一种基于屈曲式的M形梁振动能量收集装置及方法

一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集装置及方法
技术领域
1.本公开涉及振动能量收集与微功率发电技术领域，具体的涉及一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集装置及方法。


背景技术：

2.在无线传感网络中，无线传感器节点是核心硬件基础，因此保持无线传感器节点长期可靠工作是无线传感网络应用中必须满足的条件。目前，无线传感器节点大多采用电池供电的方式对其供电。但是由于电池容量的限制，与无线传感器节点本身寿命相比，电池的使用寿命太短，这就限制了无线传感器节点的实际工作寿命，同时也增加了更换电池的维护费用，不满足无线传感器网络长期稳定运行的要求。
3.为了满足无线传感器网络长期稳定运行的要求，无线传感器节点应能实现自供电。俘获振动能量并将其转化为电能是目前研究最为广泛的一种低功耗电子设备自主供电技术。典型的压电式振动能量收集系统一般采用线性悬臂梁结构形式。传统的线性压电振动能量收集装置的工作频带主要集中在其结构的共振频率附近，这导致了传统线性结构只有较窄的工作频带。因此传统线性压电能量收集装置存在工作带宽窄，能量收集效率低的弊端。为了解决这一问题，学者们对拓展传统线性压电振动能量收集装置的工作频带展开了研究。
4.非线性振动能量收集系统根据系统势能函数可区分为单稳态和双稳态非线性系统，由于双稳态具有独特的双势阱特征，使得双稳态系统在外部特定激励下可以在两个阱之间进行高能阱间振荡(跨阱运动)。传统的线性系统其有效工作带宽只在系统固有频率附近，双稳态系统的阱间运动使具有较强的非线性，在特定条件振动激励下可实现大幅振动，即在非谐振频率频带处仍有大幅度的振动(结构弯曲变形)，这样使得双稳态非线性系统在宽频振动下具有更好的能量收集性能。但是，双稳态非线性系统只有在跨阱运动才能输出较大的电压或功率，其必须在较强激励条件下，即较大加速度振动下(>2m/s2)。
5.屈曲结构的双稳态响应是通过施加预压力实现的，即对原结构施加大于屈曲载荷的轴向压力，使得屈曲梁在一阶屈曲模态下超过第一临界载荷，屈曲结构具有两个平衡的稳态位置。在受到外部特定条件激励时，系统在两个平衡位置之间进行快速切换(snap
‑
through)，从而提升能量收集性能。


技术实现要素：

6.针对现有的技术方案的不足，本发明旨在提供一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集装置及方法，通过引入轴向预压力使m形梁发生屈曲产生双稳态，并通过引入的外部磁力与系统耦合达到提高系统的输出性能的目的，能够收集宽带低频的振动能量。
7.为实现上述发明目的，本发明的一个或多个实施例提供了下述技术方案：
8.第一方面，本发明公开了一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集装置，包括第一梁，第一梁呈m形结构；第一梁的两端分别固定连接于固定基座上；第一永磁体固定于第一
梁中部位置处；第一压电元件分别固定连接于第一梁靠近固定基座的端部，第一压电元件由第一梁的振动产生电能。
9.进一步的技术方案，第一压电元件通过粘合剂粘贴于第一梁上。
10.进一步的技术方案，第一压电元件的正负两极分别焊接连接导线。
11.更进一步的技术方案，导线与外部接口电路连接。
12.第二方面，本发明公开了一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集装置，包括第二梁，第二梁呈m形结构；第二梁的两端分别固定连接于固定基座上；第二永磁体固定于第二梁中部位置处；第二压电元件分别固定连接于第二梁靠近固定基座的端部，第二压电元件由第二梁的振动产生电能；第三永磁体位于第二梁正下方。
13.进一步的技术方案，第三永磁体距离第二梁正下方预设距离。
14.进一步的技术方案，第一压电元件通过粘合剂粘贴于第一梁上；第一压电元件的正负两极分别焊接连接导线。
15.更进一步的技术方案，导线与外部接口电路连接。
16.第三方面，本发明公开了一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集方法，基于本技术的第一方面设计的一种屈曲式的m形梁振动能量收集装置，具体步骤如下：
