实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件

1.本发明属于智能器件智能设备技术领域，具体的说是涉及一种实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件。


背景技术：

2.环境中振动无处不在，特别是在交通运输和工业生产中，振动严重影响着工业生产和人们的日常生活。尤其是低频振动，由于其较长的波长这一物理属性，导致低频振动具有穿透力强、传播远、不易衰减等特点，一直以来都是振动控制工程中的重点和难点。长时间的机械振动，会加速设备结构件的疲劳，缩短服役寿命，降低可靠性，需要发展有效的振动抑制手段，实现振动的有效抑制。
3.为了实现设备低频振动的有效抑制，需要设计合理的结构。局域共振型超材料就是应用特殊结构设计出具有带隙特性的振动抑制装置，在装置的带隙频率范围内能够有效实现设备低频振动抑制。zl202011200568.x提供了一种双层金字塔型轻质减振超材料点阵结构，通过在结构内部添加使用同种材料的共振单元，使该超材料轻质点阵结构在低频范围内具有良好的宽带减振特性。但是该专利中提出的结构带隙频率还是太高，未能实现100hz以下的带隙。zl201922394944.2提供一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，该结构能够产生35hz-45hz的结构带隙。但上述装置不易与常见的工程部件，例如壁板结构集成。此外，以上装置仅考虑了振动抑制的功能，未能实现对机械能量的回收利用和对装置的保护。
4.为了实现装备的智能化和泛在监测，需要在结构上部署传感器。为了避免大规模部署造成的传感器频繁更换电池，降低运维成本，一个可行的思路是通过环境能量收集技术，将环境能量转换为电能，实现对传感器的供电。
5.环境能量收集中，振动能量是一种常见的能量来源，通过收集这些低频振动能量将其转化成为电能，并为一些低功耗的装置供电，例如无线传感网络节点，可以免去大规模无线网络需要频繁更换电池而产生的大量维护费用。到目前为止，振动能收集的机理主要基于电磁感应、摩擦电效应和压电效应。
6.电磁式振动能量收集装置主要适用于高频、大振幅的振动，且由于磁铁和线圈的存在，难以实现器件的小型化和轻量化。
7.压电式装置利用压电效应实现机电能量转换，压电材料通常为pzt陶瓷片，材质硬，含有铅等对环境有污染。
8.2012年，美国佐治亚理工学院的王中林教授团队首次基于摩擦起电与静电感应原理制作了一种新型的机械能到电能的能量转换装置，摩擦纳米发电机。与传统的换能器相比，摩擦纳米发电机具有制作成本低和低频性能好等优点，例如zl201710010956.3提供了一种包括弹性结构的摩擦纳米发电机用于收集环境振动能量，但是该摩擦纳米发电机为多层折叠结构，具有多个摩擦层，结构臃肿，且在共振频率振动条件下u型凹陷结构拐角处易发生疲劳损伤。朱光等也提出了一种新型的弹簧支撑的分离结构的摩擦纳米发电机，使用
文中的机械振动源对器件施加外加载荷，驱动所提出的摩擦纳米发电机的两个摩擦层接触分离，实现了振动能量到电能的转换。但是此方案中整个器件暴露在外界，大大降低了装置的可靠性，且弹簧并联，造成了劲度系数的增大(zhu g,lin zh,jing q,bai p,pan c,yang y,zhou y,wang zl.toward large-scale energy harvesting by a nanoparticle-enhanced triboelectric nanogenerator.nano lett.2013 feb 13；13(2):847-53.doi:10.1021/nl4001053.epub 2013 jan 31.pmid:23360548)。


技术实现要素：

9.基于上述技术缺陷，本发明提供了一种实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用超构器件，该器件既能实现低频振动抑制又能实现低频振动的环境能转换为电能、且紧凑、尺度小，所转换的电能可以用于对传感器和低功耗无线通信器件提供电能，实现对环境振动进行监测，同时也考虑到对器件的保护，提高器件的可靠性。
