一種新型拾振器及其優化設計方法與流程

本發明屬于微型傳感器
技術領域：
，具體涉及一種新型拾振器及其優化設計方法。
背景技術：
：振動機械能是一種最容易從周圍環境中獲得的能量源，廣泛地存在于家用電器、工業工廠設備、各種可動物體以及人體運動等，這些不同方式的機械振動在頻率和振幅等方面也各不相同。拾振器是傳感器的一種，將振動信號轉為化學的、機械的或電學的信號，且所得信號的強度與所檢測的振動量成比例的換能裝置。按檢測量的不同，可以分為加速度計、速度拾振器和位移拾振器等幾種。按能量轉化的原理來分，又有質量彈簧式、壓電式、電動式、電磁式等許多種類。但是現有的拾振器的輸出性能受系統結構和尺寸的限制，其工作帶寬較窄，且輸出功率隨著系統體積的減小而大幅降低，為了改善系統的輸出性能，擴展頻帶，就需要設計一種易于實現的新型拾振器及其優化設計方法。技術實現要素：本發明的目的是解決上述問題，提供一種結構簡單、能量回收效率高的新型拾振器。本發明的另一目的，是提供一種上述新型拾振器的優化設計方法。為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種新型拾振器，包括支撐底座、雙夾具、懸梁臂、永磁鐵、線圈以及儲能元件，所述雙夾具包括相對設置且固定于支撐底座上的上夾具與下夾具，所述懸梁臂位于上夾具和下夾具之間且其一端與上夾具、下夾具的端部固定連接，所述永磁鐵設置于懸臂梁另一端，所述線圈固定于支撐底座上且于永磁鐵位置相對應，所述儲能元件與線圈相連接，所述上夾具與下夾具的相對截面為沿懸臂梁延伸方向間距逐漸增加的平滑曲面，所述支撐底座、雙夾具、線圈均與振動源固結。優選地，所述永磁鐵位于懸臂梁的末端。優選地，所述懸臂梁采用不導磁材料制成。一種如前所述的新型拾振器的優化設計方法，包括以下步驟：S1、根據懸臂梁振動時與夾具的貼合情況，選定雙夾具的截面曲線方程類型；S2、電磁式振動能量回收轉化系統計算懸臂梁的非線性剛度特性；S3、建立電磁式振動能量回收轉化系統的機電耦合模型；S4、計算拾振器的最終輸出平均功率，進而得到系統匹配優化模型；S5、利用步長加速法對系統匹配優化模型進行優化求解；S6、計算并輸出系統參數；其中，系統匹配優化模型和系統參數中的系統為新型拾振器系統。優選地，所述步驟S1中的懸臂梁振動時與夾具的貼合情況共有三種，即完全貼合、臨界貼合和不完全貼合。優選地，所述步驟S2中的懸臂梁具有三種不同的非線性剛度特性。優選地，所述步驟S6中的系統參數包括雙夾具的截面曲線方程、懸臂梁的結構參數、永磁體質量、線圈的結構參數。本發明的有益效果是：本發明所提出的新型拾振器以法拉第電磁感應定律為工作原理，即在外界振動激勵作用下，永磁體和線圈之間產生相對運動，導致線圈中的磁通量發生變化，從而在線圈中產生感應電動勢。該新型拾振器將振動機械能轉換成電能并儲存起來，進而全天候地為微型無線傳感器、嵌入式傳感器等各種低功耗的電子器件供電。總體而言，該新型拾振器結構簡單、小巧，可用于振動能量回收、微型傳感器等領域，運用于振動能量回收時，其能量回收效率高、頻帶寬、輸出電能平均功率高，尤其是該拾振器通過優化匹配后可適用于各種振動能量回收、微型傳感器等場合。附圖說明圖1為本發明提供的新型拾振器系統結構圖；圖2為本發明提供的新型拾振器的優化設計方法流程圖。附圖標記說明：1、支撐底座；2、雙夾具；3、懸臂梁；4、永磁鐵；5、線圈；6、儲能元件。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明：如圖1所示，本發明的新型拾振器的結構示意圖，包括支撐底座1、雙夾具2、懸臂梁3、永磁體4、線圈5及儲能元件6。雙夾具2包括上夾具與下夾具，上夾具和下夾具相對設置且固定于支撐底座上。懸梁臂3位于上夾具和下夾具之間，且懸臂梁3的一端與上夾具、下夾具的端部固定連接。永磁鐵4設置于懸臂梁另一端。線圈5固定于支撐底座1上且于永磁鐵4相對應。儲能元件6與線圈5相連接。上夾具與下夾具的相對截面為沿懸臂梁2延伸方向間距逐漸增加的平滑曲面。