本發(fā)明專利技術公開淺勢阱五穩(wěn)態(tài)可切換型非線性寬頻振動能量采集器及其應用，壓電懸臂梁的一端緊固在外殼上，另一端固定有兩個永磁體Ⅰ，兩個永磁體Ⅰ對稱固定在壓電懸臂梁的中性面的兩個側面上，兩個永磁體Ⅰ異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁的表面；兩個永磁體Ⅱ相對于壓電懸臂梁的中性面對稱固定在外殼的內表面上，兩個永磁體Ⅱ異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁的表面，且兩個永磁體Ⅱ與兩個永磁體Ⅰ的異極相對，兩個停止器對稱布置于壓電懸臂梁的中性面兩側并固定在外殼上。本發(fā)明專利技術擁有五穩(wěn)態(tài)設計，且實現更高的磁場利用率，具有較強的小型化潛力，在降低工作所需激勵量級的同時還可以切換穩(wěn)態(tài)類型，以適應復雜激勵環(huán)境的需要。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于能量采集
，尤其涉及一種淺勢阱五穩(wěn)態(tài)非線性寬頻振動能量采集器。
技術介紹
目前，公知的寬頻非線性壓電振動能量采集器多是利用壓電雙晶片或壓電單晶片懸臂梁外加磁力作用形成非線性的系統(tǒng)回復力來獲得較寬的振動頻率范圍和較高的輸出電壓。其中，系統(tǒng)非線性恢復力的調整只能通過改變磁體的大小及分布位置來實現。按照采集器振子形成的穩(wěn)態(tài)個數區(qū)分，目前提出的寬頻非線性壓電振動能量采集器可劃分為單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)及三穩(wěn)態(tài)三類。由于磁力的復雜性和本質非線性，這種粗放的結構調整和優(yōu)化方法限制了采集器輸出性能的進一步提升，無法充分利用磁場的特性來提升其功率密度、工作帶寬和對環(huán)境中微弱激勵的敏感性，限制了采集器的進一步小型化和高功率化。與此同時，由于不同穩(wěn)態(tài)類型所對應的最佳激勵環(huán)境各有不同，單一穩(wěn)態(tài)類型的振動能量采集器在實際應用中將無法滿足激勵情況復雜多變的工程實際的需要。因此，開發(fā)能夠充分利用磁場性能，擁有更高功率密度和小型化設計潛力并能夠簡單切換穩(wěn)態(tài)類型的寬頻非線性壓電振動能量采集器是十分必要的。
技術實現思路
為了克服現有的寬頻非線性壓電振動能量采集器結構模式單一、功率密度低和無法有效小型化的缺點，并進一步提高采集器在微小激勵下的輸出效果，本專利技術提供一種淺勢阱五穩(wěn)態(tài)可切換型壓電振動能量采集器，該采集器擁有創(chuàng)新的五穩(wěn)態(tài)設計，以及更高的磁場利用率和小型化潛力，在降低工作所需激勵量級的同時還可以切換穩(wěn)態(tài)類型，以適應復雜激勵環(huán)境的需要。本專利技術是通過以下技術方案實現的:淺勢阱五穩(wěn)態(tài)可切換型非線性寬頻振動能量采集器，包括外殼(1)、壓電懸臂梁(2)、兩個停止器(5)、兩個永磁體1(3)、兩個永磁體Π (4);所述壓電懸臂梁(2)的一端緊固在外殼(1)上，壓電懸臂梁(2)的另一端固定有兩個永磁體1(3)，兩個永磁體I對稱固定在壓電懸臂梁(2)的中性面的兩個側面上，兩個永磁體I異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁的表面;兩個永磁體Π (4)相對于壓電懸臂梁的中性面對稱固定在外殼的內表面上，兩個永磁體Π (4)異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁的表面，且兩個永磁體Π (4)與兩個永磁體1(3)的異極相對，兩個停止器(5)對稱布置于壓電懸臂梁(2)的中性面兩側并固定在外殼上，兩個停止器均設置有用于與壓電懸臂梁2發(fā)生碰撞的碰撞位置a。