CN117600049A - 振动换能器及其优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于换能器技术领域，具体涉及振动换能器，包括振动换能器以及数据采集装置，所述数据采集装置包括终端示波器、信号发生器、功率放大器以及数据收集模块、数据发射器，所述功率放大器与振动换能器电连接，所述信号发生器将振动换能器电信号传输至功率放大器，所述功率放大器将数据传输至数据收集模块，所述数据收集模块通过数据发射器将数据发射至终端示波器，本发明还提供了该装置的优化方法。
Description
技术领域
本发明属于换能器技术领域，具体涉及振动换能器及其优化方法。
背景技术
随着微机电系统和物联网的迅速发展，无线传感网络以及各类微型传感器等也获得飞跃式发展，并在环境监测、设备监控、野外等恶劣、狭小环境下的监控系统等方面具有广泛的应用前景。在发展的同时也面临着制约发展的最大问题，在于还没有良好的无线电子设备供电方式代替传统电池供电，传统化学电池存在使用寿命有限、体积大、在恶劣环境中难以更换等缺点。
但是，仍然存在下列问题：
1.现有技术振动能收集效率低，能量转换过程损耗大，只能收集上下振动能，无法收集横向振动能；
2.现有技术普适性较差，无法根据不同环境安装和优化不同功率的振动换能器。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了振动换能器，用以解决现有技术振动能收集效率低，能量转换过程损耗大等问题，本发明还提供了该装置的优化方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
振动换能器，包括振动换能器以及数据采集装置，所述数据采集装置包括终端示波器、信号发生器、功率放大器以及数据收集模块、数据发射器，所述功率放大器与振动换能器电连接，所述信号发生器将振动换能器电信号传输至功率放大器，所述功率放大器将数据传输至数据收集模块，所述数据收集模块通过数据发射器将数据发射至终端示波器；
所述换能器包括本体、压板、压力弹簧、压杆、锁紧螺母以及压电感应片，所述压板通过压力弹簧安装于本体上部，所述压杆通过锁紧螺母与压板拆卸连接，所述压电感应片安装于压杆下方；
所述压电感应片包括保护层、压电板、电感片、电感线圈、输出导线，所述保护层包裹压电板与电感片，所述电感线圈安装于电感片两侧，所述电感线圈磁场方向与电感片长轴方向垂直，所述压杆贯穿保护层与压电板连接。
进一步的，振动换能器还包括传动器所述传动器包括轴承座、主轴、轴承、偏心块，所述主轴安装于轴承轴心处，所述轴承座封闭轴承，所述偏心块设有两组，两组所述偏心块分别安装于主轴两端，所述轴承中心设有挡圈且两侧设有轴承端盖，所述主轴两端设有档盖。
所述偏心块为扇形，且内部设有弧形槽；
位于主轴右端的偏心块连接振动器，所述振动器包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、连轴，所述第一连杆左端与偏心块固定连接，所述第一连杆右端与第二连杆左端活动连接，所述第二连杆右端与第三连杆下端活动连接，所述第三连杆上端与连轴固定连接，所述连轴后部设有水动腔，所述水动腔与连轴之间设有隔离板，所述水动腔内部设有叶板，所述连轴贯穿隔离板与叶板固定连接，所述第二连杆右端与第三连杆上端均设有复位弹簧。
进一步的，所述水动腔内液体量为容积的60％-80％。
上述振动换能器的优化方法具体步骤如下：
S1，建立优化目标和约束条件的数学方程，并根据终端示波器数据建立数学模型；
S2，将终端示波器数据的数学模型进行转化，构建振动换能器的简化几何模型；
S3，以有限元法将振动换能器的简化几何模型建立为有限元模型，通过振动换能器的结构特征和物理特性定义相应的材料属性以及边界条件，建立电磁场求解器，解析电磁场分布、磁通密度参数，并计算电磁损耗。