17.通过第一固定基座向第一梁施加预压力，使得第一梁呈现屈曲状态；
18.受外部激励作用，第一梁振动发生变形；
19.第一压电元件通过第一梁的振动产生相应电压，通过第一压电元件连接的导线输出至外部接口电路中。
20.第四方面，本发明公开了一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集方法，基于本技术的第二方面设计的一种屈曲式的m形梁振动能量收集装置，具体步骤如下：
21.通过第二固定基座向第二梁施加预压力，使得第二梁呈现屈曲状态；
22.通过调节第三永磁体与第二梁之间的间距改变磁力的大小；
23.受外部激励作用，第二梁振动发生变形；
24.第二压电元件通过第二梁的振动产生相应电压，通过第二压电元件连接的导线输出至外部接口电路中。
25.以上一个或多个技术方案的有益效果是：
26.1.本发明公开的结构可以在较低激励条件下达到双稳态的状态，实现跨阱运动，从而最终在较宽的频带下有较好的能量收集效果。能够收集较低频率和较宽频率范围的振动能量。
27.2.在低加速度激励水平下，屈曲式m形梁相比较于非屈曲m形梁可以将工作频带降低，可以更好的适应低频振动条件，同时提高输出电压幅值，同时屈曲状态下非线性磁力的引入可以有效拓宽工作频带，但会降低输出电压幅值。
附图说明
28.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
29.图1为本发明的第一实施例原理图；
30.图2为本发明的第二实施例原理图；
31.图3为本发明的第一和第二实施例的固定夹具示意图；
32.图4为本发明的第一和第二实施例的等效模型示意图；
33.图5无附加磁力的屈曲式m形梁非线性恢复力(第一个实施例)；
34.图6附加磁力的屈曲式m形梁非线性恢复力(第二个实施例)；
35.图7无附加磁力的屈曲式m形梁势能曲线(第一个实施例)；
36.图8附加磁力的屈曲式m形梁势能曲线(第二个实施例)；
37.图9为本发明的第一实例在0.153g加速度激励下的扫频电压图；
38.图10为本发明的第一实例在0.155g加速度激励下的扫频电压图；
39.图11为本发明的第一实例在0.3g加速度激励下的扫频电压图；
40.图12为本发明的第一实例在0.5g加速度激励下的扫频电压图；
41.图13为本发明的第二实例在磁间距40mm和0.1g加速度激励下的扫频电压图；
42.图14为本发明的第二实例在磁间距40mm和0.15g加速度激励下的扫频电压图；
43.图15为本发明的第二实例在磁间距40mm和0.3g加速度激励下的扫频电压图；
44.图16为本发明的第二实例在磁间距40mm和0.5g加速度激励下的扫频电压图；
45.图17为本发明的第一和第二实例分别在0.3g加速度下连续恒定激励输出电压图；
46.图18为本发明的第一和第二实例分别在0.5g加速度下连续恒定激励输出电压图。
47.图中，1、第一梁，2、第一永磁体，3、第一压电元件，4、第一固定基座，5、第二梁，6、第二永磁体，7、第二压电元件，8、第二固定基座，9、第三永磁体，10、第一m形梁夹持组件，11、第二m形梁夹持组件，12、第一支撑组件，13、第二支撑组件，14、第一螺栓，15、第二螺栓，16、第三螺栓，17、螺纹孔，18、支座。
具体实施方式
48.实施例1
49.请参阅如图1、3
‑
5、7、9
‑
12、17
‑
18，本发明公开了一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集装置，第一梁1、第一永磁体2、第一压电元件3、第一固定基座4和外部接口电路。如图1所示，按照图示的方位进行表述，只为表述清楚并不受本实施例表述的方位的限制。第一压电元件3利用环氧树脂粘合分别粘贴第一梁1的左右两侧根部位置处，第一压电元件为pzt压电片；第一梁1的左右两侧分别固定于第一固定基座的竖直面上。第一永磁体2位于第一梁1的中间位置处，第一永磁体2固定在m梁中间作为质量块。受外部激励作用，第一梁1振动发生变形，pzt压电片3会产生相应电压，在压电片正负两极布置焊点，通过焊接将导线从压电片引出，外接合适电阻即可输出电能。
