一种压电振动能量采集器及其设计方法

1.本发明涉及振动发电技术领域，特别是涉及一种压电振动能量采集器及其设计方法。


背景技术：

2.基于磁铁耦合的多稳态压电振动能量采集器通常由带末端磁铁的压电双晶悬臂梁和外部磁铁构成，具有工作频带宽、采集效率高等优势，被认为是一种有望代替电池供能的新型微能源器件。然而，基于磁铁耦合的多稳态压电振动能量采集器的势能阱个数、宽度和深度严重依赖外部磁铁的个数和布置位置关系，导致采集器的非线性磁力、平衡点数目和位置的调控方法粗糙、不灵活、不可任意配置。通常，为了有效采集低频、低激励水平的环境振动能量，普遍的方法是增加外部磁铁数目使采集器具备多个平衡点和势能阱，但这种解决办法使基于磁铁耦合的压电振动能量采集器的结构变得更加复杂。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种压电振动能量采集器及其设计方法，采集器结构简单、设计灵活，降低了压电振动能量采集器的复杂程度。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种压电振动能量采集器，包括：第一支撑板、第二支撑板、压电双晶悬臂梁、滚动部、打印滚道、预压弹簧和底板；
6.所述第一支撑板和所述第二支撑板垂直设置在所述底板上；
7.所述压电双晶悬臂梁的一端固定于所述第一支撑板表面，所述压电双晶悬臂梁的另一端与所述滚动部固定连接；
8.所述预压弹簧的一端固定于所述第二支撑板表面，所述预压弹簧的另一端与所述打印滚道的背面活动连接；
9.所述打印滚道的表面与所述滚动部接触耦合；所述打印滚道的表面为所述打印滚道上与所述打印滚道的背面相对的一面；所述打印滚道的表面形状通过预选平衡点的位置和数量确定，所述打印滚道用于提供预设的预选平衡点和势能阱。
10.可选地，所述压电双晶悬臂梁包括：第一压电陶瓷片、金属基底以及第二压电陶瓷片；所述第一压电陶瓷片和所述第二压电陶瓷片分别设置在所述金属基底根部的两侧；所述第一压电陶瓷片的根部、所述第二压电陶瓷片的根部和所述金属基底的根部固定于所述第一支撑板表面。
11.可选地，所述第一压电陶瓷片和所述第二压电陶瓷片的极化方向相反。
12.可选地，所述压电振动能量采集器还包括：保持架；
13.所述保持架设置在所述压电双晶悬臂梁和所述滚动部之间，所述保持架的一侧与所述压电双晶悬臂梁的一端固定连接；
14.所述保持架的另一侧设有辅助架杆；
15.所述辅助架杆与所述滚动部固定连接。
16.可选地，所述滚动部为滚动轴承、滚动圆环、滚动滑轮和滚动球中的一种。
17.可选地，所述滚动部与所述打印滚道的表面通过接触耦合传递非线性力。
18.对应于前述的压电振动能量采集器，本发明还提供了一种压电振动能量采集器的设计方法，包括以下步骤：
19.在压电双晶悬臂梁的振动范围内，确定若干个预选平衡点；
20.根据若干个所述预选平衡点的位置，确定所述压电振动能量采集器的非线性力；
21.根据所述压电振动能量采集器的非线性力、预压弹簧的特性参数和压电双晶悬臂梁的特性参数，确定滚动部的运动轨迹；所述预压弹簧的特性参数包括所述预压弹簧的刚度ks和预压量x0；所述压电双晶悬臂梁的特性参数包括所述压电双晶悬臂梁的线性刚度系数k1和非线性刚度系数k2；
22.根据所述滚动部的运动轨迹及所述滚动部的半径，确定所述打印滚道的表面形状；
23.根据所述打印滚道的表面形状，进行3d打印得到目标打印滚道。
24.可选地，根据下式确定所述压电振动能量采集器的非线性力：
25.f(q)＝kq(q-a1)(q-a2)
…
(q-a
n-1
)(q+b1)(q+b2)
…
(q+b
n-1
)＝k1q+k2q2+
…
+k
2n-1q2n-1
26.其中，f(q)为非线性力，k为修正系数，q为压电双晶悬臂梁的振动位移，ai和bi为预选平衡点的位置，i＝1～n-1，n为势能阱个数，kj为非线性力公式的多项式形式中的常数项，j＝1～2n-1，通过预选平衡点的位置确定kj。
27.可选地，根据下式确定滚动部的运动轨迹：
[0028][0029]
其中，s(q)为滚动部的运动轨迹。
[0030]
可选地，根据下式确定所述打印滚道的表面形状：
[0031][0032]
其中，h(q)为所述打印滚道的表面形状，r为所述滚动部的半径，s