S4，将S3中构建的有限元模型编写为计算图，包括定义输入变量、中间变量和输出变量，并将其表示为计算图的节点，通过自动微分库中的函数对计算图进行反向传播，自动计算目标函数关于设计变量的梯度信息，并对形态进行优化，结合拓展优化进行求解，并更新设计变量，直到满足要求并迭代收敛。
进一步的，S1中基于终端示波器数据建立的数学方程为：
其中，Q为优化目标，f(x)为各类约束，包括电磁约束，几何约束以及压板表面积及水动腔容积，控制变量为输出的线圈电流。
进一步的，S3中有限元模型将振动换能器分解成各个部件，并确定部件之间的几何关系和尺寸参数，并设置边界条件，有限元模型包括压电感应片、桨叶长度、弹簧行程以及连杆长度以及角度。
进一步的，S3中电磁求解器根据矢量磁位推导的场方程如下：
式中，Az(x,y)——为矢量磁位Z轴分量；
Jz(x,y)——为电流流动截面的电流密度；
μr——求解域中材料的相对磁导率；
μ0——真空磁导率；
推导过程如下，麦克斯韦方程可表达为：
E、H、D、E、J、ρ分别为电场强度，磁场强度、电通量密度、磁通量密度、电流密度和电荷密度。
上述采用数值微分方程解方程：
既：
采用自动微分方法把函数划分为一些基本段，运用中间变量把每段联系起来，然后运用链式法则求解雅可比矩阵，求解Z＝Jz(x,y)的基本结构为：
具体实现过程如下，引入中间变量：
vi,i＝1,2,3,4,…,n；
计算每个结点偏导通过链式法则即可得到雅可比矩阵：
其中，K为各个单元的刚度矩阵；
判断迭代是否已收敛，通过监测每一步优化的目标函数值和设计变量的变化情况来判断优化是否收敛，设置一个收敛容差，当目标函数值变化符合时，认为优化已经收敛。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
当向电感片153施加从上至下的机械脉冲时，电感片153磁导率发生改变，经过线圈截面的磁通量发生变化，线圈两侧将产生交流感应电动势，输出导线155将交流感应电动势输出为电能，压力弹簧12在形变发生后使压板11复位，往复将振动能转化为电能，在环境监测、设备监控、野外等恶劣、狭小环境下的监控系统等方面代替传统电池供电，具有广泛的应用前景；
通过该装置的优化方法可以更好的根据环境来调整换能器的部件参数使其适应各场景，避免由于避免了计算可能出现的误差导致换能器与环境不匹配导致能量收集效率低下的问题，使用自动微分可以避免计算梯度的繁琐过程，减少了计算时间和计算量，提高了计算效率，自动微分方法可以准确计算任意复杂函数的梯度，避免了计算可能出现的误差，提高了计算精度，使用自动微分可以很方便地添加、修改和删除目标函数和约束条件，使得优化过程更加灵活。
附图说明
图1为本发明振动换能器实施例的结构示意图；
图2为图1中X处的局部放大结构示意图；
图3为图1中Y处的局部放大结构示意图；
图4为图1中Z处的局部放大结构示意图；
图5为本发明振动换能器实施例中传动器结构示意图；
图6为本发明振动换能器优化方法的原理示意图；
说明书附图中的附图标记包括：
换能器1、本体10、压板11、压力弹簧12、压杆13、锁紧螺母14、压电感应片15、保护层151、压电板152、电感片153、电感线圈154、输出导线155、传动器2、轴承座21、主轴22、轴承23、偏心块24、挡圈25、轴承端盖26、档盖27、振动器3、第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33、连轴34、水动腔35、隔离板36、叶板37、复位弹簧38、数据采集装置4、终端示波器41、信号发生器42、功率放大器43、数据收集模块44、数据发射器45。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：