50.外部激励作用下第一梁1和固定基座(夹具)4一起振动，由于质量块(永磁体2)存在产生相对振动，这时第一梁1根部(两端夹持处)变形较大。pzt压电片3利用压电效应将机械振动能转换为电能。
51.如图3所示，第一梁两侧分别由第一m形梁夹持组件10、第二m形梁夹持组件11夹持，并被第一螺栓14固定；第一m形梁夹持组件10、第二m形梁夹持组件11被第二螺栓15与第一支撑组件12固定；第一支撑组件12、第二支撑组件13被第三螺栓16固定于支座18上；支座18可以通过螺纹孔17与基础振动装置相连。如图3所示，通过调节固定夹具的支撑组件间距和支撑组件与m形梁夹持组件的角度对m梁施加预压力，使其呈现屈曲状态。
52.如图4所示，将装置的结构形式通过集总参数建模，其中，y(t)表示基础振动位移，
x(t)表示第一梁1的第一永磁体2的振动位移，m表示第一梁1的等效质量，c表示系统等效阻尼，θ表示系统机电耦合系数，fr表示系统非线性恢复力，p(t)表示外部振动激励。
53.根据图4建立的集总参数模型，利用牛顿第二定律可以得到能量收集系统的力学方程：
[0054][0055]
其中：为外部加速度激励信号，a为加速度幅值，ω为输出频率。m表示第一梁1的等效质量，θ表示系统机电耦合系数。f
r
为系统非线性恢复力。ξ为线性阻尼比，γ为二次阻尼常数，z(t)为第一永磁体2与基础振动的相对位移，即z(t)＝x(t)
‑
y(t)。为第一永磁体2与基础振动的相对速度,为第一永磁体2与基础振动的相对加速度。ω
n
为m梁的线性固有频率，v(t)为pzt压电片3上产生的电压，m’为基础振动引发激振力的等效质量。使用电子测力计测量不同位移第一梁的非线性恢复力值，将力和水平位移x之间的关系拟合为高阶多项式，无附加磁力下系统非线性恢复力fr表达式为：
[0056]
fr＝2.102
×
108·
x5+1.607
×
106·
x4+6.897
×
104·
x3‑
3.646
×
102·
x2‑
8.485
·
x
[0057]
图5是无附加第三永磁体的屈曲式m梁非线性恢复力，从图5中可以看出，屈曲状态下的第一梁非线性恢复力仍具有不对称性，稳态位置与中间不稳定的平衡位置的间距以及稳态位置处的非线性恢复力未达到一致。
[0058]
对该非线性恢复力积分得到系统的势能函数e：
[0059][0060]
图7中为无附加磁力的屈曲式m形梁势能曲线图。[x1，x2]为在x轴方向移动范围。不对称现象在势能曲线中表现更为明显，势阱2深度大于势阱1，这意味着系统跨越势阱2所需的动能相较于势阱1更大，当外界激励水平较小时，系统在势阱2内只能做阱内振荡，当激励水平足够大时，系统可以跨越势阱2在势阱1与势阱2之间进行大幅阱间振荡。
[0061]
图9
‑
图12为无附加磁铁系统(第一个实施例)在不同加速度(0.153g、0.155g、0.3g和0.5g)激励下输出电压曲线，在0.153g加速度激励下呈现混沌运动，0.155g加速度激励下进行大幅阱间振荡，工作带宽为3.5hz(6
‑
9.5hz)，单侧峰值电压达到4.5v。随加速度激励增大，工作带宽进一步增加，在0.3g加速度激励下，工作带宽为6.3hz(5.7
‑
12hz)，单侧峰值电压达到7.85v，如图11所示，在0.5g加速度激励下，工作带宽达到7.4hz(5.3
‑
12.7hz)，单侧峰值电压达到11v。
[0062]
以上实施效果是对能量收集装置施加连续上扫频激励实现的，而在现实中机械振动大多都在一个相对固定的频率范围附近，因此，需要对装置进行固定频率激励测试。图17与图18分别显示了不同固定激励下的输出电压曲线，0.3g与0.5g加速度激励下测定频率范围分别为3
‑
14hz、3.8
‑
14hz，固定频率激励下的工作频率范围与最大电压都小于上扫频激励。这是由于在扫频过程中，系统具有初始条件，可以获得较好振动响应，而在固定激励下，初始条件对系统振动影响较小。
[0063]
如图17所示，在0.3g加速度激励下，屈曲式无附加磁力系统高效率频带范围维持在5
‑
7hz，屈曲式附加磁力系统高效率频带范围维持在3
‑
6.8hz，非屈曲式无附加磁力系统高效率频带范围维持在7
‑
9.3hz，非屈曲式附加磁力系统高效率频带范围维持在6.8
‑
8.5hz，。
[0064]