10.为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
11.本发明是一种实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件，包括底座，超构器件包括平面位移装置、环状隔层、支撑圆柱、保护罩和质量块，平面位移装置、支撑圆柱、保护罩和质量块共同组成具备局域共振机理的结构，保护罩内侧通过支撑圆柱与平面位移装置的中心圆台部分相连，支撑圆柱连接平面位移装置和保护罩，保护罩用于保护内部结构提高装置的可靠性，平面位移装置的下方是一个外径与平面位移装置直径相同的环状隔层，环状隔层为直径为20mm、内径为17mm、高度为3mm的柱体结构，柱体结构在平面位移装置和底座之间形成一个柱形空腔，在柱形空腔内放置柔性垫，柔性垫为圆柱形，柔性垫的直径和环状隔层的内径一致，柔性垫的高度略低于环状隔层的高度，环状隔层的下方是直径与环状隔层外径相同的底座，在底座和平面位移装置之间设置摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机包括电负性薄膜和柔性垫。
12.本发明的进一步改进在于：平面位移装置的中间为圆台，平面位移装置外周是圆环，在圆台和圆环之间通过弯曲梁连接，弯曲梁的数量为三个且三个弯曲梁的厚度相同且处于同一平面，在圆台靠近保护罩的一侧粘接支撑圆柱，在圆台的另一侧设置粘接电负性薄膜，结构振动时，弯曲梁发生形变，中心圆台就会产生往复位移。这样粘接在圆台一侧的电负性薄膜就能与柔性垫接触分离。
13.本发明的进一步改进在于：支撑圆柱用于连接平面位移装置和保护罩，支撑圆柱直径略小于平面位移装置中心圆台直径，高度远小于自身直径，呈扁平状，可使平面位移装置中心圆台振动更平稳，从而使摩擦纳米发电机接触分离更加充分，提高结构输出性能。
14.本发明的进一步改进在于：电负性薄膜为驻极体材料，驻极体材料的一侧通过粘接双面导电胶带的方式实现电负性薄膜的电极功能并对电负性薄膜的另一侧进行表面处理，通过高压电场极化的处理方式增大电负性薄膜的表面电荷密度，提高结构输出性能，且生产成本低，易于实现。
15.本发明的进一步改进在于：柔性垫由ecoflex
tm
系列硅胶掺杂多壁碳纳米管制成，掺杂多壁碳纳米管有利于提高柔性垫的介电常数和电容，并且通过实验分析了不同掺杂多壁碳纳米管对摩擦纳米发电机电性输出的影响，确定多壁碳纳米管的最佳掺杂浓度。
16.本发明的进一步改进在于：质量块为圆柱形，圆柱形的质量块粘接在保护罩的外
侧中间部位。
17.本发明的有益效果是：
18.1、本发明利用局域共振型超材料结构实现低频振动抑制，且本发明的谐振频率可通过改变附加质量和调整平面位移装置结构参数来调整，实现对不同频率振动的抑制。
19.2、本发明将超构器件周期性放置，形成一个周期结构，可以在本发明设计的频率附近产生一个低频结构带隙，说明基底结构与本发明之间有着很强的相互作用，实验表明：在本发明的结构带隙范围内，基底结构的振动能够得到大幅度抑制，且该带隙范围可以通过修改平面位移装置参数和质量块质量大小来进行调整。
20.3、对于摩擦纳米发电机两极材料的处理，负电性摩擦层选取电负性驻极体薄膜，并对其进行高压静电场极化处理，增加其表面电荷密度，正电性摩擦层选择为柔性垫，该柔性垫是由ecoflex
tm
系列硅胶掺杂多壁碳纳米管制成，柔性垫有利于提高器件的机械阻尼，防止平面位移装置和底座撞击发出噪声，掺杂多壁碳纳米管有利于提高柔性垫的介电常数和电容，这样就可以提高摩擦纳米发电机的能量输出性能。
21.4、本发明中的保护罩、支撑圆柱、平面位移装置、隔层和底座都是绝缘的，可由3d打印技术制作，工艺简单、成本低，利于批量生产；
22.5、经过实际测试，由本超构器件低频宽频振动抑制效果明显。且在降低基底振动的同时，摩擦纳米发电机收集的能量持续给多个led灯和计算器供电。能够快速给电容充电，当进一步连接至电源管理电路和负载后，实现对低功耗电子器件如蓝牙设备的供电。
附图说明
23.图1是本发明的结构示意图。