需要说明，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例
如图1-图6所示，振动换能器，包括换能器1以及数据采集装置4，数据采集装置4包括终端示波器41、信号发生器42、功率放大器43以及数据收集模块44、数据发射器45，信号发生器42将换能器1电信号传输至功率放大器43，功率放大器43将数据传输至数据收集模块44，数据收集模块44通过数据发射器45将数据发射至终端示波器41；
换能器1包括本体10、压板11、压力弹簧12、压杆13、锁紧螺母14以及压电感应片15，压板11通过压力弹簧12安装于本体10上部，压杆13通过锁紧螺母14与压板11拆卸连接，压电感应片15安装于压杆13下方；
压电感应片15包括保护层151、压电板152、电感片153、电感线圈154、输出导线155，保护层151包裹压电板152与电感片153，电感线圈154安装于电感片153两侧，电感线圈154磁场方向与电感片153长轴方向垂直，压杆13贯穿保护层151与压电板152连接。
振动换能器的核心在于利用MSMA材料的维拉利效应，将振动能量转换为电能，当振动能通过压板11传递至压杆13，压杆13带动压电板152向下使电感片153发生形变，电感片153将外力变化以自身的磁感应强度的变化形式体现出来，经过回路线圈磁通量的变化也会遵循法拉第电磁感应定律，感应线圈两端出现感应电动势，具体为外部施加磁场的方向与电感片153长轴方向垂直，当向电感片153施加从上至下的机械脉冲时，电感片153磁导率发生改变，经过线圈截面的磁通量发生变化，线圈两侧将产生交流感应电动势，输出导线155将交流感应电动势输出为电能，压力弹簧12在形变发生后使压板11复位，往复将振动能转化为电能，在环境监测、设备监控、野外等恶劣、狭小环境下的监控系统等方面代替传统电池供电，具有广泛的应用前景。
线圈两端产生的感应电动势可利用电磁感应定律获得：
B＝μ(H+M)；
上式中，V为线圈两端感应电动势，B为磁回路中通过线圈的磁感应强度，N为线圈绕制的匝数，S为线圈的截面积，H为磁场强度，M为MSMA材料的磁化强度，μ为真空磁导率。
换能器1还包括传动器2，传动器2包括轴承座21、主轴22、轴承23、偏心块24，主轴22安装于轴承23轴心处，轴承座21封闭轴承23，偏心块24设有两组，两组偏心块24分别安装于主轴22两端，轴承23中心设有挡圈25且两侧设有轴承端盖26，主轴22两端设有档盖27。
轴承23便于偏心块24通过主轴22传动，减少能量损耗；
轴承座21固定轴承23与主轴22，避免轴承23与主轴22产生唯一，挡圈25与轴承端盖26同理，档盖27用于使主轴22封闭，避免异物导致卡位。
偏心块24为扇形；
扇形的偏心块24使偏心块24无论向上或者向下均能很好的接触压板11。
位于主轴22右端的偏心块24连接振动器3，振动器3包括第一连杆31、第二连杆32、第三连杆33、连轴34，第一连杆31左端与偏心块24固定连接，第一连杆31右端与第二连杆32左端活动连接，第二连杆32右端与第三连杆33下端活动连接，第三连杆33上端与连轴34固定连接，连轴34后部设有水动腔35，水动腔35与连轴34之间设有隔离板36，水动腔35内部设有叶板37，连轴34贯穿隔离板36与叶板37固定连接，第二连杆32右端与第三连杆33上端均设有复位弹簧38。
值得注意的是，隔离板36在实际产品中为一整块隔离水动腔35与振动器3部件的，为更清楚表达叶板37与连轴34连接关系，图示未完全封闭。
水动腔35内液体量为容积的60％-80％。