如图18所示，在0.5g加速度激励下，除非屈曲式附加磁力系统外，其他条件下系统从3.8hz即可进入高效率频带范围，高效频带分别延长至8.2hz(屈曲无磁力)、8hz(屈曲附加磁力)、9.5hz(非屈曲无磁力)、9hz(非屈曲附加磁力)。
[0065]
结果表明，在低加速度激励水平下，屈曲式m形梁相比较于非屈曲m形梁可以将工作频带降低，可以更好的适应低频振动条件，同时提高输出电压幅值，同时屈曲状态下非线性磁力的引入可以有效拓宽工作频带，但会降低输出电压幅值。
[0066]
实施例2
[0067]
请参阅如图2、3
‑
4、6、8、13
‑
16、17
‑
18，本发明公开了一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集装置，包括，第二梁5、第二永磁体6、第二压电元件7、第二固定基座8、第三永磁体9和外部接口电路。
[0068]
如图2所示，按照图示的方位进行表述，只为表述清楚并不受本实施例表述的方位的限制。第二压电元件7利用环氧树脂粘合分别粘贴第二梁5的左右两侧根部位置处，第二压电元件为pzt压电片；m梁5的左右两侧分别固定于第二固定基座8的竖直面上。第二永磁体6位于第二梁5的中间位置处，第二永磁体6固定在m梁中间作为质量块。第三永磁体9位于固定距离m梁一定距离处的的下方水平放置，可通过调节磁铁间距改变磁力大小。受外部激励作用，第二梁5振动发生变形，pzt压电片会产生相应电压，在压电片正负两极布置焊点，通过焊接将导线从压电片引出，外接合适电阻即可输出电能。
[0069]
如图3所示，m形梁夹持组件包括第一m形梁夹持组件和第二m形梁夹持组件；支撑组件包括第一支撑组件和第二支撑组件。第二梁两侧分别由第一m形梁夹持组件10、第二m形梁夹持组件11夹持，并被第一螺栓14固定；第一m形梁夹持组件10、第二m形梁夹持组件11被第二螺栓15与第一支撑组件12固定；第一支撑组件12、第二支撑组件13被第三螺栓16固定于支座18上；支座18可以通过螺纹孔17与基础振动装置相连。如图3所示，通过调节固定夹具的支撑组件间距和支撑组件与m形梁夹持组件的角度对m梁施加预压力，使其呈现屈曲状态。
[0070]
如图4所示，将装置的结构形式通过集总参数建模，其中，y(t)表示基础振动位移，x(t)表示第二梁5上的第二永磁体6的振动位移，m表示第二梁5的等效质量，c表示系统等效阻尼，θ表示系统机电耦合系数，fr表示系统非线性恢复力，p(t)表示外部振动激励。
[0071]
根据图3建立的集总参数模型，利用牛顿第二定律可以得到能量收集系统的力学方程：
[0072][0073]
其中：为外部加速度激励信号，a为加速度幅值，ω为输出频率。m表示第二梁5的等效质量，θ表示系统机电耦合系数。f
r
为系统非线性恢复力，由系统非线性恢复力f(z)与非线性磁力f
m
叠加构成，f
r
＝f(z)+f
m
。ξ为线性阻尼比，γ为二次阻尼常数，z(t)为第二永磁体6与基础振动的相对位移，即z(t)＝x(t)
‑
y(t)。为第二永磁体6与基础振动的相对速度,为第二永磁体6与基础振动的相对加速度。ω
n
为m梁的线性固有频率，v(t)为pzt压电片3上产生的电压，m’为基础振动引发激振力的等效质量。使用电子测力计测量不同位移第二梁在磁力耦合下的非线性恢复力值，将力和水平位移x之间的关系拟合为高阶多项式，无附加磁力下系统非线性恢复力fr表达式为：
[0074]
fr＝2.102
×
108·
x5+1.607
×
106·
x4+6.897
×
104·
x3‑
3.646
×
102·
x2‑
8.485
·
x
[0075]
附加磁力下(磁间距d＝40mm)系统非线性恢复力fr表达式为：
[0076]
fr＝2.08
×
108·
x5+8.066
×
104·
x3‑
5.901
×
102·
x2‑
3.943
·
x
[0077]
图6为附加磁铁条件下的屈曲式m形梁(第二个实施例)非线性恢复力。附加磁铁后系统的非线性恢复力曲线不对称度有明显改善，如图5所示，特别是在不稳定的平衡位置附近，恢复力大小不对称度由200％减少至7％。
[0078]
对该非线性恢复力积分得到系统的势能函数e：
[0079][0080]
[x1，x2]为在x轴方向移动范围。势能曲线如图8所示。如图8所示，附加磁力系统的势阱深度明显减小。势阱1处势能由1.4
×
10
‑4j降低至0.1
