本發(fā)明屬于微型傳感器
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種新型拾振器及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：振動(dòng)機(jī)械能是一種最容易從周圍環(huán)境中獲得的能量源，廣泛地存在于家用電器、工業(yè)工廠設(shè)備、各種可動(dòng)物體以及人體運(yùn)動(dòng)等，這些不同方式的機(jī)械振動(dòng)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(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)為化學(xué)的、機(jī)械的或電學(xué)的信號(hào)，且所得信號(hào)的強(qiáng)度與所檢測(cè)的振動(dòng)量成比例的換能裝置。按檢測(cè)量的不同，可以分為加速度計(jì)、速度拾振器和位移拾振器等幾種。按能量轉(zhuǎn)化的原理來(lái)分，又有質(zhì)量彈簧式、壓電式、電動(dòng)式、電磁式等許多種類。但是現(xiàn)有的拾振器的輸出性能受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺寸的限制，其工作帶寬較窄，且輸出功率隨著系統(tǒng)體積的減小而大幅降低，為了改善系統(tǒng)的輸出性能，擴(kuò)展頻帶，就需要設(shè)計(jì)一種易于實(shí)現(xiàn)的新型拾振器及其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是解決上述問(wèn)題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量回收效率高的新型拾振器。本發(fā)明的另一目的，是提供一種上述新型拾振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)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(chǔ)能元件，所述雙夾具包括相對(duì)設(shè)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(shè)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(duì)應(yīng)，所述儲(chǔ)能元件與線圈相連接，所述上夾具與下夾具的相對(duì)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(dòng)源固結(jié)。優(yōu)選地，所述永磁鐵位于懸臂梁的末端。優(yōu)選地，所述懸臂梁采用不導(dǎo)磁材料制成。一種如前所述的新型拾振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：S1、根據(jù)懸臂梁振動(dòng)時(shí)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(dòng)能量回收轉(zhuǎn)化系統(tǒng)計(jì)算懸臂梁的非線性剛度特性；S3、建立電磁式振動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的機(jī)電耦合模型；S4、計(jì)算拾振器的最終輸出平均功率，進(jìn)而得到系統(tǒng)匹配優(yōu)化模型；S5、利用步長(zhǎng)加速法對(duì)系統(tǒng)匹配優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化求解；S6、計(jì)算并輸出系統(tǒng)參數(shù)；其中，系統(tǒng)匹配優(yōu)化模型和系統(tǒng)參數(shù)中的系統(tǒng)為新型拾振器系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述步驟S1中的懸臂梁振動(dòng)時(shí)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(yōu)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(yōu)選地，所述步驟S6中的系統(tǒng)參數(shù)包括雙夾具的截面曲線方程、懸臂梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)、永磁體質(zhì)量、線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所提出的新型拾振器以法拉第電磁感應(yīng)定律為工作原理，即在外界振動(dòng)激勵(lì)作用下，永磁體和線圈之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致線圈中的磁通量發(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。該新型拾振器將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能并儲(chǔ)存起來(lái)，進(jìn)而全天候地為微型無(wú)線傳感器、嵌入式傳感器等各種低功耗的電子器件供電?？傮w而言，該新型拾振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧，可用于振動(dòng)能量回收、微型傳感器等領(lǐng)域，運(yùn)用于振動(dòng)能量回收時(shí)，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(guò)優(yōu)化匹配后可適用于各種振動(dòng)能量回收、微型傳感器等場(chǎng)合。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明提供的新型拾振器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明提供的新型拾振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法流程圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明：1、支撐底座；2、雙夾具；3、懸臂梁；4、永磁鐵；5、線圈；6、儲(chǔ)能元件。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明：如圖1所示，本發(fā)明的新型拾振器的結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(duì)設(shè)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(shè)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(duì)應(yīng)。儲(chǔ)能元件6與線圈5相連接。上夾具與下夾具的相對(duì)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(dòng)源固結(jié)。在本實(shí)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(guò)螺栓固定在一起，且同時(shí)通過(guò)該螺栓固定在支撐底座1上。需要說(shuō)明的是，支撐底座1的形狀，設(shè)置方向并沒有特殊的限制，可根據(jù)實(shí)際情況及設(shè)計(jì)需求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，只要滿足對(duì)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(shí)現(xiàn)固定連接的方式均可。懸臂梁3采用不導(dǎo)磁材料制成。懸梁臂也可采用導(dǎo)磁材料。當(dāng)采用不導(dǎo)磁材料時(shí)，回收電能的效果更佳。此外，在本實(shí)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(cè)面、正中等位置，近末端位置均可，只要與線圈5位置相對(duì)應(yīng)、組成能量轉(zhuǎn)換單元即可。本發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)永磁鐵4在懸臂梁3上的位置與振動(dòng)源的振動(dòng)方向一致時(shí)，拾振器將具有更好的效能。進(jìn)一步值得說(shuō)明的是，上夾具與下夾具可采用形狀相同完全對(duì)稱的夾具，也可采用非對(duì)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(duì)本發(fā)明并沒有實(shí)質(zhì)性的影響。