一种用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器及俘能方法

本发明涉及振动俘能以及交通基础设施健康监测，特别是指一种用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器及俘能方法。

背景技术：

1、桥梁是交通基础设施的关键组成部分，尤其是在高速铁路中，占比超过总里程的50％。为保证列车在桥上的运行安全，采用无线传感器对桥梁进行健康监测已得到了一定应用。但该监测方式通常采用电池供能，存在寿命有限、环境污染、维护成本高等问题。

2、在桥梁振动俘能领域，目前主要采用压电和电磁俘能技术，单一的压电或单一的电磁俘能技术的俘能效率普遍较低。未解决单一俘能技术的俘能效率较低的问题，公布号为cn112653223的中国专利公开了一种将太阳能收集技术、压电振动俘能技术以及电磁振动俘能技术相结合的复合俘能器。但若采用该俘能器对铁路桥振动进行能量收集，当应用于箱型梁中时，太阳能收集技术效果甚微。虽然采用了压电和电磁俘能技术相结合提升俘能效率，但俘能器的效率依然不高，不超过10mw，该功率难以为无线传感节点有效供能。现有的俘能器有效工作频带窄，仅当俘能器固有频率与环境振动主频率一致时才有显著能量输出，一旦环境振动出现变化俘能效率将会大大降低。若采用俘能器阵列、辅助弹簧等措施，可以显著提升俘能频带宽度。近年来，采用俘能器阵列来扩展俘能器的能量收集频带宽度，(参见：jichun xing,gaofeng liu,wei jin and ian howard在2022年发表于journalof intelligent material systems and structures上的论文，“nonlinear multimodalenergy harvesting system:a dual-cantilever beam structure for combiningpiezoelectric and electromagnetic mechanisms”)，研究发现该方法虽然可以扩展俘能频带宽度，但是能量俘获效率依然不高，峰值功率仅为5mw。虽然上述两种方式可以在一定程度上提高环境振动俘能效率，但是俘能效率低，不能满足无线传感节点的能耗需求。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器及俘能方法，现有的俘能器及俘能方法具有以下问题，俘能频带窄、俘能效率低，不能为无线传感节点有效供能。

2、为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

3、一方面，本发明实施例提供一种用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，包括上下分布的至少两层弹性基层；

4、所述弹性基层的两端分别固定，中间上下两侧粘贴有质量块，在所述弹性基层上靠近所述固定端处以及靠近质量块处的上下两侧均粘贴有变形放大器，放大器另一侧粘贴压电材料，所述变形放大器和压电材料形成压电俘能单元，在所述压电材料表上涂有银电极，并在银电极上焊接导线；

5、在相邻两层的所述弹性基层质量块上相对应分别设置有线圈和磁铁，所述线圈与所述磁铁形成电磁俘能单元。

6、优选地，所述弹性基层的材料为磷青铜。

7、优选地，所述变形放大器为对称结构，所述变形放大器的一侧与所述压电材料完全粘贴、另一侧的两端与所述弹性基层粘贴。

8、优选地，在每个所述弹性基层上至少设置有一块质量块，在所述弹性基层上靠近所述质量块处的上下两侧均设置有压电俘能单元。

9、优选地，在每个所述弹性基层的上下两侧分别设置有一块质量块，在位于相邻两层的所述弹性基层上的所述质量块处相对应分别设置线圈和磁铁。

10、优选地，可根据俘能性能和应用环境的需求，调整所述弹性基层的数量、所述质量块的尺寸以及所述电磁俘能单元的磁铁的大小、线圈的尺寸和线圈的圈数。

11、优选地，所述俘能器还包括固定件，相邻两层的所述弹性基层的两端分别通过固定件固定，且在所述弹性基层与所述固定件之间设置绝缘垫片。

12、优选地，所述固定件包括上下布置的两个腿部，同一个所述固定件的两个腿部分别用于定位相邻两层的所述弹性基层；

13、所述弹性基层的端部的上下两侧分别设置有一个固定件的腿部和另一个固定件的腿部，一个固定件的腿部和另一个固定件的腿部通过螺栓紧固件连接。

14、优选地，所述固定件还包括连接两个腿部的腰部；

15、相邻两个俘能器通过其固定件的腰部连接，实现俘能器的扩展。

16、另一方面，本发明实施例提供一种用于铁路桥梁振动的宽频压电-电磁复合俘能方法，所述方法采用用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，所述方法包括：

17、将所述俘能器组装完成；

18、将所述俘能器自由放置于铁路桥梁上；

19、在受竖向振动激励作用下，弹性基层产生拉压变形，变形放大器将所述弹性基层产生的拉压变形放大后传递给压电材料，所述压电材料进行力电转换产生的电荷，通过银电极和导线将电荷导出；磁铁和线圈产生相对运动，将线圈中会产生的电能导出。

