[发明专利]振动能量采集装置的设计方法、无线传感器

说明书

本发明公开了一种振动能量采集装置的设计方法，包括：振动能量采集装置包括：浮动滑块、第一压电片、第二压电片、第一弹簧、第二弹簧和叉指电极组，设计方法包括：构建浮动滑块的振动模型；根据振动模型得到不同阻尼情形下浮动滑块的运动位移；构建第一压电片或第二压电片的受力变形分析模型；根据受力变形分析模型得到第一压电片或第二压电片上任一点位置的变形和所受弯矩；结合输出的电流和电压确定浮动滑块、第一压电片、第二压电片、第一弹簧、第二弹簧的相关参数。本发明根据无线传感器需要的功率要求，来设计浮动滑块、第一压电片、第二压电片、第一弹簧、第二弹簧的相关参数，确保振动能量采集装置能够满足自供能的使用要求。

技术领域

本发明属于发电装置技术领域，具体涉及一种振动能量采集装置的设计方法、无线传感器。

背景技术

无线传感器系统是通过将具备感知、存储、无线通信等功能的传感器部署在目标监测区域从而完成预定的传感监测任务。目前，传统的无线传感器都是采用电池供电，这会带来如电池更换难、环境污染等诸多问题。另一方面，现有的一些能量采集装置所采集的能量转换为电能后无法满足无线传感器的自供能。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提出一种振动能量采集装置的设计方法，该振动能量采集装置的设计方法具有设计出满足无线传感器自供能的优点。

根据本发明实施例的振动能量采集装置的设计方法，包括：所述振动能量采集装置包括：浮动滑块，所述浮动滑块根据受到的振动能量产生振动；第一压电片，所述第一压电片设于所述浮动滑块的一侧；第二压电片，所述第二压电片设于所述浮动滑块远离所述第一压电片的一侧；第一弹簧，所述第一弹簧将所述浮动滑块与所述第一压电片弹性连接在一起；第二弹簧，所述第二弹簧将所述浮动滑块与所述第二压电片弹性连接在一起；叉指电极组，所述叉指电极组套设在所述浮动滑块的外周面，所述浮动滑块振动时，所述浮动滑块与所述叉指电极组产生摩擦而发电，所述第一压电片和所述第二压电片产生变形而发电；所述设计方法包括：步骤一、构建浮动滑块的振动模型；步骤二、根据振动模型得到不同阻尼情形下浮动滑块的运动位移；步骤三、构建第一压电片或第二压电片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或第二压电片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、第一压电片、第二压电片、第一弹簧、第二弹簧的相关参数。

根据本发明一个实施例，根据步骤一中的振动模型，得到浮动滑块的运动微分方程为：

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

根据本发明一个实施例，步骤二中，根据浮动滑块的运动微分方程，得到浮动滑块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，由浮动滑块的运动初始位置和速度确定。