淺勢阱五穩(wěn)態(tài)可切換型非線性寬頻振動能量采集器及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于能量采集技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種淺勢阱五穩(wěn)態(tài)非線性寬頻振動能量采集器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，公知的寬頻非線性壓電振動能量采集器多是利用壓電雙晶片或壓電單晶片懸臂梁外加磁力作用形成非線性的系統(tǒng)回復(fù)力來獲得較寬的振動頻率范圍和較高的輸出電壓。其中，系統(tǒng)非線性恢復(fù)力的調(diào)整只能通過改變磁體的大小及分布位置來實(shí)現(xiàn)。按照采集器振子形成的穩(wěn)態(tài)個(gè)數(shù)區(qū)分，目前提出的寬頻非線性壓電振動能量采集器可劃分為單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)及三穩(wěn)態(tài)三類。由于磁力的復(fù)雜性和本質(zhì)非線性，這種粗放的結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化方法限制了采集器輸出性能的進(jìn)一步提升，無法充分利用磁場的特性來提升其功率密度、工作帶寬和對環(huán)境中微弱激勵的敏感性，限制了采集器的進(jìn)一步小型化和高功率化。與此同時(shí)，由于不同穩(wěn)態(tài)類型所對應(yīng)的最佳激勵環(huán)境各有不同，單一穩(wěn)態(tài)類型的振動能量采集器在實(shí)際應(yīng)用中將無法滿足激勵情況復(fù)雜多變的工程實(shí)際的需要。因此，開發(fā)能夠充分利用磁場性能，擁有更高功率密度和小型化設(shè)計(jì)潛力并能夠簡單切換穩(wěn)態(tài)類型的寬頻非線性壓電振動能量采集器是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有的寬頻非線性壓電振動能量采集器結(jié)構(gòu)模式單一、功率密度低和無法有效小型化的缺點(diǎn)，并進(jìn)一步提高采集器在微小激勵下的輸出效果，本發(fā)明提供一種淺勢阱五穩(wěn)態(tài)可切換型壓電振動能量采集器，該采集器擁有創(chuàng)新的五穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)，以及更高的磁場利用率和小型化潛力，在降低工作所需激勵量級的同時(shí)還可以切換穩(wěn)態(tài)類型，以適應(yīng)復(fù)雜激勵環(huán)境的需要。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]淺勢阱五穩(wěn)態(tài)可切換型非線性寬頻振動能量采集器，包括外殼(1)、壓電懸臂梁
(2)、兩個(gè)停止器(5)、兩個(gè)永磁體1(3)、兩個(gè)永磁體Π (4);所述壓電懸臂梁(2)的一端緊固在外殼(1)上，壓電懸臂梁(2)的另一端固定有兩個(gè)永磁體1(3)，兩個(gè)永磁體I對稱固定在壓電懸臂梁(2)的中性面的兩個(gè)側(cè)面上，兩個(gè)永磁體I異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁的表面;兩個(gè)永磁體Π (4)相對于壓電懸臂梁的中性面對稱固定在外殼的內(nèi)表面上，兩個(gè)永磁體Π (4)異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁的表面，且兩個(gè)永磁體Π (4)與兩個(gè)永磁體1(3)的異極相對，兩個(gè)停止器(5)對稱布置于壓電懸臂梁(2)的中性面兩側(cè)并固定在外殼上，兩個(gè)停止器均設(shè)置有用于與壓電懸臂梁2發(fā)生碰撞的碰撞位置a。
