專利名稱：一種磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲裝置的制作方法
一種磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于壓電振動(dòng)能量發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘ο背景技術(shù)
近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、材料科學(xué)與技術(shù)和傳感器技術(shù)等的飛速發(fā)展，大量無(wú)線傳感器被應(yīng)用到需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)、設(shè)備和環(huán)境中，這類傳感器能夠?qū)崟r(shí)獲取被監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)信息，可十分有效地提高應(yīng)對(duì)緊急事件的速度、減少災(zāi)難性事件的發(fā)生、避免損失等；同時(shí)，由于沒(méi)有線纜連接，穩(wěn)定性好并且容易集成，具有非常好的應(yīng)用前景。但是，目前大部分便攜式電子設(shè)備和無(wú)線傳感器均采用傳統(tǒng)的不可充電的電池供電，這類電池不僅能量和壽命有限，而且使用完也存在污染、回收困難等問(wèn)題，特別是嵌入到建筑物、橋梁的狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器和地點(diǎn)不確定的目標(biāo)追蹤傳感器等特殊用途的傳感器，更換電池的代價(jià)都很高甚至是不可能完成的工作。如果能獲取周圍環(huán)境中的能量，就可以用來(lái)替代電池或者對(duì)電池進(jìn)行充電。通常我們把利用一種系統(tǒng)將周圍環(huán)境中能量獲取并轉(zhuǎn)化為可利用能量的過(guò)程叫做能量回收，能量回收技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景。因此，能量回收技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注和深入研究。
振動(dòng)能量無(wú)處不在，日常生活中的橋梁、車輛、轉(zhuǎn)子設(shè)備、路面、人體的運(yùn)動(dòng)和器官的活動(dòng)等都存在大量的振動(dòng)能量，這些振動(dòng)能量相對(duì)穩(wěn)定且廣泛存在。回收振動(dòng)能量的方法有電磁、靜電和壓電三種電磁裝置產(chǎn)生的電壓很低，幅值一般小于O. IV,并且很難與電子設(shè)備集成；靜電回收方法需要一個(gè)獨(dú)立的電壓源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；壓電振動(dòng)能量回收電壓幅值高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且無(wú)須外接電源，同時(shí)具有比電磁和靜電兩種方法更高的能量密度和回收效率，因此是振動(dòng)能量回收中最為有效方法，非常適合為無(wú)線傳感器供電等。
在壓電振動(dòng)能量回收領(lǐng)域，懸臂梁式壓電能量回收系統(tǒng)具有能量密度高、裝置簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛研究和使用。然而，傳統(tǒng)的線性壓電懸臂梁共振頻帶過(guò)窄，與周圍環(huán)境振動(dòng)頻率匹配較差，回收的能量嚴(yán)重受限于周圍環(huán)境，俘獲能量的效率比較低，得到的可利用的電能卻十分有限，在很多情況下都很難充分滿足實(shí)際需求，這也成為了壓電能量回收在應(yīng)用中的瓶頸。如何改變系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性、有效拓寬其諧振頻帶一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲裝置，有效地提高了壓電系統(tǒng)的諧振頻寬和能量回收效率，壓電懸臂梁與外加磁鐵之間在空間X、I、Z三個(gè)方向的相對(duì)位置可以方便地調(diào)整、外加磁鐵2-5可以沿著y軸方向旋轉(zhuǎn)任意角度，可全方位研究磁場(chǎng)位置及強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能和動(dòng)力學(xué)特性的影響。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
—種磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲裝置，包括主橫梁1，主橫梁I上串聯(lián)了 I個(gè)以上的獨(dú)立懸臂梁系統(tǒng)，每個(gè)懸臂梁系統(tǒng)包括豎梁2-1、上梁2-2、懸臂梁2-3、下梁2-4和外加磁鐵2-5，主橫梁I與豎梁2-1連接，在主橫梁I上面二者的連接處開(kāi)有第一長(zhǎng)槽2-7，豎梁 2-1在未完全鎖緊前能夠沿著第一長(zhǎng)槽2-7進(jìn)行滑動(dòng)，即y方向自由移動(dòng)；