支撐底座1、雙夾具2、線圈5均與振動源固結。在本實施例中，支撐底座1位于其他零部件的下方(圖中未完全示出支撐底座)，上夾具、懸梁臂3以及下夾具的端部通過螺栓固定在一起，且同時通過該螺栓固定在支撐底座1上。需要說明的是，支撐底座1的形狀，設置方向并沒有特殊的限制，可根據實際情況及設計需求進行相應的設計，只要滿足對其它零部件有支撐固定作用即可。顯然，懸臂梁3與雙夾具2之間、雙夾具2與支撐底座1之間也不限于螺栓的連接方式，采用其他任何可實現固定連接的方式均可。懸臂梁3采用不導磁材料制成。懸梁臂也可采用導磁材料。當采用不導磁材料時，回收電能的效果更佳。此外，在本實施例中，永磁鐵4位于懸臂梁3的末端下表面。永磁鐵4位于懸臂梁3的具體位置方向并沒有特殊的限制，也可位于懸臂梁3的上表面、側面、正中等位置，近末端位置均可，只要與線圈5位置相對應、組成能量轉換單元即可。本發明人經過大量的實驗發現，當永磁鐵4在懸臂梁3上的位置與振動源的振動方向一致時，拾振器將具有更好的效能。進一步值得說明的是，上夾具與下夾具可采用形狀相同完全對稱的夾具，也可采用非對稱形狀不相同的夾具。上夾具和下夾具具體形狀是否完全相同對本發明并沒有實質性的影響。本發明的發明點之一在于上夾具與下夾具的相對截面，即雙夾具的截面，為沿懸臂梁2延伸方向間距逐漸增加的平滑曲面。至于具體上夾具和下夾具各自的平滑曲面是否完全對稱以及平滑曲面的彎曲程度均沒有特殊的限制，可完全根據實際情況進行相應設計。在本實施例中，上夾具和下夾具的相對截面采用完全對稱。雙夾具2、懸臂梁3和永磁體4組成拾振系統，懸臂梁3、永磁體4、線圈5及儲能元件6組成電磁式振動能量回收轉化系統。在外界振動激勵作用下，支撐底座1、線圈5隨著振動源上下振動，懸臂梁3和永磁體4也隨之振動。由于懸臂梁3不是絕對剛性的，所以永磁體4和線圈5之間就會發生相對運動，導致線圈5中的磁通量發生變化，從而在線圈5中產生感應電動勢，進而將振動能量轉化為電能并儲存在儲能元件6中或為外接負載供電。在雙夾具2、懸臂梁3和永磁體4組成的拾振系統中，利用雙夾具2改變懸臂梁3的非線性剛度特性，進而改善拾振器的最終輸出性能。由懸臂梁3、永磁體4、線圈5及儲能元件6組成的電磁式振動能量回收轉化系統中，利用電磁感應效應將振動能量轉化為電能并儲存在儲能元件中。選擇合適的雙夾具2的非線性截面特性，以及與之相匹配的拾振器系統參數，可以實現系統輸出電能的最大化。本發明提供的一種新型拾振器的優化設計方法，如圖2所示，包括以下步驟：S1、根據懸臂梁振動時與雙夾具的貼合情況，選定雙夾具的截面曲線方程類型。懸臂梁3振動時與雙夾具2的貼合情況共有三種，即完全貼合、臨界貼合和不完全貼合。雙夾具2的上下截面曲線方程為可以根據用戶需求定制的非線性單調遞增函數，本實施例中采用雙夾具2上下截面曲線方程為上下完全對稱且為四階多項式函數為實施例，對本發明所提供的優化設計方法加以說明。設雙夾具2的截面曲線方程為：y(s)＝a1s+a2s2+a3s3+a4s4(0≤s≤s0)(1)其中，s和y分別為雙夾具2的截面曲線的橫縱坐標，ai(i＝1,2,3,4)表示多項式函數的系數，s0為雙夾具2的橫向長度(可取為懸臂梁3長度的3/4)。完全貼合時，懸臂梁3與雙夾具2由懸臂梁3的始端開始漸近貼合，即懸臂梁3有一微小彎曲時就與雙夾具2貼合，且懸臂梁3的彎曲變形量越大，貼合區也越大，此時，懸臂梁3具有完全非線性剛度特性，雙夾具2的截面曲線方程(1)滿足：a1＝a2＝0,a3>0,a4≥0(2)臨界貼合時，懸臂梁3在其彎曲變形量達到一定值后與雙夾具2的始端開始漸近貼合，而懸臂梁3的彎曲變形量較小時兩者是相互分離的，此時，懸臂梁3的剛度特性由一小段線性區與一段非線性區組成，雙夾具2的截面曲線方程(1)滿足：a1＝a4＝0,a2>0,a2+3a3L>0(3)其中，L為懸臂梁3的長度。