[0006]在上述技術(shù)方案中，所述壓電懸臂梁2長度為90mm，寬15mm，厚0.3mm;兩個(gè)永磁體I的體積相同，且均為10 X 5 X 1.5mm3，兩個(gè)永磁體Π的體積相同，且均為20 X 10 X 5mm3;兩個(gè)永磁體Π的相對面間距為30mm，兩個(gè)永磁體Π的左表面與永磁體I的右表面在水平方向上相距4mm。
[0007]在上述技術(shù)方案中，碰撞位置a與壓電懸臂梁表面相距2.4mm，碰撞位置a與壓電懸臂梁的固定端的水平距離為35mm，壓電懸臂梁的固定端為與外殼相連固定的壓電懸臂梁的一端。
[0008]在上述技術(shù)方案中，在兩個(gè)停止器中分別設(shè)置了位置可調(diào)的螺釘(6)，用以調(diào)整螺釘旋入端與壓電懸臂梁表面的距離，以實(shí)現(xiàn)不同穩(wěn)態(tài)的切換。
[0009]在上述技術(shù)方案中，螺釘(6)的旋入端與壓電懸臂梁表面相距1.7mm，且螺釘?shù)男攵伺c壓電懸臂梁的固定端的水平距離為33mm，壓電懸臂梁的固定端為與外殼相連固定的壓電懸臂梁的一端。
[0010]在上述技術(shù)方案中，在兩個(gè)停止器中分別設(shè)置了千分尺頂桿結(jié)構(gòu)(7)，所述千分尺頂桿結(jié)構(gòu)(7)包括螺桿(7-1)、固定套筒(7-2)、活動套筒(7-3 )，固定套筒(7-2)和活動套筒(7-3)上設(shè)置有刻度，螺桿(7-1)的一端與活動套筒(7-3)同軸固定，固定套筒(7-2)同軸通過螺紋套接在螺桿(7-1)上，活動套筒(7-3)的一端同軸可旋轉(zhuǎn)的套接在固定套筒(7-2)上，固定套筒(7-2)與外殼(1)固定;通過旋擰活動套筒(7-3)，并結(jié)合刻度可以精確的調(diào)整螺桿的旋入端與壓電懸臂梁表面之間的距離，以實(shí)現(xiàn)不同穩(wěn)態(tài)的切換。
[0011 ]在上述技術(shù)方案中，兩個(gè)永磁體I均為銣鐵硼永磁體。
[0012]在上述技術(shù)方案中，兩個(gè)永磁體Π均為銣鐵硼永磁體。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為:
[0014](1)本發(fā)明的采集器技術(shù)方案在設(shè)備檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用，與雙穩(wěn)態(tài)及三穩(wěn)態(tài)相比，本發(fā)明獨(dú)有的五穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)可將勢能分布進(jìn)更多的勢阱中，從而擁有深度更淺的勢阱，使得采集器振子(銣鐵硼永磁體I)在更小的激勵能量下即可越出所在勢阱進(jìn)行大振幅的阱間運(yùn)動。另外，更多的穩(wěn)態(tài)可以有效地提升采集器的共振帶寬，使得壓電結(jié)構(gòu)在更寬的頻帶里產(chǎn)生更高的功率輸出，以此增加了采集器對微弱激勵的敏感性和適應(yīng)性；
[0015](2)由于停止器的作用，高應(yīng)力區(qū)不再僅位于梁的根部，壓電懸臂梁上的壓電片產(chǎn)生了更大的應(yīng)變，其輸出功率得到明顯提升；
[0016](3)相比于其它利用磁場形成的多穩(wěn)態(tài)振動能量采集器，本發(fā)明的設(shè)計(jì)可以使得磁性慣性質(zhì)量充分靠近外部的永磁體，從而提高了系統(tǒng)的磁能利用率和輸出功率，減少了采集器對永磁體體積的依賴，進(jìn)而降低了采集器對附近電子設(shè)備的影響，使得采集器可以進(jìn)一步的小型化和集成化；
[0017](4)可實(shí)現(xiàn)采集器穩(wěn)態(tài)類型的切換，以適應(yīng)不同激勵環(huán)境對采集器的要求。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是圖1的橫剖面構(gòu)造圖。
[0020]圖3是實(shí)施例一中懸臂梁自由端磁振子(即銣鐵硼永磁體I)在鉛垂方向上的受力關(guān)系圖。
[0021]圖4是實(shí)施例一中的振動能量采集器系統(tǒng)的勢能函數(shù)。