×
10
‑4j，势阱2处势能由3
×
10
‑4j降低至1.2
×
10
‑4j，系统进行跨阱运动所需的加速度激励阈值降低。
[0081]
图13
‑
图16为附加磁铁条件下系统(第二个实施例)在不同加速度激励下的输出电压，结果表明，在0.1g加速度激励下系统处于混沌运动状态，在0.15g加速度激励下系统进行大幅阱间振荡，工作带宽达到5hz(5.2
‑
10.2hz)，单侧峰值电压为4.35v。随加速度激励增大，系统工作带宽进一步提升，在0.3g加速度激励下，工作带宽达到7.1hz(5.5
‑
12.6hz)，相对于无附加磁力系统提升12.7％，单侧峰值电压为7.3v，在0.5g加速度激励下，工作带宽达到8.3hz(5.5
‑
13.8hz)，相对于无附加磁力系统提升12.2％，单侧峰值电压为9.45v。
[0082]
图17与图18分别显示了不同固定激励下的输出电压曲线，0.3g与0.5g加速度激励下测定频率范围分别为3
‑
14hz、3.8
‑
14hz，固定频率激励下的工作频率范围与最大电压都小于上扫频激励。这是由于在扫频过程中，系统具有初始条件，可以获得较好振动响应，而在固定激励下，初始条件对系统振动影响较小。
[0083]
如图17所示，在0.3g加速度激励下，屈曲式无附加磁力系统高效率频带范围维持在5
‑
7hz，屈曲式附加磁力系统高效率频带范围维持在3
‑
6.8hz，非屈曲式无附加磁力系统高效率频带范围维持在7
‑
9.3hz，非屈曲式附加磁力系统高效率频带范围维持在6.8
‑
8.5hz。
[0084]
如图18所示，在0.5g加速度激励下，除非屈曲式附加磁力系统外，其他条件下系统从3.8hz即可进入高效率频带范围，高效频带分别延长至8.2hz(屈曲无磁力)、8hz(屈曲附加磁力)、9.5hz(非屈曲无磁力)、9hz(非屈曲附加磁力)。
[0085]
屈曲状态下的第二梁5双稳态结构可以有效的拓宽工作频带，提升输出电压幅值，在0.3g与0.5g加速度激励下，相比于无附加磁力屈曲第一梁1(实施例一)压电振动能量收集系统，工作带宽分别提升12.7％与12.2％。除此之外，非线性磁力的引入可以使系统在超低频范围和低激励水平下内有良好的输出响应，响应频率低至5hz以下；同时降低系统进行阱间振荡所需最小加速度阈值，在0.15g加速度激励下可激发双稳态阱间振荡。
[0086]
实施例3
[0087]
本发明公开了一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集方法，基于本技术的实施例1设计的一种屈曲式的m形梁振动能量收集装置，具体步骤如下：
[0088]
通过第一固定基座向第一梁施加预压力，使得第一梁呈现屈曲状态；
[0089]
受外部激励作用，第一梁振动发生变形；
[0090]
第一压电元件通过第一梁的振动产生相应电压，通过第一压电元件连接的导线输出至外部接口电路中。
[0091]
所述步骤1中，通过调节固定夹具支撑组件间距和支撑组件与夹持组件的角度对m梁施加预压力，使其呈现屈曲状态。
[0092]
所述步骤4中，受外部激励作用，第一梁振动发生变形，pzt压电片会产生相应电压，在压电片正负两极布置焊点，通过焊接将导线从压电片引出，外接合适电阻即可输出电能。
[0093]
实施例4
[0094]
本发明公开了一种基于屈曲式的m形梁振动能量收集方法，基于本技术的实施例2设计的一种屈曲式的m形梁振动能量收集装置，具体步骤如下：
[0095]
通过第二固定基座向第二梁施加预压力，使得第二梁呈现屈曲状态；
[0096]
通过调节第三永磁体与第二梁之间的间距改变磁力的大小；
[0097]
受外部激励作用，第二梁振动发生变形；
[0098]
第二压电元件通过第二梁的振动产生相应电压，通过第二压电元件连接的导线输出至外部接口电路中。
[0099]
所述步骤1中，通过调节固定夹具支撑组件间距和支撑组件与夹持组件的角度对m梁施加预压力，使其呈现屈曲状态。
[0100]
所述步骤4中，受外部激励作用，第二梁振动发生变形，pzt压电片会产生相应电压，在压电片正负两极布置焊点，通过焊接将导线从压电片引出，外接合适电阻即可输出电能。
[0101]
上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。