不完全貼合時，懸臂梁3的彎曲變形量達到一定值后才與雙夾具2開始貼合，但雙夾具2的始端與懸臂梁3是始終分離的，此時，懸臂梁3的非線性剛度特性也包含一小段線性區，雙夾具2的截面曲線方程(1)滿足：a1≠0,a4>0,0≤a2≤24a4L2,-83a2a4≤a3≤-a23L---(4)]]>S2、計算懸臂梁的非線性剛度特性。根據懸臂梁3振動時與雙夾具2的貼合情況，懸臂梁3具有三種不同的非線性剛度特性。完全貼合時，懸臂梁3的非線性剛度特性為：F(x)=3EIL3(x+3a4-524L3a3x2+5a3-4La48L6a33x3)---(5)]]>其中，x和F分別表示懸臂梁3末端的變形量和彈性力，E為懸臂梁3的彈性模量(可查表獲得)，為懸臂梁3的截面慣性矩，b和h分別為懸臂梁3的寬度和高度，L為懸臂梁3的長度。臨界貼合時，懸臂梁3的非線性剛度特性為：F(x)=k1x+k2(x-x0)2+k3(x-x0)3(x≥x0)k1x(x≤x0)---(6)]]>其中，不完全貼合時，懸臂梁3的非線性剛度特性為：F(x)=k1x0*+k1*(x-x0*)+12k2*(x-x0*)2+16k3*(x-x0*)3(x≥x0*)k1x(x≤x0*)---(7)]]>其中，t0=9a4L-12a2a4+36a3a4L+81a42L26a4,]]>x0*=a1L+23a2L2+(23a2L+2a3L2)t0+(-13a2-a3L+4a4L2)t02-4a4Lt03+a4t04,]]>t=L-L2+a2+3a3L-(a2+3a3L)2-4a4(9a1L+6a2L2-9x)6a4,]]>f(t)=2a2+6a3t+12a4t2L-t,k1*=EIdf(t)dtdtdx,k2*=dk1*dx,k3*=dk2*dx]]>S3、建立電磁式震動能量回收轉化系統的機電耦合模型。由懸臂梁3、永磁體4、線圈5和儲能元件6組成的電磁式振動能量回收轉化系統，將懸臂梁3振動產生的機械能轉化為電能，考慮到雙夾具的對稱性，該系統的機電耦合模型為：mx··+cx·+F(|x|)sign(x)+βi=mγβx·-Lii·=i(RL+r0)---(8)]]>其中，m＝m0+0.2235ρL為拾振系統在懸臂梁3末端處的等效質量，m0為永磁體4的質量，ρ為懸臂梁3的密度，c為懸臂梁3的等效阻尼，β為機電耦合系數，i為系統所回收電能的電流，Li為線圈5的等效電感，RL為負載電阻，r0為線圈5的等效內阻，γ為外界振動激勵加速度(設計和實驗時可取為幅值為g＝9.8m/s^2的掃頻信號)。S4、計算拾振器的最終輸出平均功率，進而得到系統匹配優化模型。拾振器的最終輸出平均功率為：p=1T∫0Tu(t)i(t)dt---(9)]]>其中，u為系統的輸出電壓，T為優化仿真的時間，p為拾振器的最終輸出平均功率。對拾振器的優化設計，就是通過選擇合適的夾具截面曲線以及機電系統參數以得到該系統的最大輸出平均功率，即系統匹配優化模型為：maxp(10)S5、利用步長加速法對系統匹配優化模型進行優化求解。該系統匹配優化設計問題是一個無約束的非線性優化問題，而系統匹配優化模型(10)的目標函數p的顯式的解析表達式難以獲得，所以利用步長加速法對該優化模型進行優化求解。S6、計算并輸出系統參數。系統參數包括圖1中的雙夾具2的截面曲線方程(1)的系數ai(i＝1,2,3,4)，懸臂梁3的長度L、寬度b、高度h，永磁體4的質量m0，懸臂梁3的等效阻尼c，機電耦合系數β，線圈5的等效內阻r0、等效電感Li，負載電阻RL。由所提出的優化設計方法優化設計后的拾振器系統，在外界振動激勵作用下，利用電磁感應效應將振動能量轉化為電能，并儲存在儲能元件中或為各種低功耗的電子器件供電。該新型拾振器結構簡單、小巧，可用于振動能量回收、微型傳感器等領域，運用于振動能量回收時其能量回收效率高、頻帶寬、輸出電能平均功率高，尤其是該拾振器通過優化匹配后可適用于各種振動能量回收、微型傳感器等場合。本領域的普通技術人員將會意識到，這里的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。當前第1頁1 2 3