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)之一在于上夾具與下夾具的相對(duì)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(duì)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(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。在本實(shí)施例中，上夾具和下夾具的相對(duì)截面采用完全對(duì)稱。雙夾具2、懸臂梁3和永磁體4組成拾振系統(tǒng)，懸臂梁3、永磁體4、線圈5及儲(chǔ)能元件6組成電磁式振動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。在外界振動(dòng)激勵(lì)作用下，支撐底座1、線圈5隨著振動(dòng)源上下振動(dòng)，懸臂梁3和永磁體4也隨之振動(dòng)。由于懸臂梁3不是絕對(duì)剛性的，所以永磁體4和線圈5之間就會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致線圈5中的磁通量發(fā)生變化，從而在線圈5中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件6中或?yàn)橥饨迂?fù)載供電。在雙夾具2、懸臂梁3和永磁體4組成的拾振系統(tǒng)中，利用雙夾具2改變懸臂梁3的非線性剛度特性，進(jìn)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(chǔ)能元件6組成的電磁式振動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，利用電磁感應(yīng)效應(yīng)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在儲(chǔ)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(tǒng)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出電能的最大化。本發(fā)明提供的一種新型拾振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，如圖2所示，包括以下步驟：S1、根據(jù)懸臂梁振動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(jù)用戶需求定制的非線性單調(diào)遞增函數(shù)，本實(shí)施例中采用雙夾具2上下截面曲線方程為上下完全對(duì)稱且為四階多項(xiàng)式函數(shù)為實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明所提供的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法加以說(shuō)明。設(shè)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(biāo)，ai(i＝1,2,3,4)表示多項(xiàng)式函數(shù)的系數(shù)，s0為雙夾具2的橫向長(zhǎng)度(可取為懸臂梁3長(zhǎng)度的3/4)。完全貼合時(shí)，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(shí)就與雙夾具2貼合，且懸臂梁3的彎曲變形量越大，貼合區(qū)也越大，此時(shí)，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(shí)，懸臂梁3在其彎曲變形量達(dá)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(shí)兩者是相互分離的，此時(shí)，懸臂梁3的剛度特性由一小段線性區(qū)與一段非線性區(qū)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(zhǎng)度。不完全貼合時(shí)，懸臂梁3的彎曲變形量達(dá)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(shí)，懸臂梁3的非線性剛度特性也包含一小段線性區(qū)，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(jì)算懸臂梁的非線性剛度特性。根據(jù)懸臂梁3振動(dòng)時(shí)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(shí)，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(zhǎng)度。臨界貼合時(shí)，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(shí)，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(dòng)能量回收轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的機(jī)電耦合模型。由懸臂梁3、永磁體4、線圈5和儲(chǔ)能元件6組成的電磁式振動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，將懸臂梁3振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，考慮到雙夾具的對(duì)稱性，該系統(tǒng)的機(jī)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(tǒng)在懸臂梁3末端處的等效質(zhì)量，m0為永磁體4的質(zhì)量，ρ為懸臂梁3的密度，c為懸臂梁3的等效阻尼，β為機(jī)電耦合系數(shù)，i為系統(tǒng)所回收電能的電流，Li為線圈5的等效電感，RL為負(fù)載電阻，r0為線圈5的等效內(nèi)阻，γ為外界振動(dòng)激勵(lì)加速度(設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)時(shí)可取為幅值為g＝9.8m/s^2的掃頻信號(hào))。S4、計(jì)算拾振器的最終輸出平均功率，進(jìn)而得到系統(tǒng)匹配優(yōu)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(tǒng)的輸出電壓，T為優(yōu)化仿真的時(shí)間，p為拾振器的最終輸出平均功率。對(duì)拾振器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是通過(guò)選擇合適的夾具截面曲線以及機(jī)電系統(tǒng)參數(shù)以得到該系統(tǒng)的最大輸出平均功率，即系統(tǒng)匹配優(yōu)化模型為：maxp(10)S5、利用步長(zhǎng)加速法對(duì)系統(tǒng)匹配優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化求解。該系統(tǒng)匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題是一個(gè)無(wú)約束的非線性優(yōu)化問(wèn)題，而系統(tǒng)匹配優(yōu)化模型(10)的目標(biāo)函數(shù)p的顯式的解析表達(dá)式難以獲得，所以利用步長(zhǎng)加速法對(duì)該優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化求解。S6、計(jì)算并輸出系統(tǒng)參數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)包括圖1中的雙夾具2的截面曲線方程(1)的系數(shù)ai(i＝1,2,3,4)，懸臂梁3的長(zhǎng)度L、寬度b、高度h，永磁體4的質(zhì)量m0，懸臂梁3的等效阻尼c，機(jī)電耦合系數(shù)β，線圈5的等效內(nèi)阻r0、等效電感Li，負(fù)載電阻RL。由所提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)后的拾振器系統(tǒng)，在外界振動(dòng)激勵(lì)作用下，利用電磁感應(yīng)效應(yīng)將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件中或?yàn)楦鞣N低功耗的電子器件供電。該新型拾振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧，可用于振動(dòng)能量回收、微型傳感器等領(lǐng)域，運(yùn)用于振動(dòng)能量回收時(shí)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(guò)優(yōu)化匹配后可適用于各種振動(dòng)能量回收、微型傳感器等場(chǎng)合。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3