一种基于介电弹性体的低频振动发电试验装置及测试方法

1.本发明属于机电领域，尤其是一种基于介电弹性体的低频振动发电试验装置及测试方法。


背景技术：

2.不可再生资源的不断使用引起的能源危机和环境污染问题给人类社会的可持续发展带来了严峻挑战，可再生清洁能源的能量收集越来越受到关注。其中，环境振动广泛存在于机械振动、人体运动、风或者水的运动诱发产生的振动中，具有很大的能量收集前景。常见的振动能量收集装置主要是基于电磁感应原理和压电效应，这些装置存在一定的局限性，为实际中的广泛应用带来不便。介电弹性体是一种新型电活性软体功能材料，可以在电场激励下改变形状和尺寸，也可以逆向工作在发电模式下，将机械能转化为电能，具有变形大、能量密度高、机电转化效率高、质量轻、柔顺性好、耐冲击等诸多优点，近年来在能量收集领域越来越受重视，尤其是在低频、大变形环境下的能量收集。介电弹性体能量收集是在介电弹性体薄膜的上下表面涂上一层柔性电极，使其成为一个柔性可变电容器，通过介电弹性体薄膜的拉伸和收缩循环将机械能转化为电能，实现环境能量回收利用。目前，国内外对介电弹性体在环境振动能量收集方面的研究相对较少，针对介电弹性体在振动发电方面的试验装置还很匮乏。
3.因此，开发一种基于介电弹性体的低频振动发电试验装置对于研究介电弹性体在振动能量收集方面的发电性能十分有意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于介电弹性体的低频振动发电试验装置及测试方法。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种基于介电弹性体的低频振动发电试验装置，包括框架和驱动电机，框架在高度上设有上端固定杆，中间固定杆和下端固定杆；
7.驱动电机的电机轴通过联轴器和丝杠滑台模组的丝杠连接；
8.丝杠滑台模组竖直固定在上端固定杆和中间固定杆上；
9.中间固定杆和下端固定杆上均安装有导轨固定架，导轨固定架之间设有导轨，导轨上设有导轨滑块和限位滑块；
10.丝杠滑台模组的滑台上表面上固定有亚克力连接板，介电弹性体发电单元的一端通过固定片固定在有亚克力连接板上，该端作为振动激励输入端；
11.介电弹性体发电单元的另一端固定在导轨滑块上，该端作为自由端沿着导轨进行受迫振动；
12.导轨滑块上设有质量块。
13.进一步的，质量块通过固定片和螺栓连接固定。
14.进一步的，驱动电机通过螺栓设置在丝杠滑台模组一侧的电机法兰片上。
15.进一步的，丝杠滑台模组通过底座支撑架固定在上端固定杆和中间固定杆上。
16.进一步的，导轨上还设有限位滑块。
17.进一步的，丝杠滑台模组的丝杠通过联轴器与驱动电机电机轴相连，丝杠上设有滑台。
18.进一步的，介电弹性体发电单元包括介电弹性体薄膜，介电弹性体薄膜的上、下表面均设有柔性电极，柔性电极上引有铜箔；
19.所述铜箔用于与导线相连将介电弹性体发电单元接入能量收集电路进行能量收集。
20.本发明的基于介电弹性体的低频振动发电试验装置的测试方法，包括以下步骤：
21.控制驱动电机的转动方向和转速，使丝杠滑台模组的滑台按照预设振动幅值和频率进行上下振动；
22.介电弹性体发电单元的振动激励输入端受到振动激励，介电弹性体发电单元的自由端随导轨滑块和质量块在导轨上下振动；
23.随着振动的进行，介电弹性体发电单元的振动激励输入端和自由端产生位移差，介电弹性体发电单元中的介电弹性体材料随之进行拉伸和收缩运动，进而介电弹性体材料尺寸和电容值得到改进，进行振动发电；
24.调整质量块的大小以调整介电弹性体发电单元、质量块和导轨滑块组成的发电结构的固有频率，以匹配环境中预设范围的低频率振动。
25.进一步的，所述预设振动幅值和频率为模拟环境中的低频振动频率和幅值。
26.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
27.本发明的基于介电弹性体的低频振动发电试验装置及测试方法，通过控制电机可以方便控制振动幅值和频率的大小，提供振动激励到介电弹性体发电单元的振动激励端，附着在介电弹性体发电单元末端的质量块受到干扰开始在导轨上振荡，一段时间后达到稳定振动状态，实现介电弹性体发电单元在外界振动激励下的受迫振动，通过测试在预设振动频率范围内各个测试频率点下介电弹性体振动发电结构的输出性能，找到性能最好时对应的测试频率就是该振动发电结构的固有频率，改变附着在介电弹性体末端质量块的大小即可相应调整介电弹性体发电单元、质量块和导轨滑块组成的发电结构的固有频率，利用提出的试验装置找出质量块大小对结构固有频率的影响规律，方便指导和优化面向特定低频振动环境下振动发电结构的结构设计。本发明方便研究在低频振动条件下介电弹性体的发电性能影响因素，具有结构简单轻便、安装方便、维护成本低等优点；对于介电弹性体在低频振动能量收集方面的研究十分有意义。
附图说明