24.图2是本发明的结构拆解图。
25.图3是本发明中平面位移装置示意图。
26.图4是本发明中摩擦纳米发电机示意图。
27.图5是本发明的发电原理示意图。
28.图6是本发明单个超构器件性能测试系统示意图。
29.图7是本发明第一阶固有频率测量。
30.图8是本发明柔性垫中多壁碳纳米管含量对器件输出的影响。
31.图9是本发明在谐振频率激励下单个器件输出的开路电压。
32.图10是本发明在谐振频率激励下单个器件输出的短路电流。
33.图11是本发明振动抑制对比实验的样品铝板示意图。
34.图12是本发明振动抑制实验中响应端位移结果。
35.图13是本发明四个器件并联后对1000μf的电容充电曲线。
36.其中：1-质量块；2-保护罩；3-底座；4-平面位移装置；5-支撑圆柱；6-柔性垫；7-隔层；8-电负性薄膜；9-第一电极；10-第二电极；11-弯曲梁。
具体实施方式
37.以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，
在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
38.本发明一种实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件，包括具备局域共振机理的结构，所述具备局域共振机理的结构由平面位移装置、支撑圆柱、保护罩和质量块组成，所述保护罩2为一端封闭的环状结构，用于保护器件内部结构提高装置的可靠性，所述质量块1为圆柱形，圆柱形的所述质量块1粘接在所述保护罩2的外侧中间部位，所述支撑圆柱5呈扁平状，所述支撑圆柱5的直径略小于所述平面位移装置4中心圆台直径，使所述平面位移装置4中心圆台更平稳，所述保护罩2内侧通过所述支撑圆柱5与所述平面位移装置4的中心圆台部分相连，所述支撑圆柱5连接平面位移装置4和保护罩2，所述平面位移装置4的下方是一个外径与平面位移装置4直径相同的环状隔层7，所述环状隔层7的下方是直径与所述环状隔层7外径相同的所述底座3，在所述底座3和所述平面位移装置4之间设置摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括电负性薄膜8和柔性垫6，所述平面位移装置4的中间为圆台，所述平面位移装置4外周是圆环，在所述圆台和所述圆环之间通过弯曲梁11连接，所述弯曲梁11的数量为三个且三个所述弯曲梁11的厚度相同且处于同一平面，在所述圆台靠近所述保护罩的一侧粘接所述支撑圆柱5，在所述圆台的另一侧设置粘接所述电负性薄膜8，结构振动时，弯曲梁发生形变，中心圆台就会产生往复位移。这样粘接在圆台一侧的电负性薄膜就能与柔性垫接触分离。所述环状隔层7为柱体结构，所述柱体结构在所述平面位移装置4和底座3之间形成一个柱形空腔，在所述柱形空腔内放置所述柔性垫6。
39.下面以具体例子说明本发明。
40.如图1和图2所示，本发明是一种的超构器件包括质量块1、保护罩2、底座3、平面位移装置4、支撑圆柱5、柔性垫6和隔层7，圆柱形质量块1粘接在保护罩2的外侧中间部位，所述质量块1是一个磁铁，它的重量可以通过不同大小的磁铁组合轻松调节，磁铁的半径为10mm，磁铁的高度为4.6mm，所述保护罩2为一端封闭的环状结构，是一个由直径为23mm、高为5mm的圆柱挖去一个同中心轴的小圆柱的结构，小圆柱的直径为21mm、高为4mm。在保护罩2内侧通过扁平状的支撑圆柱5和平面位移装置4的中心圆台部分相连。所述支撑圆柱5半径为10mm，厚度为3mm。所述平面位移装置4半径为20mm，厚度为0.8mm。在平面位移装置4下方是直径为20mm、内径为17mm高度为3mm的环状隔层7，在隔层7下方是直径为20mm、高度为2mm的圆柱形底座3。由于隔层7具有一定高度，所以在平面位移装置4和底座3之间会形成一个柱形空腔，这个柱形空腔用来放置柔性垫6，所述柔性垫6为圆柱形，直径为17mm、高2mm。按照上述具体尺寸制作出器件，将器件固定在振动的结构上，等效于附加在基体上的一个子系统，当该子系统的固有频率和外界激励频率相同时，该子系统发生局域共振，相当于基体的振动机械能被该子系统“吸收”，能够明显降低基体振动。