在上述技術方案中，所述壓電懸臂梁2長度為90mm，寬15mm，厚0.3mm;兩個永磁體I的體積相同，且均為10 X 5 X 1.5mm3，兩個永磁體Π的體積相同，且均為20 X 10 X 5mm3;兩個永磁體Π的相對面間距為30mm，兩個永磁體Π的左表面與永磁體I的右表面在水平方向上相距4mm。在上述技術方案中，碰撞位置a與壓電懸臂梁表面相距2.4mm，碰撞位置a與壓電懸臂梁的固定端的水平距離為35mm，壓電懸臂梁的固定端為與外殼相連固定的壓電懸臂梁的一端。在上述技術方案中，在兩個停止器中分別設置了位置可調的螺釘(6)，用以調整螺釘旋入端與壓電懸臂梁表面的距離，以實現不同穩(wěn)態(tài)的切換。在上述技術方案中，螺釘(6)的旋入端與壓電懸臂梁表面相距1.7mm，且螺釘的旋入端與壓電懸臂梁的固定端的水平距離為33mm，壓電懸臂梁的固定端為與外殼相連固定的壓電懸臂梁的一端。在上述技術方案中，在兩個停止器中分別設置了千分尺頂桿結構(7)，所述千分尺頂桿結構(7)包括螺桿(7-1)、固定套筒(7-2)、活動套筒(7-3 )，固定套筒(7-2)和活動套筒(7-3)上設置有刻度，螺桿(7-1)的一端與活動套筒(7-3)同軸固定，固定套筒(7-2)同軸通過螺紋套接在螺桿(7-1)上，活動套筒(7-3)的一端同軸可旋轉的套接在固定套筒(7-2)上，固定套筒(7-2)與外殼(1)固定;通過旋擰活動套筒(7-3)，并結合刻度可以精確的調整螺桿的旋入端與壓電懸臂梁表面之間的距離，以實現不同穩(wěn)態(tài)的切換。在上述技術方案中，兩個永磁體I均為銣鐵硼永磁體。在上述技術方案中，兩個永磁體Π均為銣鐵硼永磁體。本專利技術的優(yōu)點和有益效果為:(1)本專利技術的采集器技術方案在設備檢測領域中的應用，與雙穩(wěn)態(tài)及三穩(wěn)態(tài)相比，本專利技術獨有的五穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)可將勢能分布進更多的勢阱中，從而擁有深度更淺的勢阱，使得采集器振子(銣鐵硼永磁體I)在更小的激勵能量下即可越出所在勢阱進行大振幅的阱間運動。另外，更多的穩(wěn)態(tài)可以有效地提升采集器的共振帶寬，使得壓電結構在更寬的頻帶里產生更高的功率輸出，以此增加了采集器對微弱激勵的敏感性和適應性；(2)由于停止器的作用，高應力區(qū)不再僅位于梁的根部，壓電懸臂梁上的壓電片產生了更大的應變，其輸出功率得到明顯提升；(3)相比于其它利用磁場形成的多穩(wěn)態(tài)振動能量采集器，本專利技術的設計可以使得磁性慣性質量充分靠近外部的永磁體，從而提高了系統(tǒng)的磁能利用率和輸出功率，減少了采集器對永磁體體積的依賴，進而降低了采集器對附近電子設備的影響，使得采集器可以進一步的小型化和集成化；(4)可實現采集器穩(wěn)態(tài)類型的切換，以適應不同激勵環(huán)境對采集器的要求。【附圖說明】圖1是本專利技術實施例一的結構示意圖。圖2是圖1的橫剖面構造圖。圖3是實施例一中懸臂梁自由端磁振子(即銣鐵硼永磁體I)在鉛垂方向上的受力關系圖。