′
(q)为s(q)的一阶导数。
[0033]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0034]
本发明提供的一种压电振动能量采集器及其设计方法，压电振动能量采集器包括：第一支撑板、第二支撑板、压电双晶悬臂梁、滚动部、打印滚道、预压弹簧和底板；第一支撑板和第二支撑板垂直设置在底板上；压电双晶悬臂梁的一端固定于第一支撑板表面，压电双晶悬臂梁的另一端与滚动部固定连接；预压弹簧的一端固定于第二支撑板表面，预压弹簧的另一端与打印滚道的背面活动连接；打印滚道的表面与滚动部接触耦合；打印滚道的表面为打印滚道上与打印滚道的背面相对的一面；打印滚道的表面形状通过预选平衡点的位置和数量确定，打印滚道用于提供预设的预选平衡点和势能阱。本发明提供的压电振动能量采集器及其设计方法，压电振动能量采集器的预选平衡点位置和数目完全由打印滚
道的曲线表面决定，结构简单、设计灵活；根据不同的需求，可以对打印滚道设计不同的轨道曲线，并进行具体的3d打印，相较于现有的基于磁铁耦合的多稳态压电振动能量采集器，本发明的压电振动能量采集器不受磁场分布的影响，而且不需要在采集器中设置大量的磁铁块，降低了压电振动能量采集器的复杂程度。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
[0036]
图1为本发明实施例1提供的一种压电振动能量采集器的示意图；
[0037]
图2为本发明实施例2提供的一种压电振动能量采集器设计方法的流程图；
[0038]
图3为本发明实施例2中当n＝2，a1＝20mm、b1＝-15mm，k1＝4000n/m，ks＝100n/m，x0＝10mm时非线性力、势能、滚动部的运动轨迹和打印滚道表面形状的实验结果图；
[0039]
图4为本发明实施例2中当n＝3，a1＝20mm，a2＝10mm，b1＝-15mm，b2＝-8mm，k1＝4
×
108n/m，ks＝100n/m，x0＝10mm时非线性力、势能、滚动部的运动轨迹和打印滚道表面形状的实验结果图。
[0040]
符号解释：1-1：第一支撑板；1-2：第二支撑板；1-3：底板；2：压电双晶悬臂梁；2-1：第一压电陶瓷片；2-2：第二压电陶瓷片；2-3：金属基底；3：滚动部；4：打印滚道；5：预压弹簧；5-1：第一水平弹簧；5-2：第二水平弹簧；6：负载电阻；7：保持架。
具体实施方式
[0041]
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。
[0042]
本发明的目的是提供一种压电振动能量采集器及其设计方法，结构简单、设计灵活，降低了压电振动能量采集器的复杂程度。
[0043]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0044]
实施例1：
[0045]
本实施例提供了一种压电振动能量采集器，如图1所示，压电振动能量采集器包括：第一支撑板1-1、第二支撑板1-2、底板1-3、压电双晶悬臂梁2、滚动部3、打印滚道4和预压弹簧5。
[0046]
第一支撑板1-1和第二支撑板1-2垂直设置在底板1-3上。
[0047]
压电双晶悬臂梁2的一端固定于第一支撑板1-1表面，压电双晶悬臂梁2的另一端与滚动部3固定连接。
[0048]
预压弹簧5的一端固定于第二支撑板1-2表面，预压弹簧5的另一端与打印滚道4的背面活动连接；预压弹簧5可以包括相互并联的若干个初始长度和弹性系数相同的第一水
平弹簧5-1、第二水平弹簧5-2、
…
。
[0049]
打印滚道4的表面与滚动部3接触耦合；打印滚道4的表面为打印滚道4上与打印滚道4的背面相对的一面；打印滚道4的表面形状通过预选平衡点的位置和数量确定，打印滚道4用于提供预设的预选平衡点和势能阱。本实施例中，打印滚道4和滚动部3均采用pvdf材料打印而成。
[0050]
本实施例中，压电双晶悬臂梁2包括：第一压电陶瓷片2-1、金属基底2-3以及第二压电陶瓷片2-2；第一压电陶瓷片2-1和第二压电陶瓷片2-2分别设置在金属基底2-3根部的两侧；第一压电陶瓷片2-1的根部、第二压电陶瓷片2-2的根部和金属基底2-3的根部固定于第一支撑板1-1表面。
[0051]
