一种尾流干扰下的压电能收集器测试装置及测试方法与流程

本发明属于压电能收集器测试技术领域，特别涉及一种尾流干扰下的压电能收集器测试装置及测试方法。

背景技术：

压电能收集器是一种能够将大自然中广泛存在的，目前无法直接利用的机械能转换为电能的装置，能够对诸如mems、传感器件等微电子设备提供电能，具有广泛的应用前景。压电能量收集器利用压电材料的正压电效应，一般采用悬臂梁结构，该结构能有效地将环境中的振动转化为自身的变形，从而产生较大的应变，使压电材料产生更大的电能。

以往压电能收集器方面的研究主要集中在风能利用方面，而将水能利用于压电能收集器中的研究比较少，把压电能收集器的应用扩大到水中将会产生非常多的应用形式，研究潜力非常大，应用前景也十分可观。目前的压电能采集器大多是简单的将水流直接冲击到与悬臂梁相连的端部质量块上，使悬臂梁产生变形带动压电材料的变形从而产生电能，这种形式的采集器能够利用的流速范围有限，在大于某个特定的流速后对水能的利用率大幅降低。尾流干扰作用下的压电能收集器是利用水能的另一种结构，利用干扰物形成的尾流旋涡结构对端部质量块的作用，能够有效提高现有压电能采集器的效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种尾流干扰下的压电能收集器测试装置，能够测量不同水流流速、不同外负载以及不同中心距的尾流干扰下的压电能收集器所产生的电压及能量。

本发明的另外一个目的是提供一种尾流干扰下的压电能收集器测试方法。

本发明所采用的第一个技术方案是，一种尾流干扰下的压电能收集器测试装置，其特征在于，包括

水槽，用于提供不同流速的水流；

横梁，水槽上架设有两根与水槽侧边平行的横梁，两个横梁分别连接固定连接杆和螺纹连接杆，固定连接杆与螺纹连接杆与横梁垂直且伸入水槽内；

固定连接杆伸入水槽的一端依次连接有悬臂梁与端部质量块，悬臂梁还贴有压电纤维片，压电纤维片通过电线与外界电阻箱构成回路；

螺纹连接杆伸入水槽的一端连接有扰流质量块。

本发明的第一个技术方案的特点还在于：

其中水槽架设横梁的两个侧边均设置有滑轨，两个横梁分别设置有与滑轨配合的滑块；

其中外界电阻箱还连接有电压测量装置；

其中固定连接杆与螺纹连接杆均穿过横梁，两个横梁还分别设置有螺纹孔，螺纹孔与固定连接杆和螺纹连接杆相通，螺纹孔用于配合顶丝限制固定连接杆和螺纹连接杆的深入水槽的高度；

本发明的第二个技术方案是一种尾流干扰下的压电能收集器测试方法，采用上述一种尾流干扰下的压电能收集器测试装置，具体步骤如下：

步骤1，给水槽供水，待水流达到制定水流流速u之后，使端部质量块与扰流质量块侵入水中，两个横梁中心距为初始中心距l；

步骤2，利用电压测量装置测量外界电阻箱电阻为零时，外界电阻箱两端的开路电压，并记录电压信号，然后以△r为一个增加量，逐步增加外界电阻箱的电阻，利用电压测量装置测量电阻箱两端的电压，记录每一个外界电阻箱电阻增加量△r的电压信号；

步骤3，保持步骤1所定水流流速u不变，滑动横梁，改变端部质量块与扰流质量块的中心距离，中心距离增加量为△l，然后重复步骤2，记录每一个中心距离增加量△l下的电压信号；

步骤4，改变步骤1中水流流速u，水流流速增加量为△u，重复步骤2和步骤3，记录每一个水流流速增加量△u下的电压信号。

本发明第二个技术方案的特点还在于：

其中步骤4中，水流流速u不大于0.7m/s。

本发明的有益效果是：

本发明可用于在特定水流速度下，研究绕流物体的存在对压电能量采集装置所采集能量的影响；还可以改变水流速度，研究不同流速下绕流后的压电能收集器的采集效果；本发明还可以研究不同中心距对绕流干扰下压电能收集器采集能量的影响；还可以通过改变外接电阻，研究电阻变化对压电能收集器采集能量的影响。所以本发明可以测量不同流速、不同负载、不同中心距下，基于尾流干扰下的压电能收集器所产生的电压，为压电能采集在水力方面的研究提供参考意见。