豎梁2-1與懸臂梁系統(tǒng)的上梁2-2連接，在豎梁2-1中間開(kāi)有第二長(zhǎng)槽2_8，上梁 2-2在未完全鎖緊前能夠沿著第二長(zhǎng)槽2-8進(jìn)行滑動(dòng)，即χ方向自由移動(dòng)；
外加磁鐵2-5與懸臂梁系統(tǒng)的下梁2-4連接，在下梁2-4中間開(kāi)有第三長(zhǎng)槽2_9， 外加磁鐵2-5在未完全鎖緊前能夠沿著第三長(zhǎng)槽2-9進(jìn)行滑動(dòng)，即z方向自由移動(dòng)；
外加磁鐵2-5與懸臂梁系統(tǒng)的下梁2-4之間為活動(dòng)連接，外加磁鐵2-5能夠沿著 y軸旋轉(zhuǎn)任意角度，并且外加磁鐵2-5能夠從裝置中卸載下來(lái)；
上梁2-2與懸臂梁2-3連接。
壓電片2-10通過(guò)導(dǎo)電膠粘貼于懸臂梁2-3根部，兩塊端部磁鐵質(zhì)量塊2-6以不同極性相對(duì)，依靠引力作用互相吸引于懸臂梁2-3的端部。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為
將傳統(tǒng)的質(zhì)量塊更換為2塊磁鐵，由于自身具備一定的質(zhì)量和較強(qiáng)的磁性既可以發(fā)揮質(zhì)量塊的功能，又可以增強(qiáng)懸臂梁的磁性，從而與外部磁鐵之間產(chǎn)生更大的磁力。利用 2塊磁鐵的不同極性相互吸引的作用吸附在懸臂梁端部的兩側(cè)。
本裝置串聯(lián)了 I個(gè)以上的獨(dú)立懸臂梁系統(tǒng)，可在同一時(shí)間內(nèi)分別完成I種以上不同條件的實(shí)驗(yàn)，極大地節(jié)省了工作時(shí)間，提高了工作效率。
外加磁鐵2-5與懸臂梁系統(tǒng)的下梁2-4采用螺栓連接，外加磁鐵2-5可以沿著y 軸旋轉(zhuǎn)任意角度，可以研究外加磁鐵2-5處于不同角度時(shí)，裝置的動(dòng)力學(xué)特性以及能量俘獲的能力；去掉外加磁鐵2-5后的能量俘獲裝置即變?yōu)閭鹘y(tǒng)的壓電式能量俘獲裝置，添加外加磁鐵2-5后的能量俘獲裝置即為磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲裝置，本裝置既可以進(jìn)行傳統(tǒng)的壓電能量俘獲實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲實(shí)驗(yàn)。
將磁場(chǎng)非線性因素引入到壓電振動(dòng)能量俘獲系統(tǒng)中，使得裝置具備非線性動(dòng)力學(xué)特性，有效克服了傳統(tǒng)的線性壓電懸臂梁諧振頻帶過(guò)窄的缺點(diǎn)。
設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置，使得壓電懸臂梁與外加磁鐵之間在空間x、y、z三個(gè)方向的相對(duì)位置可以方便地調(diào)整，外加磁鐵2-5可以沿著y軸方向旋轉(zhuǎn)任意角度，可研究磁場(chǎng)位置及強(qiáng)度，對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能和動(dòng)力學(xué)特性的影響。
整個(gè)機(jī)械裝置的各部分結(jié)構(gòu)均可拆卸，便于放置、局部修改、升級(jí)及更換。


圖1-1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1-2為主橫梁I的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1-3為豎梁2-1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1-4為下梁2-4的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1-5為壓電磁懸臂梁的工作原理示意圖。
圖2、3、4、5、6和圖7為基于相同的正弦波掃頻信號(hào)激勵(lì),懸臂梁2_3與外加磁鐵 2-5處于一系列不同的相對(duì)位置時(shí)，壓電系統(tǒng)所產(chǎn)生的開(kāi)路電壓。
圖8是將圖1-1中的外加磁鐵2-5去掉后，實(shí)驗(yàn)裝置變成傳統(tǒng)的壓電式能量俘獲裝置，基于相同的正弦波掃頻信號(hào)激勵(lì)，壓電系統(tǒng)所產(chǎn)生的開(kāi)路電壓。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
