[发明专利]一种悬臂式压电材料能量采集器的使用方法

说明书

技术领域

本发明属于减振降噪领域，涉及一种能量采集器，具体涉及一种悬臂式压电材料能量采集器的使用方法。

背景技术

在机械设备中，有相当一部分能量以振动的形式存在。在各种振动形式中，有些是为人们所需要的，有些是无用的，甚至是对生产、生活有害的。针对这些无用的甚至是有害的振动，目前已有的各种主动或被动的减振方法已经取得了一定的效果。这些方法的共性是利用外部的能量来抑制振动的产生，或采用一些特殊材料或手段将振动中的机械能快速耗散掉。因此，与振动相对应的这部分机械能均未能得到合理的利用。如果能够有效地抑制振动，又能合理地利用振动中的机械能，那将是一种更为环保的减振降噪的方法。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种悬臂式压电材料能量采集器。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种悬臂式压电材料能量采集器，它包括：

基体，所述基体一端安装在振动物体上，另一端向外延伸形成自由端；

压电片，所述压电片有两个，它们分别固定在所述基体的两个表面上且对称设置，两个所述压电片的预极化方向相反；定义每个压电片与基体相接触的表面为其内表面，与基体相背离的表面为其外表面；

第一电极，所述第一电极有两个，它们分别贴在两个所述压电片的内表面上且与所述基体绝缘，两个所述第一电极相电连接；

第二电极，所述第二电极有两个，它们分别贴在两个所述压电片的外表面上；

电器元件，所述电器元件与两个所述第二电极相电连接，用于将所述压电片转化的电能进行储存、转化或利用。

优化地，所述压电片的材质为压电材料。

优化地，所述电器元件为储能器件、负载或者交流/直流转化器件。

本发明的又一目的在于提供一种上述悬臂式压电材料能量采集器的使用方法，它包括以下步骤：

(1)以基体与振动物体接触处的中心为原点、基体的延伸方向为X轴、垂直于所述基体的方向为Z轴建立直角坐标系；

(2)测量基体厚度t_b，压电片厚度t_p和宽度b，以及压电片与振动物体相平行的两面距离所述振动物体的间距x₁、x₂；

(3)运行形成回路的能量采集器，以步骤(2)中测得的参数建立如式a所示的振动方程，

式中，Y是基体的杨氏模量，I和A分别为基体的截面惯性矩与面积，ρ为基体密度，w为横向位移，t是时间，x表示沿长度方向的坐标，k为耦合系数，V为电位差，δ′是Dirac delta函数对x的导数，p为单位长度的外加分布力载荷；

同时构建如式b所示的电路方程，

其中为压电片产生的电流，R为电器元件的电阻，e₃₁为压电应力常数，κ₃₃b(x₂-x₁)/t_p具有电容的量纲，为压电片等效电容；

(4)联立方程(a)和方程(b)，得到描述能量采集器机械振动、能量采集电路和机电耦合的动力学模型；

(5)根据所述动力学模型，通过控制压电片与基体厚度的比值、杨氏模量的比值、压电片材料特性、压电片长度及其所在位置调整电能输出。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明悬臂式压电材料能量采集器，一方面通过振动物体上安装基体，而基体表面固定压电片；另一方面压电片内外表面上分别安装第一电极、第二电极，使得第一电极和第二电极形成RC回路，这样基体的振动引起压电片的变形，由于压电效应在压电片两端产生电荷，经过RC回路产生电流；并且压电片两端的电荷由于压电逆效应引起压电片的变形，由于基体与压电片结合良好，因此基体也发生相应变形，从而对原有的振动产生逆作用。

附图说明

附图1为本发明悬臂式压电材料能量采集器的结构示意图；

附图2为附图1的A-A剖视图；

附图3为本发明悬臂式压电材料能量采集器自由端挠度随时间变化图；

附图4为本发明悬臂式压电材料能量采集器电位差随时间变化图；

附图5为本发明悬臂式压电材料能量采集器在持续激励工作模式下基体自由端挠度随时间变化图；

附图6为本发明悬臂式压电材料能量采集器在持续激励工作模式下电位差随时间变化图；

其中，1、基体；2、压电片；3、第二电极；4、第一电极；5、电器元件。