20、本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

21、上述方案中，本发明的俘能器结合了具有变形放大器的压电俘能单元和电磁俘能单元，可显著提高振动俘能效率，俘获的能量超过100mw，足够一个无线传感节点使用；本发明设置有多弹性基层，每个弹性基层在共振的情况下有较高的能量收集效率，不同的弹性基层的共振频率是不一样的，通过多个弹性基层的组合，实现了在较宽频带同时进行能量收集的作用，具有较宽的能量收集频带，适用于在列车作用下铁路桥梁振动10-40hz之间的多个频率，可用于在桥梁中不同的位置进行能量收集，本发明的俘能器在交通基础设施健康监测系统供能方面具有广阔的应用前景；

22、在压电俘能单元中，在受竖向振动激励作用下，弹性基层的两端固定、中间上下两侧设置有质量块，弹性基层的表面的拉压变形主要集中在靠近两端的固定端和靠近中部质量块的位置处，将压电俘能单元设置在靠近固定端处和靠近质量块处，充分利用了弹性基层的拉压变形带动变形放大器产生变形，从而带动压电材料变形，增大俘能输出；

23、在电磁俘能单元中，弹性基层的中间上下两侧设置有质量块，使得弹性基层的最大振幅出现在跨中位置，同时可以调整结构的固有频率，磁铁和线圈产生相对运动，线圈中会产生电能输出，增加能量输出效率；

24、本发明的俘能器合理地排布压电材料在弹性基层上粘贴时的极化方向，所述压电材料极化方向为沿厚度方向，同一水平面上所述质量块与所述固定端之间的所述压电材料极化方向相反，所述质量块两侧的压电俘能单元上压电材料极化方向相同，所述弹性基层相同位置上下两侧所述压电俘能单元中所述压电材料极化方向相反，优化了电压输出和各压电俘能单元之间的能量处理，避免出现转化电荷内部抵消。

技术特征：

1.一种用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，包括上下分布的至少两个弹性基层；

2.根据权利要求1所述的用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，所述弹性基层的材料为磷青铜。

3.根据权利要求1所述的用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，所述变形放大器为对称结构，所述变形放大器的一侧与所述压电材料完全粘贴、另一侧的两端与所述弹性基层粘贴。

4.根据权利要求1所述的用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，在每个所述弹性基层上至少设置有一块质量块，在所述弹性基层上靠近所述质量块处的上下两侧均设置有压电俘能单元。

5.根据权利要求4所述的用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，在每个所述弹性基层的上下两侧分别设置有一块质量块，在位于相邻两层的所述弹性基层上的所述质量块处相对应分别设置线圈和磁铁。

6.根据权利要求4所述的用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，可根据俘能性能和应用环境的需求，调整所述弹性基层的数量、所述质量块的尺寸以及所述电磁俘能单元的磁铁的大小、线圈的尺寸和线圈的圈数。

7.根据权利要求1所述的用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，所述俘能器还包括固定件，相邻两层的所述弹性基层的两端分别通过固定件固定，且在所述弹性基层与所述固定件之间设置绝缘垫片。

8.根据权利要求1所述的用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，所述固定件包括上下布置的两个腿部，同一个所述固定件的两个腿部分别用于定位相邻两层的所述弹性基层；

9.根据权利要求8所述的用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，所述固定件还包括连接两个腿部的腰部；

10.一种用于铁路桥梁振动的宽频压电-电磁复合俘能方法，所述方法采用如权利要求1-9任意一项所述的用于铁路桥梁的压电-电磁复合俘能器，其特征在于，所述方法包括：

技术总结
本发明公开了一种用于铁路桥梁的压电‑电磁复合俘能器及俘能方法，涉及振动俘能以及交通基础设施健康监测技术领域。俘能器包括弹性基层、压电俘能单元、电磁俘能单元、质量块、绝缘垫片及固定件。质量块固定于弹性基层中间上下两侧，绝缘垫片粘贴于弹性基层两端上下两侧，压电俘能单元分布粘贴于弹性基层，电磁俘能单元由粘贴于质量块上的磁铁和线圈组成，固定件用于固定和连接不同的俘能器，基座用于固定并安置俘能器。本发明的俘能器结合了压电俘能单元和电磁俘能单元，压电俘能单元通过将压电材料与变形放大器结合增大压电材料变形，再结合电磁俘能单元，提升了振动俘能效率，将多个俘能单元结合增大了俘能频带宽度。

技术研发人员：张之伟,黄建坤,姜群鸥,刘兰华,何财松,周杨
受保护的技术使用者：北京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16