在具体使用时，振动能使水动腔35内液体产生晃动，液体晃动使叶板37进行摆动，叶板37摆动时带动连轴34进行转动，连轴34联动第二连杆32、第三连杆33，使动能传递至第一连杆31，第一连杆31向上或者向下带动偏心块24进行旋转，位于压板11上部的偏心块24使压板11下压，电感片153将振动能转化为电能，通过液体辅助收集振动能，减少能量传递损耗，增加能量收集效率，同时使换能器1能够以悬挂等方式进行安装，提高应用场景。
振动换能器优化方法具体步骤如下：
S1，建立优化目标和约束条件的数学方程，并根据终端示波器数据建立数学模型；
S2，将终端示波器数据的数学模型进行转化，构建振动换能器的简化几何模型；
S3，以有限元法将振动换能器的简化几何模型建立为有限元模型，通过振动换能器的结构特征和物理特性定义相应的材料属性以及边界条件，建立电磁场求解器，解析电磁场分布、磁通密度参数，并计算电磁损耗。
S4，将S3中构建的有限元模型编写为计算图，包括定义输入变量、中间变量和输出变量，并将其表示为计算图的节点，通过自动微分库中的函数对计算图进行反向传播，自动计算目标函数关于设计变量的梯度信息，并对形态进行优化，结合拓展优化进行求解，并更新设计变量，直到满足要求并迭代收敛。
S1中基于终端示波器数据建立的数学方程为：
其中，Q为优化目标，f(x)为各类约束，包括电磁约束，几何约束以及压板表面积及水动腔容积，控制变量为输出的线圈电流。
S3中有限元模型将振动换能器分解成各个部件，并确定部件之间的几何关系和尺寸参数，并设置边界条件，有限元模型包括压电感应片、桨叶长度、弹簧行程以及连杆长度以及角度。
S3中电磁求解器根据矢量磁位推导的场方程如下：
式中，Az(x,y)——为矢量磁位Z轴分量；
Jz(x,y)——为电流流动截面的电流密度；
μr——求解域中材料的相对磁导率；
μ0——真空磁导率；
推导过程如下，麦克斯韦方程可表达为：
F、H、D、E、J、ρ分别为电场强度，磁场强度、电通量密度、磁通量密度、电流密度和电荷密度。
上述采用数值微分方程解方程：
既：
采用自动微分方法把函数划分为一些基本段，运用中间变量把每段联系起来，然后运用链式法则求解雅可比矩阵，求解Z＝Jz(x,y)的基本结构为：
具体实现过程如下，引入中间变量：
vi,i＝1,2,3,4,…,n；
计算每个结点偏导通过链式法则即可得到雅可比矩阵：
其中，K为各个单元的刚度矩阵；
判断迭代是否已收敛，通过监测每一步优化的目标函数值和设计变量的变化情况来判断优化是否收敛。设置一个收敛容差，当目标函数值变化很小，认为优化已经收敛。
通过该方法可以更好的根据环境来调整换能器的部件参数使其适应各场景，避免由于避免了计算可能出现的误差导致换能器与环境不匹配导致能量收集效率低下的问题，使用自动微分可以避免计算梯度的繁琐过程，减少了计算时间和计算量，提高了计算效率，自动微分方法可以准确计算任意复杂函数的梯度，避免了计算可能出现的误差，提高了计算精度，使用自动微分可以很方便地添加、修改和删除目标函数和约束条件，使得优化过程更加灵活。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (7)
1.振动换能器，其特征在于：包括换能器(1)以及数据采集装置(4)，所述数据采集装置(4)包括终端示波器(41)、信号发生器(42)、功率放大器(43)以及数据收集模块(44)、数据发射器(45)，所述信号发生器(42)将换能器(1)电信号传输至功率放大器(43)，所述功率放大器(43)将数据传输至数据收集模块(44)，所述数据收集模块(44)通过数据发射器(45)将数据发射至终端示波器(41)；
所述换能器(1)包括本体(10)、压板(11)、压力弹簧(12)、压杆(13)、锁紧螺母(14)以及压电感应片(15)，所述压板(11)通过压力弹簧(12)安装于本体(10)上部，所述压杆(13)通过锁紧螺母(14)与压板(11)拆卸连接，所述压电感应片(15)安装于压杆(13)下方；
