【微型壓電俘能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例3100字】

微型壓電俘能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23088微型壓電俘能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例 1242841.1壓電俘能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理 1291151.2小球的運(yùn)動(dòng)情況分析 41.1壓電俘能裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理人體的運(yùn)動(dòng)具有多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式，例如肢體的擺動(dòng)，肘部的屈伸、腳跟的踩踏等等。從查閱到的文獻(xiàn)來(lái)看，利用人體下肢的機(jī)械能來(lái)獲得電能的研究較多，且多數(shù)俘能器只能感知單一方向加速度激勵(lì)，因此本文提出可以感知兩個(gè)正交方向加速度激勵(lì)的便攜式壓電俘能器。人在行走過(guò)程中由于四肢的擺動(dòng)，人的橈骨、脛骨方向都存在加速度激勵(lì)和擺動(dòng)激勵(lì)。加速度激勵(lì)是由于四肢的抬起落下引起的，擺動(dòng)激勵(lì)是由于四肢前后擺動(dòng)引起的。在實(shí)際中這兩個(gè)激勵(lì)通常是疊加在一起的，研究中通常分解成兩個(gè)相交的方向的激勵(lì)。本文中四肢擺動(dòng)的方向用x軸表示，沿橈骨、脛骨的方向用z軸表示。本文提出的便攜式壓電俘能器的結(jié)構(gòu)圖，如圖1.1所示。圖1.1壓電俘能器結(jié)構(gòu)圖：（a）原理圖；（b）前視圖。該便攜式壓電俘能器主要由兩個(gè)壓電懸臂梁、一個(gè)小鐵球以及一根套管組成。套管的直徑比小球的直徑略大，小球可以在套管中來(lái)回自由滾動(dòng)。每根壓電梁的自由端都有一塊圓片磁鐵作為俘能系統(tǒng)的磁性質(zhì)量塊。在磁力吸引的作用下小球和壓磁性質(zhì)量塊之間可以相互作用。兩根壓電梁可以感知z軸方向的振動(dòng)，將外界激勵(lì)轉(zhuǎn)化為電能。小球可以感知x軸方向的加速度，并通過(guò)小球和壓電梁之間的磁力耦合作用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電梁振動(dòng)，起到升頻的作用。當(dāng)便攜式壓電俘能器隨人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，在x、z軸方向上加速度的激勵(lì)作用下壓電懸臂梁可以高頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人體機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計(jì)的微型壓電俘能裝置的工作原理如圖1.1（b）所示，當(dāng)壓電俘能器放置在人體四肢時(shí)，隨著肢體擺動(dòng)，小球在x軸方向加速度激勵(lì)、重力分力以及磁力的作用下，由套管后端想套管前端運(yùn)動(dòng)，并分別激發(fā)A1梁和A2梁振動(dòng)。隨著肢體的擺動(dòng)，小球又在重力的作用下由套管前端滾向套管后端，并再次分別激發(fā)A2梁和A1梁振動(dòng)。在此過(guò)程中A1梁和A2梁時(shí)刻也受到z軸方向的加速度激勵(lì)的作用振動(dòng)。在x、z主軸方向加速度的激勵(lì)的共同作用，壓電俘能器將在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)獲得多個(gè)較大峰值電壓。由上述俘能器的工作原理可知小球與磁性質(zhì)量塊之間磁力的大小將直接影響到壓電俘能器的俘能特性。因此設(shè)計(jì)中需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是確定小球和磁性質(zhì)量塊之間的距離。如果間距過(guò)大，小球和磁性質(zhì)量塊之間的磁力就會(huì)過(guò)小，磁力耦合作用就弱，轉(zhuǎn)換的動(dòng)能就小，發(fā)電效率就低；若果間距過(guò)小，磁力就會(huì)過(guò)大，磁性質(zhì)量塊對(duì)小球的吸引力就越大，小球就很難擺脫磁力的束縛在套管中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所設(shè)計(jì)的壓電俘能器也就無(wú)法正常工作。