圖4是實施例一中的振動能量采集器系統(tǒng)的勢能函數。圖5是本專利技術實施例二的結構示意圖。圖6是圖5的橫剖面構造圖。圖7是實施例二中懸臂梁自由端磁振子在鉛垂方向上的受力關系圖(同時對比了實施例一中懸臂梁自由端磁振子的受力關系圖)。圖8是本專利技術實施例三的結構示意圖。圖9是傳統(tǒng)的千分尺的結構示意圖。圖中:1為外殼，2為壓電懸臂梁，3為銣鐵硼永磁體I，3-1為上銣鐵硼永磁體I，3-2為下銣鐵硼永磁體1，4為銣鐵硼永磁體Π，4-1為上銣鐵硼永磁體Π，4-2為下銣鐵硼永磁體Π，5為停止器，6為螺栓，7為千分尺頂桿結構，8為通孔。【具體實施方式】下面結合具體實施例進一步說明本專利技術的技術方案。實施例一:為了克服現有的寬頻非線性壓電振動能量采集器功率密度低和無法有效小型化的缺點，并進一步提高采集器在微小激勵下的輸出效果，本實施例提供了一種淺勢阱五穩(wěn)態(tài)非線性寬頻振動能量采集器。如圖1-2所示，所述淺勢阱五穩(wěn)態(tài)非線性寬頻振動能量采集器，包括外殼1、壓電懸臂梁2(根據實驗需要，對壓電懸臂梁的壓電片層進行部分分離處理，也可保持全部壓電片層的完整性；圖中顯示的是壓電懸臂梁的示意結構)、兩個停止器5、兩個銣鐵硼永磁體13、兩個銣鐵硼永磁體Π 4;所述壓電懸臂梁2長度為90mm，寬15mm，厚0.3mm，電懸臂梁2的左端緊固在外殼1上，壓電懸臂梁2右端固定有用于充當慣性質量的一對銣鐵硼永磁體13，兩個銣鐵硼永磁體13(體積為10 X 5 X 1.5mm3)對稱固定在壓電懸臂梁2的中性面的兩個側面上，兩個銣鐵硼永磁體13異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁2的表面;兩個銣鐵硼永磁體Π4(體積為20X10 X5mm3)相對于壓電懸臂梁2的中性面對稱固定在外殼1的內表面上，兩個銣鐵硼永磁體Π4異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁2的表面，且兩個銣鐵硼永磁體Π 4與兩個銣鐵硼永磁體13的異極相對(即上銣鐵硼永磁體Π4-1與上銣鐵硼永磁體13-1異極相對，下銣鐵硼永磁體Π 4-2與下銣鐵硼永磁體1本文檔來自技高網...
【技術保護點】
淺勢阱五穩(wěn)態(tài)可切換型非線性寬頻振動能量采集器，其特征在于，包括外殼(1)、壓電懸臂梁(2)、兩個停止器(5)、兩個永磁體Ⅰ(3)、兩個永磁體Ⅱ(4)；所述壓電懸臂梁(2)的一端緊固在外殼(1)上，壓電懸臂梁(2)的另一端固定有兩個永磁體Ⅰ(3)，兩個永磁體Ⅰ對稱固定在壓電懸臂梁(2)的中性面的兩個側面上，兩個永磁體Ⅰ異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁的表面；兩個永磁體Ⅱ(4)相對于壓電懸臂梁的中性面對稱固定在外殼的內表面上，兩個永磁體Ⅱ(4)異極相對，且極化方向均垂直于壓電懸臂梁的表面，且兩個永磁體Ⅱ(4)與兩個永磁體Ⅰ(3)的異極相對，兩個停止器(5)對稱布置于壓電懸臂梁(2)的中性面兩側并固定在外殼上，兩個停止器均設置有用于與壓電懸臂梁(2)發(fā)生碰撞的碰撞位置。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張琪昌，王辰，王煒，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發(fā)明
國別省市：天津;12
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