41.另外，器件的固有频率可以表示为：
[0042][0043]
式中ω表示器件的固有频率；k表示器件等效刚度；m表示器件等效质量。
[0044]
因此，在本发明中，可以通过修改平面位移装置厚度等参数有效改变器件等效刚度和改变质量块的大小等参数有效改变系统等效质量，这也就实现了对器件动态特性的调
谐，调谐的目的在于适应外界激励频率，以达到最佳的振动抑制效果。
[0045]
在平面位移装置4与底座3之间设置摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机如图4，包括电负性薄膜8和柔性垫6及其所连接的电极。
[0046]
本实施例中用fep薄膜作为电负性薄膜，经过高压静电场极化处理提高其表面电荷密度。所述柔性垫6由ecoflex
tm
系列液体硅胶掺杂多壁碳纳米管，经过磁力搅拌，倒入模具，静置排出气泡，然后加热直至干燥脱模。本实施例中的柔性垫的好处在于能够作为摩擦纳米发电机的正电性摩擦层、防止平面位移装置撞击底座发出噪声和增加器件的阻尼比。另外，图4中，双面导电的铝胶带作为第一电极9和第二电极10，实现将起电层产生的感应电荷传递到外接电路中。
[0047]
接触分离式摩擦纳米发电机基本工作原理如图5所示，当fep层8与底部柔性垫6接触时，由于起电特性的不同，fep层8表面捕获电子带负电，而柔性垫6由于失去电子带正电，在其各自的电极上将产生感应电荷，从而形成电势差。当接入外电路时，电子将产生运动，形成传导电流。
[0048]
如图6所示是本实施例性能测试系统示意图，使用信号发生器发生正弦信号，作为激励信号通过功率放大器驱动激振器，激振力由力传感器测得，力的大小控制在5n，将放置在振动平台上，由高速激光位移传感器测得本发明中心点的振动特性。在摩擦纳米发电机处引出导线，使用数字万用表ni-pxi-4071采集电流信号；用数字万用表ni-pxi-4070采集电压信号。
[0049]
如图7至图10所示为测试结果，首先探究了本发明的振动特性，通过高速激光位移传感器测量本发明中心位移。对其在较宽频带内进行频谱分析，结果如图7所示，发现其第一谐振频率为40hz。所以将激励频率调至40hz，激振力大小控制在5n。在此工况下，使用图6所示的测试系统测试器件输出性能，通过实验分析了柔性垫中多壁碳纳米管含量对器件输出的影响，结果如图8所示，当柔性垫中多壁碳纳米管含量为10％时输出最佳。如图9、图10所示，器件输出最大峰-峰值电压可达502.3v，输出峰-峰值电流可达17.3μa。
[0050]
将4个本实施例样品周期性放置在铝板上，构成一个超构器件周期结构板，可以产生一个结构带隙，铝板的长
×
宽
×
高为300mm
×
70mm
×
2mm。经计算，该结构带隙范围为40-50hz，也即在该频率范围内，弹性波将不能传播。如图11所示制备了两个样品铝板进行振动抑制性能对比。第1个样品铝板放置4个本实施例超构器件，第2个样品铝板放置4个质量相同的等质量单元但是不具备局域共振机理的结构。采用弹性绳悬挂试验结构，形成自由边界条件。激振器在一侧产生激振力，响应点选择在另一侧靠近结构边界处。采用激光位移传感器监测响应点的振动位移。结果如图12所示，实验结果表明：在结构带隙范围内，铝板的振动幅度得到大幅度降低，最高可达87％。将铝板上的4个本发明器件并联，能够同时并持续点亮640个led灯且能给计算器供电。为了更加直观的表现其输出性能，器件给1000μf的电容进行充电，充电曲线如图13，当进一步连接至电源管理电路和负载后，实现对低功耗电子器件如蓝牙设备的供电。
[0051]
本发明将提供一种既能实现低频振动抑制又能实现低频振动的环境能转换为电能的紧凑的且尺度较小的超构器件，且该器件可以在我们设计的频率附近产生一个低频结构带隙，还能实现对环境振动进行监测同时还考虑到对器件的保护提高器件的可靠性。
[0052]
以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人
员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。