一种双安装模式的冲击与振动能量采集装置

本发明涉及智能材料/结构与振动力学的交叉，尤其是一种双安装模式的冲击与振动能量采集装置。

背景技术：

1、冲击和振动作为环境中普遍存在的现象，它们蕴含的能量是绿色的可再生能源，有效采集并利用它们的能量可缓解远程供电压力，满足远程电子设备的自供电需求。

2、当前最常用的振动能量采集装置有压电式、电磁式、磁致伸缩式三种。压电式振动能量采集装置可直接实现机械-电能输出，但压电材料输出电压小、承载能力低、工作稳定性差，更适用于微型、分布式结构采能布置，因而往往用于微振动采能，难以采集中大型器件甚至是小型器件的振动能量，对于冲击能量更是难以采集。

3、电磁式振动能量采集装置承载力大，但依赖永磁体与线圈之间的相对行程，因此安装不便，当采集振动信号能量时，磁芯和线圈必须分别安装在待采能位置的固定端和运动端（或者相反）；同时，该类装置的采能效果取决于线圈切割永磁体磁力线的效果，必须产生足够的相对行程，使得整个装置表现出非常小的刚度，不适用要求大刚度、小变形的场合，如闸机口、减速带、工程机械安装地面、海底或江底、大堤口等等。

4、terfenol-d是一种常用的超磁致伸缩材料，基于超磁致伸缩材料的能量采集装置也具有承载能力强的优势，但传统采能结构仅能采集振动信号能量；由于terfenol-d为固体材料、刚度较大，采集振动能量时器件共振频率需与待采能振动的频率接近，使得整个装置重量大、体积大，同时振动行程不能大于terfenol-d的伸缩量，这对待采能的振动环境要求很高。

5、对于工业应用中的中大型器件，由于单向的平动位移限制，不允许产生反向行程，因而周期性冲击信号比振动信号更加普遍，例如大量行人路过闸机口对地面的冲击，设备工作时对地面的冲击，汽车行驶过减速带对减速带及落地时对地面的冲击，流体对底部或壁面的冲击等等。

6、对比振动信号，周期性的冲击信号冲量更大、频率更丰富，若能有效采集可输出更多电能，terfenol-d本身具备强大的承载能力、高磁机转化效率，具备采集冲击信号能量并输出大量电能的潜力。但传统超磁致伸缩式能量采集装置无法采集冲击信号能量，同时采集冲击和振动信号能量需要考虑二者对磁路要求的区别及terfenol-d材料脆性强的特点，因而具有不同的装置设计要求，其中转化后力的施加位置与装置材料磁导率是设计的关键。

技术实现思路

1、本发明提出一种双安装模式的冲击与振动能量采集装置，既能采集冲击信号的能量、又能采集振动信号的能量，亦即当待采能系统或装置主要接收冲击信号时，装置能够采集该冲击能量，当待采能系统或装置主要接收振动信号时，可通过调整装置的工作模式实现振动采能；同时本装置需具备采集冲击信号能量时行程小而采集振动信号能量时行程大的特点，从而能保证采能效果。

2、本发明采用以下技术方案。

3、一种双安装模式的冲击与振动能量采集装置，所述采集装置包括穿置于线圈（3）中的棒状组合体；所述棒状组合体包括自上而下顺序连接的螺栓杆（7）、上永磁体（9）、terfenol-d棒（10）、下永磁体（11）、平动杆（13）；所述棒状组合体以弹性件与采集装置的支座外壳（1）相连，以螺栓杆顶部作为能量采集端；

4、当采集装置用于采集冲击信号能量时，平动杆刚性连接安装于地面或固定部件处，螺栓杆承载冲击载荷时，使terfenol-d棒发生弹性形变，在线圈（3）中激发感生电动势形成输出电压；

5、当采集装置用于采集振动信号能量时，支座外壳（1）刚性连接与地面或固定部件处，螺栓杆承载振动载荷时，使terfenol-d棒发生弹性形变，并使棒状组合体随振动负载沿组合体轴线运动，terfenol-d棒、上永磁体、下永磁体分别在线圈中激发感生电动势和动生电动势形成输出电压。

6、所述terfenol-d棒由铽镝铁合金terfenol-d材料制作，terfenol-d材料的化学式为tb1- xdy xfe2，其中0.68≤x≤0.73。

7、所述线圈以线圈骨架（4）固定于支座外壳的紧固外壳（6）处；所述弹性件包括环置于螺栓杆周侧的上弹簧（8）、环置于平动杆周侧的下弹簧（12）。

8、上永磁体（9）、terfenol-d棒（10）和下永磁体（11）共轴线，其中螺栓杆（7）、平动杆（13）的端部均开有用于辅助定位的卡槽；

9、螺栓杆（7）端部处设有外螺纹，支座外壳（1）外设有螺栓安装孔，平动杆（13）处设有凸出的平面台阶，三者分别通过旋入内螺纹、安装螺栓螺母、金属胶粘结的方式与外部的运动部件/固定部件刚性连接；

10、所述线圈设于内套筒处；支座外壳（1）与内套筒（5）之间、紧固外壳（1）与内套筒（5）之间均通过螺纹连接。

11、当采集装置用于采集冲击信号能量时，通过terfenol-d材料的变形以及自然回位提供的唯一可变行程，实现棒状组合体的小行程，并通过使用闭合磁路来更有效采集terfenol-d材料变形转化的冲击能量，采集冲击信号能量时，螺栓杆（7）、上永磁体（9）、terfenol-d棒（10）、下永磁体（11）和平动杆（13）之间均为刚性连接；