第一压电陶瓷片2-1和第二压电陶瓷片2-2的极化方向相反。第一压电陶瓷片2-1和第二压电陶瓷片2-2分别通过导线与同一个负载电阻6连接，第一压电陶瓷片2-1和第二压电陶瓷片2-2在多稳态振动下产生应力变形，并通过压电效应在表面产生感生电荷，经过导线流经负载电阻6形成电流，实现将环境振动能量采集并转换成电能。
[0052]
作为另一种可能的实施方式，压电振动能量采集器还包括：保持架7。保持架7设置在压电双晶悬臂梁2和滚动部3之间，保持架7的一侧与压电双晶悬臂梁2的一端固定连接；保持架7的另一侧设有辅助架杆；辅助架杆与滚动部3固定连接。
[0053]
作为诸多可能的选项，滚动部3可以为滚动轴承、滚动圆环、滚动滑轮和滚动球中的任意一种。
[0054]
滚动部3与打印滚道4的表面通过接触耦合传递非线性力。打印滚道4受到滚动部3的接触作用促使预压弹簧5水平拉伸和压缩，从而实时调整滚动部3和打印滚道4之间的接触力，达到自适应调节压电双晶悬臂梁2受到的非线性力和势能阱的深度和宽度，从而提高能量采集器的综合输出性能。
[0055]
实施例2：
[0056]
如图2所示，对应于实施例1所提供的一种压电振动能量采集器，本实施例提供了一种压电振动能量采集器的设计方法，包括以下步骤：
[0057]
s1、在压电双晶悬臂梁的振动范围内，确定若干个预选平衡点a1,a2,
…
,a
n-1
,b1,b2,
…
,b
n-1
；为了优化能量采集器的综合输出性能，可以通过编程调控平衡点坐标的个数和位置，使得设计的能量采集器的势能阱的宽度变大、深度变浅，这样有利于能量采集器在低激励水平下作大幅值的振荡。
[0058]
s2、根据若干个预选平衡点的位置，确定压电振动能量采集器的非线性力；具体可以根据下式确定压电振动能量采集器的非线性力：
[0059]
f(q)＝kq(q-a1)(q-a2)
…
(q-a
n-1
)(q+b1)(q+b2)
…
(q+b
n-1
)＝k1q+k2q2+
…
+k
2n-1q2n-1
[0060]
其中，f(q)为非线性力，k为修正系数，q为压电双晶悬臂梁的振动位移，ai和bi为预选平衡点的位置，i＝1～n-1，n为势能阱个数，上式中定义了能量采集器2n-1个平衡点，其中n-1个平衡点是稳定的。当ai＝bi时，能量采集器的势能阱是对称的；当ai≠bi时，能量采集器的势能阱是非对称的。kj为非线性力公式的多项式形式中的常数项，j＝1～2n-1，通过预选平衡点的位置确定kj。
[0061]
例如，当n＝2时，采集器为非对称双稳态系统，此时：
[0062]
k1＝-ka1b1，
[0063]
k2＝k(-a1+b1)，
[0064]
k3＝k。
[0065]
当n＝3时，采集器为非对称三稳态系统，此时：
[0066]
k1＝ka1a2b1b2，
[0067]
k2＝k(a1a2b1+a1a2b
2-a1b1b
2-a2b1b2)，
[0068]
k3＝-k(a1a2+a1b1+a2b2+b1b
2-a1b
2-a2b1)，
[0069]
k4＝k(-a
1-a2+b1+b2)，
[0070]
k5＝k。
[0071]
由非线性力公式可以得到能量采集器的系统总势能函数为：
[0072][0073]
再由考虑压电双晶悬臂梁的几何非线性，可得下式：
[0074][0075]
s3、根据压电振动能量采集器的非线性力、预压弹簧的特性参数和压电双晶悬臂梁的特性参数，确定滚动部的运动轨迹；预压弹簧的特性参数包括预压弹簧的刚度ks和预压量x0；压电双晶悬臂梁的特性参数包括压电双晶悬臂梁的线性刚度系数k1和非线性刚度系数k2；压电双晶悬臂梁的线性刚度系数k1和非线性刚度系数k2由所述压电双晶悬臂梁的结构和材料特性决定具体可以根据下式确定滚动部的运动轨迹：
[0076][0077]
其中，s(q)为滚动部的运动轨迹。
[0078]
s4、根据滚动部的运动轨迹及滚动部的半径，确定打印滚道的表面形状；具体可以根据下式确定打印滚道的表面形状：
[0079][0080]
其中，h(q)为打印滚道的表面形状，r为滚动部的半径，s
′
(q)为s(q)的一阶导数。
[0081]
s5、根据打印滚道的表面形状，进行3d打印得到目标打印滚道。
[0082]
为了避免滚动部在打印滚道上产生较大的摩擦损耗，在得到目标打印滚道后，还包括对目标打印滚道进行机械抛光和润滑处理。