參照?qǐng)D1-1，一種磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲裝置，包括主橫梁1，主橫梁I上串聯(lián)了三個(gè)獨(dú)立的懸臂梁系統(tǒng)，可在同一時(shí)間內(nèi)分別完成三種不同條件的實(shí)驗(yàn)，大大節(jié)省了工作時(shí)間，提高了工作效率，每個(gè)懸臂梁系統(tǒng)包括豎梁2-1、上梁2-2、懸臂梁2-3、下梁2-4和外加磁鐵2-5，主橫梁I與豎梁2-1之間采用螺栓連接，參照?qǐng)D1-2，在主橫梁I上面二者的連接處開(kāi)有第一長(zhǎng)槽2-7，螺栓在未完全鎖緊前能夠沿著第一長(zhǎng)槽2-7進(jìn)行滑動(dòng)，從而使豎梁2-1能夠沿著主橫梁I的長(zhǎng)度方向，即y方向自由移動(dòng)，這樣，懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5 之間在I方向的距離可以調(diào)整；
豎梁2-1與懸臂梁系統(tǒng)的上梁2-2之間采用螺栓連接，參照?qǐng)D1-3，在豎梁2_1中間開(kāi)有第二長(zhǎng)槽2-8，螺栓在未完全鎖緊前能夠沿著第二長(zhǎng)槽2-8進(jìn)行滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上梁 2-2能夠沿著豎梁2-1的長(zhǎng)度方向，即χ方向自由移動(dòng)。這樣，懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5 之間在χ方向的距離可以調(diào)整。
外加磁鐵2-5與懸臂梁系統(tǒng)的下梁2-4之間采用螺栓連接，參照?qǐng)D1-4，在下梁 2-4中間開(kāi)有第三長(zhǎng)槽2-9，螺栓在未完全鎖緊前能夠沿著第三長(zhǎng)槽2-9進(jìn)行滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)外加磁鐵2-5能夠沿著上梁2-4的長(zhǎng)度方向，即z方向自由移動(dòng)。這樣，懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5之間在z方向的距離可以調(diào)整。
上梁2-2與懸臂梁2-3之間采用螺栓連接。
壓電片2-10通過(guò)導(dǎo)電膠粘貼于懸臂梁2-3根部，兩塊端部磁鐵質(zhì)量塊2_6以不同極性相對(duì)，依靠引力互相吸引于懸臂梁2-3的端部。
本發(fā)明的工作原理為
在進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，激振器將力傳遞給主橫梁1，然后由主橫梁I傳遞給其上的三個(gè)獨(dú)立的懸臂梁系統(tǒng)，當(dāng)外部激勵(lì)頻率處于懸臂梁系統(tǒng)的諧振頻帶內(nèi)時(shí)，懸臂梁2-3振動(dòng)較為劇烈，此時(shí)帖子懸臂梁根部的壓電片所受的力也較大，由于壓電效應(yīng)壓電片內(nèi)部電荷開(kāi)始極化，在兩端形成較多的極性相反大小相等的電荷，就是利用這些電荷進(jìn)行振動(dòng)發(fā)電， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)能量的俘獲。由于三個(gè)懸臂梁系統(tǒng)的工作原理完全一樣，只分析其中一個(gè)懸臂梁系統(tǒng)。
參照?qǐng)D1-5，當(dāng)裝置受到沿z方向的激勵(lì)時(shí)，懸臂梁2-3開(kāi)始擺動(dòng)，貼在懸臂梁根部的壓電片受到力的作用，由于壓電效應(yīng)在壓電片兩端產(chǎn)生電荷，進(jìn)而部件2-11兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，部件2-11為單個(gè)電阻、負(fù)載電路或者儲(chǔ)能裝置。壓電片2-10通過(guò)導(dǎo)電膠粘貼于懸臂梁根部，與懸臂梁一起運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中，利用磁鐵之間極性相反互相吸引的原理，兩塊端部磁鐵質(zhì)量塊2-6以不同極性相對(duì)，依靠引力互相吸引于懸臂梁的端部，端部磁鐵質(zhì)量塊2-6 的作用有兩個(gè)，一是增加懸臂梁的磁性，使懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5之間的磁力在相同的距離時(shí)更大；二是由于端部磁鐵質(zhì)量塊2-6本身具有質(zhì)量，可以有效調(diào)節(jié)懸臂梁系統(tǒng)的共振頻率。
對(duì)比圖2、3、4、5、6、7與圖8中開(kāi)路電壓，這些開(kāi)路電壓是基于相同的外界激勵(lì)信號(hào)，由某公司型號(hào)為MS0X3052A的示波器采集。圖2、3、4、5、6和圖7為基于相同的正弦波5掃頻信號(hào)激勵(lì)，懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5處于一系列不同的相對(duì)位置時(shí)，壓電系統(tǒng)所產(chǎn)生的開(kāi)路電壓。實(shí)驗(yàn)中，部件2-11為示波器的內(nèi)阻。d和h是懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5沿 z方向和χ方向的相對(duì)距離，通過(guò)調(diào)整d和h，可使得懸臂梁2-3與外加磁鐵2-5處于不同的相對(duì)位置。