12、当采集装置用于采集振动信号能量时，通过弹簧变形实现棒状组合体的大行程，并使用开放磁路以提升永磁体采能效果，更为有效的采集terfenol-d材料变形和永磁体运动转化的振动能量；采集振动信号能量时，棒状组合体与支座外壳（1）之间形成弹性连接，棒状组合体的运动部件行程为螺栓杆（7）和支座外壳（1）的相对平动位移，其等于上弹簧（8）或下弹簧（12）的变形量。

13、当采集装置用于采集冲击信号能量时，所述棒状组合体的小行程不大于terfenol-d棒长度的10-3倍；螺栓杆（7）、紧固外壳（6）、内套筒（5）、支座外壳（1）和平动杆（13）均采用相对磁导率不小于300的材料加工制作；

14、当采集装置用于采集振动信号能量时，由弹簧自然回位来保证棒状组合体的大行程，通过采用两个弹簧对向布置，使棒状组合体的大行程不小于两个弹簧的最大可压缩量之和；紧固外壳（6）、内套筒（5）、支座外壳（1）均采用相对磁导率不高于2的材料加工制作。

15、上永磁体（9）和下永磁体（11）按相同极性方向放置，其在terfenol-d棒（10）位置提供的平均磁场强度不小于20ka/m、不大于50ka/m，上弹簧（8）和下弹簧（12）对棒状组合体提供相同的预紧力，预紧力不小于15n、不大于40n。

16、terfenol-d棒（10）、上永磁体（9）、下永磁体（11）和平动杆（13）下沿的横截面积相等。

17、上弹簧（8）和下弹簧（12）均采用螺旋式压缩弹簧，且预紧后的可压缩量均不小于4mm。

18、所述线圈（3）的轴向长度不小于上永磁体（9）、terfenol-d棒（10）、下永磁体（11）三者的长度之和，且线圈（3）中心与terfenol-d棒（10）的中心重合。

19、本发明提供一种既能采集冲击信号、又能采集振动信号的能量采集装置，亦即当待采能系统或装置主要产生冲击信号时，装置能够采集该冲击能量，当待采能系统或装置主要产生振动信号时，可通过调整装置的工作模式实现振动采能；同时为保证采能效果，装置需具备采集冲击信号能量时行程小而采集振动信号能量时行程大的特点。

20、本发明通过改变零部件的固定安装关系来调整零部件之间的相对运动关系，实现对冲击信号和振动信号能量分别采能；相对运动关系改变时，切换可运动零部件，采集冲击信号能量时由terfenol-d材料提供超小的固体弹性变形行程，而采集振动信号能量时由弹簧提供较大的弹性变形行程；在本发明所述方案中，首先考虑冲击信号的能量采集，利用terfenol-d材料承载能力强、磁机转化系数高、刚度大的特点，设计外部零部件与terfenol-d棒刚性接触以直接传导冲击力，冲击力激发terfenol-d棒内部的磁化强度改变，外围线圈采集该变化产生感生电动势并输出电信号；冲击时，由terfenol-d棒自然回位提供唯一可变行程来保证较小行程，该行程不大于terfenol-d棒长度的10-3倍；然后考虑对振动信号的能量采集，利用永磁体运动和terfenol-d棒受压进行双重采能，设计弹簧与terfenol-d棒弹性接触间接传导振动力，振动力激发terfenol-d棒内部的磁化强度改变，同时永磁体发生平动，外围线圈采集terfenol-d棒变形产生的感生电动势和永磁体运动产生的动生电动势并输出电信号；振动时，由弹簧自然回位来保证较大行程，采用两个弹簧对向布置，总行程不小于两个弹簧的最大可压缩量之和；本发明为提升冲击信号的能量采集效果采用闭合磁路，类似传统的超磁致伸缩式振动能量采集装置；而为提升振动信号的能量采集效果，主要是永磁体运动部分产生的动生电动势，则采用开放磁路。

21、本发明公开一种双安装模式的冲击与振动能量采集装置，通过切换安装模式可分别采集冲击或振动信号能量并转化为电信号输出，包括支座外壳、垫块、线圈、线圈骨架、内套筒、紧固外壳、螺栓杆、上弹簧、上永磁体、terfenol-d棒、下永磁体、下弹簧、平动杆，通过terfenol-d棒变形采集冲击信号能量，借助terfenol-d棒的固体材料特性限制螺栓杆和平动杆之间的相对运动，实现小变形、大刚度特性，同时使用闭合磁路提升采能效果；通过terfenol-d棒变形和两个永磁体运动采集振动信号能量，借助双螺旋弹簧实现大行程，同时使用开放磁路提升采能效果；本发明尤其适用于采集中大型设备或系统的冲击信号能量，基于terfenol-d的高磁机转化效率以输出大量电能，可用于远程电子设备的自供电。

22、当用于大型设备时，考虑到大型设备的冲击信号能量更强，且在大型设备工作时更易安装本发明的采集装置，因此在大型设备处优先采用本发明采集冲击信号能量，能够达到更好的能量采集效果。

23、本发明的有益效果是：本发明可承载冲击力并采集冲击信号能量；通过切换固定安装关系，本发明还可以采集振动信号能量，可根据待采器件或系统的主要运动方式选择合适的采能方式；采集冲击信号能量时由terfenol-d材料变形实现小行程，并使用闭合磁路，可有效采集terfenol-d材料变形转化的冲击能量；采集振动信号能量时由弹簧变形实现大行程，并使用开放磁路以提升永磁体采能效果，可有效采集terfenol-d材料变形和永磁体运动转化的振动能量。