[0083]
在步骤s5得到打印滚道的表面形状，进行3d打印之前，模拟计算所述压电振动能量采集器的总势能，仿真分析势能曲线；
[0084]
判断是否满足优化目标；这里的优化目标可以是判断最大势垒是否最小或最大平衡点坐标最大；
[0085]
若满足优化目标，则直接进行3d打印；否则回到步骤s1重新选取预选平衡点的个数和位置。
[0086]
下面以几个具体的例子来对本发明提供的压电振动能量采集器进行说明：
[0087]
设计参数分别为势能阱个数n＝2，平衡点的个数应为2n-1＝3，即除初始平衡点0mm以外的第一个平衡点a1＝20mm、第二个平衡点b1＝-15mm，压电双晶悬臂梁的线性刚度k1＝4000n/m，预压弹簧的刚度ks＝100n/m，预压弹簧的预压量x0＝10mm；将上述参数分别代入到前述对能量采集器的设计方法中，可以得到如图3所示的非线性力、势能、滚动轴承中心轨迹和打印滚道表面形状，此时非线性力具有三个平衡点，分别为20mm，-15mm和0；势能阱具有两个不对称的势能阱，右侧势能阱深度和宽度略大于左侧势能阱的深度和宽度；滚动轴承中心轨迹和打印滚道表面形状也是非对称的。
[0088]
设计参数分别为n＝3，平衡点的个数应为2n-1＝3，即除初始平衡点0mm以外的第一个平衡点a1＝20mm，第二个平衡点a2＝10mm，第三个平衡点b1＝-15mm，第四个平衡点b2＝-8mm，压电双晶悬臂梁的线性刚度k1＝4
×
108n/m，预压弹簧的刚度ks＝100n/m，预压弹簧的预压量x0＝10mm；将上述参数分别代入到前述对能量采集器的设计方法中，可以得到如图4所示的非线性力、势能、轴承中心轨迹和3d打印滚道曲线，此时非线性力具有5个平衡点，分别为20mm，10mm，-15mm，-8mm和0；势能阱具有三个势能阱，右边外侧势能阱深度和宽度略大于左边外侧势能阱的深度和宽度；滚动轴承中心轨迹和打印滚道表面形状也是非对称的。
[0089]
进一步的，可编程初始平衡点位置设计为a1＝20mm，a2＝10mm，b1＝-20mm，b2＝-10mm，则计算得到的非线性力、势能、轴承中心轨迹和打印滚道表面形状具备对称三稳态运动特征，右边外侧势能阱的深度和宽度与左边外侧势能阱的深度和宽度相同，且关于初始平衡点0mm位置对称。
[0090]
进一步的，改变可编程平衡点的数目和平衡点坐标a1,a2,
…
,a
n-1
,b1,b2,
…
,b
n-1
，利用前述的能量采集器设计方法，可以设计任意对称、非对称多稳态压电振动能量采集器。
[0091]
技术中的程序部分可以被认为是以可执行的代码和/或相关数据的形式而存在的“产品”或“制品”，通过计算机可读的介质所参与或实现的。有形的、永久的储存介质可以包括任何计算机、处理器、或类似设备或相关的模块所用到的内存或存储器。例如，各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器或者类似任何能够为软件提供存储功能的设备。
[0092]
所有软件或其中的一部分有时可能会通过网络进行通信，如互联网或其他通信网络。此类通信可以将软件从一个计算机设备或处理器加载到另一个。例如：从视频目标检测设备的一个服务器或主机计算机加载至一个计算机环境的硬件平台，或其他实现系统的计算机环境，或与提供目标检测所需要的信息相关的类似功能的系统。因此，另一种能够传递软件元素的介质也可以被用作局部设备之间的物理连接，例如光波、电波、电磁波等，通过电缆、光缆或者空气等实现传播。用来载波的物理介质如电缆、无线连接或光缆等类似设备，也可以被认为是承载软件的介质。在这里的用法除非限制了有形的“储存”介质，其他表示计算机或机器“可读介质”的术语都表示在处理器执行任何指令的过程中参与的介质。
[0093]
本文中应用了具体个例，但以上描述仅是对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；本领域的技术人员应该理解，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0094]
同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。