所述压电感应片(15)包括保护层(151)、压电板(152)、电感片(153)、电感线圈(154)、输出导线(155)，所述保护层(151)包裹压电板(152)与电感片(153)，所述电感线圈(154)安装于电感片(153)两侧，所述电感线圈(154)磁场方向与电感片(153)长轴方向垂直，所述压杆(13)贯穿保护层(151)与压电板(152)连接。
2.根据权利要求1所述的振动换能器，其特征在于：换能器(1)还包括传动器(2)，所述传动器(2)包括轴承座(21)、主轴(22)、轴承(23)、偏心块(24)，所述主轴(22)安装于轴承(23)轴心处，所述轴承座(21)封闭轴承(23)，所述偏心块(24)设有两组，两组所述偏心块(24)分别安装于主轴(22)两端，所述轴承(23)中心设有挡圈(25)且两侧设有轴承端盖(26)，所述主轴(22)两端设有档盖(27)。
所述偏心块(24)为扇形；
位于主轴(22)右端的偏心块(24)还连接有振动器(3)，所述振动器(3)包括第一连杆(31)、第二连杆(32)、第三连杆(33)、连轴(34)，所述第一连杆(31)左端与偏心块(24)固定连接，所述第一连杆(31)右端与第二连杆(32)左端活动连接，所述第二连杆(32)右端与第三连杆(33)下端活动连接，所述第三连杆(33)上端与连轴(34)固定连接，所述连轴(34)后部设有水动腔(35)，所述水动腔(35)与连轴(34)之间设有隔离板(36)，所述水动腔(35)内部设有叶板(37)，所述连轴(34)贯穿隔离板(36)与叶板(37)固定连接，所述第二连杆(32)右端与第三连杆(33)上端均设有复位弹簧(38)。
3.根据权利要求2所述的振动换能器，其特征在于：所述水动腔(35)内液体量为容积的60％-80％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的振动换能器的优化方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1，建立优化目标和约束条件的数学方程，并根据终端示波器(41)数据建立数学模型；
S2，将终端示波器(41)数据的数学模型进行转化，构建换能器(1)的简化几何模型；
S3，以有限元法将换能器(1)的简化几何模型建立为有限元模型，通过换能器(1)的结构特征和物理特性定义相应的材料属性以及边界条件，建立电磁场求解器，解析电磁场分布、磁通密度参数，并计算电磁损耗。
S4，将S3中构建的有限元模型编写为计算图，包括定义输入变量、中间变量和输出变量，并将其表示为计算图的节点，通过自动微分库中的函数对计算图进行反向传播，自动计算目标函数关于设计变量的梯度信息，并对形态进行优化，结合拓展优化进行求解，并更新设计变量，直到满足要求并迭代收敛。
5.根据权利要求4所述的振动换能器的优化方法，其特征在于：S1中基于终端示波器数据建立的数学方程为：
其中，Q为优化目标，f(x)为各类约束，包括电磁约束，几何约束以及压板表面积及水动腔容积，控制变量为输出的线圈电流。
6.根据权利要求4所述的振动换能器的优化方法，其特征在于：S3中有限元模型将换能器(1)分解成各个部件，并确定部件之间的几何关系和尺寸参数，并设置边界条件，有限元模型包括压电感应片、桨叶长度、弹簧行程以及连杆长度以及角度。
7.根据权利要求4所述的振动换能器的优化方法，其特征在于：S3中电磁求解器根据矢量磁位推导的场方程如下：
式中，Az(x,y)——为矢量磁位Z轴分量；
Jz(x,y)——为电流流动截面的电流密度；
μr——求解域中材料的相对磁导率；
μ0——真空磁导率；
推导过程如下，麦克斯韦方程可表达为：
E、H、D、E、J、ρ分别为电场强度，磁场强度、电通量密度、磁通量密度、电流密度和电荷密度。
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