[0022]圖5是本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖6是圖5的橫剖面構(gòu)造圖。
[0024]圖7是實(shí)施例二中懸臂梁自由端磁振子在鉛垂方向上的受力關(guān)系圖(同時(shí)對比了實(shí)施例一中懸臂梁自由端磁振子的受力關(guān)系圖)。
[0025]圖8是本發(fā)明實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖9是傳統(tǒng)的千分尺的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中:1為外殼，2為壓電懸臂梁，3為銣鐵硼永磁體I，3-1為上銣鐵硼永磁體I，3-2為下銣鐵硼永磁體1，4為銣鐵硼永磁體Π，4-1為上銣鐵硼永磁體Π，4-2為下銣鐵硼永磁體Π，5為停止器，6為螺栓，7為千分尺頂桿結(jié)構(gòu)，8為通孔。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0029]實(shí)施例一:
[0030]為了克服現(xiàn)有的寬頻非線性壓電振動能量采集器功率密度低和無法有效小型化的缺點(diǎn)，并進(jìn)一步提高采集器在微小激勵下的輸出效果，本實(shí)施例提供了一種淺勢阱五穩(wěn)態(tài)非線性寬頻振動能量采集器。如圖1-2所示，所述淺勢阱五穩(wěn)態(tài)非線性寬頻振動能量采集器，包括外殼1、壓電懸臂梁2(根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，對壓電懸臂梁的壓電片層進(jìn)行部分分離處理，也可保持全部壓電片層的完整性；圖中顯示的是壓電懸臂梁的示意結(jié)構(gòu))、兩個(gè)停止器5、兩個(gè)銣鐵硼永磁體13、兩個(gè)銣鐵硼永磁體Π 4;所述壓電懸臂梁2長度為90mm，寬15mm，厚
0.3mm，電懸臂梁2的左端緊固在外殼1上，壓電懸臂梁2右端固定有用于充當(dāng)慣性質(zhì)量的一對銣鐵硼永磁體13，兩個(gè)銣鐵硼永磁體13(體積為10 X 5 X 1.5mm3)對稱固定在壓電懸臂梁2的中性面的兩個(gè)側(cè)面上，兩個(gè)銣鐵硼永磁體13異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁2的表面;兩個(gè)銣鐵硼永磁體Π4(體積為20X10 X5mm3)相對于壓電懸臂梁2的中性面對稱固定在外殼1的內(nèi)表面上，兩個(gè)銣鐵硼永磁體Π4異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁2的表面，且兩個(gè)銣鐵硼永磁體Π 4與兩個(gè)銣鐵硼永磁體13的異極相對(即上銣鐵硼永磁體Π4-1與上銣鐵硼永磁體13-1異極相對，下銣鐵硼永磁體Π 4-2與下銣鐵硼永磁體13-2異極相對)，兩個(gè)銣鐵硼永磁體Π 4的相對面上下間隔30mm(即上銣鐵硼永磁體Π的下表面與下銣鐵硼永磁體Π的上表面間距為30mm)，兩個(gè)銣鐵硼永磁體Π 4的左表面與銣鐵硼永磁體13的右表面在水平方向上相距4mm;兩個(gè)停止器5對稱布置于壓電懸臂梁2的中性面兩側(cè)并通過螺絲與外殼1固定，兩個(gè)停止器均設(shè)置有用于與壓電懸臂梁2發(fā)生接觸的停止位置a(停止器與壓電懸臂梁相對的一面為平面，該平面的最右端即為停止位置a，即碰撞位置a)，停止位置a與壓電懸臂梁表面相距2.4_，停止位置a與壓電懸臂梁的固定端(壓電懸臂梁與外殼相連固定的一端)的水平距離為35mm。
[0031]使用時(shí)，通過外殼預(yù)留的通孔8將采集器固定于振動結(jié)構(gòu)表面，在垂直于梁的振動分量的激勵下，壓電懸臂梁2產(chǎn)生振動，當(dāng)懸臂梁向上運(yùn)動并與停止器在停止位置a接觸時(shí)，梁根部到觸碰位置a的部分停止振動，而位置a到懸臂梁端點(diǎn)永磁體的部分在慣性作用下繼續(xù)運(yùn)動，此時(shí)壓電懸臂梁的有效長度變短，等效剛度增大，如附圖3所示，此時(shí)一對銣鐵硼永磁體I所受懸臂梁恢復(fù)力(圖中折線)的斜率，即懸臂振子的等效剛度，由h增大為K2，恢復(fù)