，所述长方体(2)与仿生曲梁(5)连接的侧面外壁开设有开放式通槽(12)，所述通槽(12)的顶部和底部内壁之间固定安装有滑杆(9)，所述滑杆(9)上滑动套接有与通槽(12)内壁贴合的移动块(10)，所述仿生曲梁(5)背离中心质量块(4)的一端固定连接在移动块(10)上，所述长方体(2)的侧面外壁、移动块(10)侧面外壁中心点以及滑杆(9)上开设有位于同一水平线上的通孔(13)，且长方体(2)、滑杆(9)和移动块(10)通过同一水平线上的通孔(13)插接有插杆(11)。
7.根据权利要求6所述的一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，其特征在于：所述长方体(2)的侧面外壁与滑杆(9)上开设的通孔(13)有多组且竖向等距排列。
8.根据权利要求1所述的一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，其特征在于：所述底座(1)的四侧外壁固定安装有多组安装环(8)。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种基于鸥翼仿生的多稳态振动能量收集装置，其特征在于：运作过程包括以下步骤：
安装仿生压电振动能量收集装置，确保所述底座(1)通过安装环(8)与外部振动环境刚性连接；
根据外部环境振动频率，调整中心质量块(4)的质量，并通过可调节连接机构(7)调节仿生曲梁(5)与长方体(2)的连接高度，使仿生压电振动能量收集装置的共振频率与环境的激励频率一致或接近；
用第一导线连接所述压电片(6)；
用第二导线连接所述感应部件；
将第一导线和第二导线接入所述电量收集模块，收集输出的电能。
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