附图说明

图1为本发明的一种尾流干扰下的压电能收集器测试装置结构示意图；

图2是本发明的一种尾流干扰下的压电能收集器测试装置中图1中b-b方向剖面图。

图中，1.水槽，2.横梁，3.固定连接杆，4.螺纹连接杆，5.悬臂梁，6.端部质量块，7.压电纤维片，8.扰流质量块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种尾流干扰下的压电能收集器测试装置，如图1与图2所示，包括水槽1，用于提供不同流速的水流；横梁2，水槽1上架设有两根与水槽1侧边平行的横梁2，水槽1架设横梁2的两个侧边均设置有滑轨，两个横梁2分别设置有与滑轨配合的滑块，两个横梁2可利用滑块配合滑轨移动，两个横梁2分别连接固定连接杆3和螺纹连接杆4，固定连接杆3与螺纹连接杆4与横梁2垂直且伸入水槽1内，固定连接杆3与螺纹连接杆4均穿过横梁2，两个横梁2还分别设置有螺纹孔，螺纹孔与固定连接杆3和螺纹连接杆4相通，螺纹孔用于配合顶丝限制固定连接杆3和螺纹连接杆4的深入水槽1的高度；固定连接杆3伸入水槽1的一端依次连接有悬臂梁5与端部质量块6，悬臂梁5还贴有压电纤维片7，压电纤维片7通过电线与外界电阻箱构成回路，外界电阻箱还连接有电压测量装置，电压测量装置为电压表；螺纹连接杆4伸入水槽1的一端连接有扰流质量块8。

本实施方式的水槽1内水深大于2倍的端部质量块6的高度，横梁2具有相当的重量，保证连接的端部质量块6承受冲击时，横梁2保持静止。本实施方式的压电能收集器测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤1，给水槽1供水，待水流达到设定流速u之后，使端部质量块6与扰流质量块8恰好浸入水中，两个横梁2中心距为初始中心距l；

步骤2，电压测量装置即电压表测量外接电阻箱两端的开路电压，记录电压信号；然后逐步增加接入电路的电阻值，每δr为一个增加量，用电压测量装置测量电阻箱两端的电压，并记录电压信号，记录的电压信号作为分析压电能收集器能量变化的数据；

步骤3，水流流速不变，改变端部质量块6与扰流质量块8的中心距，以每δl为一个增加量，重复步骤2，当不需要改变中心距时进入下一步；

步骤4，改变步骤1中水流流速u，水流流速增加量为△u，重复步骤2和步骤3，记录每一个水流流速增加量△u下的电压信号，水槽1内的水流流速不大于0.7m/s。

工作原理：本实施方式的测试装置置于开环系统中，水槽1为试验提供稳定水流，绕流质量块8产生带有旋涡的尾流，悬臂梁5的一面贴压电纤维片7，有旋涡的尾流对端部质量块6产生冲击作用，引起端部质量块6摆动，带动悬臂梁5振动，从而压电纤维片7产生应变，在正压电效应作用下产生电荷，压电纤维片7用导线与外接电阻箱及电压测量装置连接，收集所产生的电压信号，即为压电纤维片7电压测试数据，得到可用于研究不同端中心距及不同大小负载在特定水流流速下的采集能量试验数据。

具有一定速度u的水流进入水槽1，经过绕流质量块8的扰流作用，冲击端部质量块6，端部质量块6和绕流质量块8主要考虑不同尺寸及不同重量的圆柱体。端部质量块6受到冲击之后引起悬臂梁5振动，悬臂梁5振动带动压电纤维片7振动，产生电荷。压电纤维片7与外接电阻箱相连，接入电路的电阻值可以改变，可用于分析不同电阻对系统动力学的影响。改变水流速度u的大小，得到水流流速变化对压电能收集器采集能量能力的影响。