圖8是將圖1-2中的外加磁鐵2-5去掉后，實(shí)驗(yàn)裝置變成傳統(tǒng)的壓電式能量俘獲裝置，基于相同的正弦波掃頻信號(hào)激勵(lì)，壓電系統(tǒng)所產(chǎn)生的開(kāi)路電壓。
不難發(fā)現(xiàn)，磁耦合下的壓電懸臂梁系統(tǒng)的發(fā)電能力明顯強(qiáng)于傳統(tǒng)的壓電懸臂梁系統(tǒng)，其諧振頻寬為后者的數(shù)倍。磁場(chǎng)的位置與強(qiáng)度對(duì)壓電系統(tǒng)的發(fā)電特性有顯著的作用，可以使用本發(fā)明研究非線性磁耦合壓電系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。
本發(fā)明中，壓電懸臂梁與外加磁鐵之間在空間X、y、Z三個(gè)方向的相對(duì)位置可以方便地調(diào)整，外加磁鐵2-5可以 沿著y軸方向旋轉(zhuǎn)任意角度，可研究磁場(chǎng)位置及強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能和動(dòng)力學(xué)特性的影響。整個(gè)機(jī)械裝置的各部分結(jié)構(gòu)均可拆卸，便于放置、局部修改、 升級(jí)及更換。圖2中d = 37mm，h=7.5mm圖3中d ==42mm，h==7.5mm圖4中d ==45mm，h==7.5mm圖5中d ==50mm，h==7.5mm圖6中d = 59mm，h==7.5mm圖7中d = 67mm，h==7.5mm
權(quán)利要求
1.一種磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲裝置，包括主橫梁(1)，其特征在于主橫梁(I)上串聯(lián)了 I個(gè)以上的獨(dú)立懸臂梁系統(tǒng)，每個(gè)懸臂梁系統(tǒng)包括豎梁(2-1)、上梁(2-2)、懸臂梁(2-3)、下梁(2-4)和外加磁鐵(2-5)，主橫梁(I)與豎梁(2-1)連接，在主橫梁(I)上面二者的連接處開(kāi)有第一長(zhǎng)槽(2-7 )，豎梁(2-1)在未完全鎖緊前能夠沿著第一長(zhǎng)槽(2-7 )進(jìn)行滑動(dòng)，即y方向自由移動(dòng)； 豎梁(2-1)與懸臂梁系統(tǒng)的上梁(2-2)連接，在豎梁(2-1)中間開(kāi)有第二長(zhǎng)槽(2-8)，上梁(2-2)在未完全鎖緊前能夠沿著第二長(zhǎng)槽(2-8)進(jìn)行滑動(dòng)，即X方向自由移動(dòng)； 外加磁鐵(2-5)與懸臂梁系統(tǒng)的下梁(2-4)連接，在下梁(2-4)中間開(kāi)有第三長(zhǎng)槽(2-9)，外加磁鐵(2-5)在未完全鎖緊前能夠沿著第三長(zhǎng)槽(2-9)進(jìn)行滑動(dòng)，即z方向自由移動(dòng)； 外加磁鐵(2-5)與懸臂梁系統(tǒng)的下梁(2-4)之間為活動(dòng)連接，外加磁鐵(2-5)能夠沿著y軸旋轉(zhuǎn)任意角度，并且外加磁鐵(2-5)能夠從裝置中卸載下來(lái)； 上梁(2-2)與懸臂梁(2-3)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲裝置，其特征在于壓電片(2-10)通過(guò)導(dǎo)電膠粘貼于懸臂梁(2-3)根部，兩塊端部磁鐵質(zhì)量塊(2-6)以不同極性相對(duì)，依靠引力作用互相吸引于懸臂梁(2-3)的端部。
全文摘要
一種磁耦合的壓電振動(dòng)能量俘獲裝置，包括主橫梁，主橫梁上串聯(lián)了1個(gè)以上的獨(dú)立懸臂梁系統(tǒng)，每個(gè)懸臂梁系統(tǒng)包括豎梁等，在主橫梁上面開(kāi)有第一長(zhǎng)槽，豎梁在未完全鎖緊前能夠沿著第一長(zhǎng)槽進(jìn)行滑動(dòng)，在豎梁中間開(kāi)有第二長(zhǎng)槽，上梁在未完全鎖緊前能夠沿著第二長(zhǎng)槽進(jìn)行滑動(dòng)，在下梁中間開(kāi)有第三長(zhǎng)槽，外加磁鐵在未完全鎖緊前能夠沿著第三長(zhǎng)槽進(jìn)行滑動(dòng)，外加磁鐵與懸臂梁系統(tǒng)的下梁之間為活動(dòng)連接，壓電片粘貼于懸臂梁根部，兩塊端部磁鐵質(zhì)量塊以不同極性相對(duì)，激振器將力通過(guò)主橫梁傳遞給懸臂梁系統(tǒng)，本發(fā)明提高了壓電系統(tǒng)的諧振頻寬和能量回收效率，可全方位研究磁場(chǎng)位置及強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能和動(dòng)力學(xué)特性的影響。
文檔編號(hào)H02N2/18GK102983779SQ20121043103
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者曹軍義, 周生喜, 張洪寶, 曹秉剛 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)