[发明专利]振动能量采集装置的设计方法、无线传感器

权利要求书

1.一种振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，所述振动能量采集装置包括：

浮动滑块(60)，所述浮动滑块(60)根据受到的振动能量产生振动；

第一压电片(20)，所述第一压电片(20)设于所述浮动滑块(60)的一侧；

第二压电片(90)，所述第二压电片(90)设于所述浮动滑块(60)远离所述第一压电片(20)的一侧；

第一弹簧(40)，所述第一弹簧(40)将所述浮动滑块(60)与所述第一压电片(20)弹性连接在一起；

第二弹簧(80)，所述第二弹簧(80)将所述浮动滑块(60)与所述第二压电片(90)弹性连接在一起；

叉指电极组，所述叉指电极组套设在所述浮动滑块(60)的外周面，所述浮动滑块振动时，所述浮动滑块(60)与所述叉指电极组产生摩擦而发电，所述第一压电片(20)和所述第二压电片(90)产生变形而发电；

所述设计方法包括：

步骤一、构建浮动滑块(60)的振动模型；步骤二、根据振动模型得到不同阻尼情形下浮动滑块(60)的运动位移；步骤三、构建第一压电片(20)或第二压电片(90)的受力变形分析模型；步骤四、根据受力变形分析模型得到第一压电片(20)或第二压电片(90)上任一点位置的变形和所受弯矩；步骤五、结合输出的电流和电压确定浮动滑块(60)、第一压电片(20)、第二压电片(90)、第一弹簧(40)、第二弹簧(80)的相关参数。

2.根据权利要求1所述的振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，根据步骤一中的振动模型，得到浮动滑块(60)的运动微分方程为：

其中，x为浮动滑块(60)的运动位移，t为时间，m为浮动滑块(60)的质量，g为浮动滑块(60)的重力系数，k₁和k₂分别为第一弹簧(40)和第二弹簧(80)的刚度系数，c₁和c₂分别为第一弹簧(40)和第二弹簧(80)的阻尼系数，δ_st＝mg/(k₁+k₂)。

3.根据权利要求2所述的振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，步骤二中，根据浮动滑块(60)的运动微分方程，得到浮动滑块(60)的三种阻尼情形的运动位移如下，

对于小阻尼情形，当时，有：

其中A和θ为积分常数，由浮动滑块(60)的运动初始位置和速度确定；

对于临界阻尼情形，当时，有：

其中C₁和C₂为积分常数，由浮动滑块(60)的运动初始位置和速度确定；

对于大阻尼情形，当时，有：

其中C₁和C₂为积分常数，由浮动滑块(60)的运动初始位置和速度确定。

4.根据权利要求3所述的振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，浮动滑块(60)与叉指电极组摩擦发电所输出的电流I和输出的电压V₁分别为，

其中，浮动滑块(60)凸起面积为A，电荷密度为σ，浮动滑块(60)运动位移为x，ε为材料介电常数。

5.根据权利要求4所述的振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，根据浮动滑块(60)质量m，第一弹簧(40)和第二弹簧(80)的刚度系数k₁和k₂，第一弹簧(40)和第二弹簧(80)的阻尼系数c₁和c₂中的任意两者确定另一者。

6.根据权利要求1所述的振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，根据圆盘弹性变形理论和步骤三中的受力变形分析模型，得到第一压电片(20)或第二压电片(90)上任一点位置的变形和所受弯矩：

其中，r，θ分别为径向坐标和周向坐标，w为变形量，D为抗弯强度E为材料弹性模量，μ为泊松比，t为板厚，M为弯矩，Q为正压力。