28.图1为本发明基于介电弹性体的低频振动发电试验装置的结构示意图；
29.图2为本发明基于介电弹性体的低频振动发电试验装置的左视结构示意图；
30.图3为驱动电机驱动丝杠滑台模组的局部放大图；
31.图4为铝型材和方形螺母安装的示意图；
32.图5为本发明的带状介电弹性体发电单元结构示意图。
33.其中：1
‑
光学平台；2
‑
铝型材；3
‑
连接角件；4
‑
亚克力板；5
‑
驱动电机；6
‑
联轴器；7
‑
底座支撑架；8
‑
方形螺母；9
‑
螺栓；10
‑
丝杠滑台模组；11
‑
亚克力连接板；12
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固定片；13
‑
介电弹性体发电单元；14
‑
导轨滑块；15
‑
导轨；16
‑
限位滑块；17
‑
导轨固定架；18
‑
质量块；13
‑1‑
介电弹性体薄膜；13
‑2‑
柔性电极；13
‑3‑
铜箔。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
35.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
36.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
37.参见图1，图1为本发明基于介电弹性体的低频振动发电试验装置的结构示意图；铝型材2利用连接角件3连接成框架，框架的上端面和下端面均设有位于中间的铝型材，分别对应为上铝型材和下铝型材，框架高度方向上设有与中间铝型材相平行的两个铝型材，对应为第一铝型材和第二第一铝型材；参见图2，图2为本发明的侧视图，可以看出，框架高度方向上设有第一铝型材和第二第一铝型材；框架上端设有亚克力板4，；驱动电机5的电机轴通过联轴器6和丝杠滑台模组10的丝杠连接，从而带动丝杠转动；丝杠滑台模组10通过底座支撑架7固定安装在上铝型材和第一铝型材上，用来提供竖直方向上的低频振动的行程，参见图3，图3为驱动电机驱动丝杠滑台模组的局部放大图，丝杠滑台模组10的丝杠通过联轴器6与驱动电机5电机轴相连，丝杠上设有滑台；第二铝型材和下铝型材上均安装有导轨固定架17，导轨固定架17之间设有导轨15，导轨15上设有导轨滑块14和限位滑块16，限位滑块16用来限制导轨滑块14的滑动行程，保证介电弹性体发电单元13工作在拉伸极限之内；丝杠滑台模组10的滑台上表面上固定有亚克力连接板11，介电弹性体发电单元13通过固定片12固定在有亚克力连接板11上，作为振动激励输入端，介电弹性体发电单元13的另一端固定在导轨滑块14上，作为自由端沿着导轨15进行受迫振动；导轨滑块14上设有质量块18，质量块18通过固定片12和螺栓9安装。通过调整附加质量块18的大小来调整介电弹性体振动发电结构的固有频率，以匹配实际环境中的低频振动频率，从而实现共振，优化发电性能。本发明中，通过介电弹性体发电单元13自由端随着导轨滑块14和质量块18在导轨15上进行受迫振动，实现介电弹性体薄膜的拉伸和收缩往复运动，从而改变介电弹性体薄膜尺寸和电容值进行振动发电。
38.参见图4，图4为铝型材和方形螺母安装的示意图，铝型材2上预留有方形螺母8，相
连的铝型材2依靠方形螺母8和螺栓9连接固定，此外，通过方形螺母8和螺栓9来连接固定底座支撑架7和导轨固定架17。
39.参见图5，图5为本发明的介电弹性体发电单元的结构示意图，介电弹性体发电单元13包括介电弹性体薄膜13
‑
1，介电弹性体薄膜13
‑
1的上下表面涂上一层柔性电极13
‑
2，柔性电极13
‑
2上引有铜箔13
‑
3，铜箔13
‑
3用于与导线相连将介电弹性体发电单元13接入能量收集电路，进行能量收集。
40.本发明的测试方法，包括以下步骤：
41.工作时，控制驱动电机5的转动方向和转速，使丝杠滑台模组10中的滑台按照预设的振动幅值和频率进行上下振动，介电弹性体发电单元13的自由端，在振动激励下随着导轨滑块14和质量块18沿着导轨15上下振动，通过介电弹性体发电单元13的振动激励输入端和自由端的位移差实现介电弹性体薄膜的拉伸和收缩往复运动，从而改变介电弹性体薄膜尺寸和电容值进行振动发电。
42.通过调整附加质量块18的大小来调整介电弹性体发电单元13、质量块18和导轨滑块14组成的发电结构的固有频率，以匹配实际环境中的低频振动频率，直至固有频率接近环境中的振动频率，出现共振现象，介电弹性体发电单元13输出位移远大于输入位移，确定介电弹性体发电单元13发电性能的优化；
43.另一方面，铜箔13
‑
3将介电弹性体发电单元13接入能量收集电路，进行能量收集，通过观察电量变化实现确定介电弹性体发电单元13发电性能的优化。
44.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。