因此設(shè)計(jì)時(shí)要確保壓電梁磁性質(zhì)量塊與小球間的距離在一個(gè)合理的范圍。磁性質(zhì)量塊與小球之間的磁力和兩者之間距離的關(guān)系是非線性關(guān)系，壓電梁的彈性恢復(fù)力與磁性質(zhì)量塊偏移的距離d成正比，如圖1.2所示。圖1.2磁力、彈性恢復(fù)力與距離之間的關(guān)系磁鐵與小鐵球間的磁力的理論計(jì)算公式較為復(fù)雜，由于磁鐵的參數(shù)不能獲得準(zhǔn)確值，且由于磁鐵尺寸較小，參數(shù)值不準(zhǔn)確，因此不能通過(guò)公式計(jì)算出磁力的準(zhǔn)確值，如果距離d較大，例如d=d1，在這種情況下，在d5到d1范圍內(nèi)磁力要大于恢復(fù)力，在磁力的作用下，當(dāng)小球滾過(guò)磁性質(zhì)量塊附近時(shí),磁性質(zhì)量塊會(huì)被磁力吸引使壓電梁產(chǎn)生偏移，這一過(guò)程中磁力和彈性恢復(fù)力均在增大，不考慮壓電梁自由端的減速，此時(shí)偏移的最大距離為d1-d5，若該偏移距離值較小，則產(chǎn)生的電能也很小。為使壓電梁自由端的偏移量增大獲得更多電能，需要適當(dāng)減小d值。假如d=d3，彈性恢復(fù)力過(guò)小，磁力過(guò)大，小球會(huì)被壓電梁自由端磁鐵吸附住，小球的運(yùn)動(dòng)與壓電梁的振動(dòng)都會(huì)受阻，這將嚴(yán)重影響到俘能器的發(fā)電性能。距離d為理想值的情況下，壓電梁自由端偏移距離大，且在偏移距離最大時(shí)磁力和彈性恢復(fù)力的大小相等。如圖1.2中所示，當(dāng)d=d4時(shí)，彈性恢復(fù)力直線與磁力曲線相切，此時(shí)，壓電梁的自由端偏移距離大小為d2-d4，此時(shí)小球與磁性質(zhì)量塊分離最容易。從圖1.2可以看到磁力的增長(zhǎng)率遠(yuǎn)超過(guò)彈性恢復(fù)力的增長(zhǎng)率，如果繼續(xù)增加偏移量又會(huì)出現(xiàn)小球的運(yùn)動(dòng)和壓電梁振動(dòng)均受阻的現(xiàn)象，因此磁鐵與小球間的距離最理想值為d2。雖然在實(shí)際制作樣機(jī)的過(guò)程中間距要?jiǎng)偤脼槔硐胫递^困難，但只要在d2值上下小范圍浮動(dòng)（如圖1.2中虛線所示），就能保證所設(shè)計(jì)的便攜式壓電俘能器正常工作。在確定小球的大小、壓電懸臂梁的剛度以及采用的磁鐵規(guī)格后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)將距離定為2mm左右比較合適。即可以保證小球滾過(guò)壓電懸臂梁自由端時(shí)可以將其吸引下來(lái)，又能在受到擺動(dòng)后兩者迅速分離。另外在制作壓電懸臂梁時(shí)，選用的銅片的剛度也要選取合適，剛度過(guò)大磁力作用將無(wú)法使梁彎曲變形，剛度過(guò)小壓電梁容易折斷。圖1.3為微型壓電俘能裝置設(shè)計(jì)。圖1.3微型壓電俘能裝置設(shè)計(jì)圖1.2小球的運(yùn)動(dòng)情況分析利用x軸方向上的激勵(lì)獲得電能主要是通過(guò)小球在套管內(nèi)來(lái)回運(yùn)動(dòng)并激發(fā)壓電懸臂梁振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。從所設(shè)計(jì)的便攜式壓電俘能器的工作原理來(lái)看，小球的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)壓電俘能器發(fā)電性能影響較大。了解小球在套管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況十分必要，這一小節(jié)將對(duì)小球的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行研究分析。在研究小球在套管擺動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況前，先簡(jiǎn)單了解一下小球在平面上的運(yùn)動(dòng)情況。設(shè)小球在平面沿直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)小球的半徑為R，球心的速度為v，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω，小球與平面間的接觸為剛性接觸，接觸點(diǎn)為A。小球上A點(diǎn)的速度大小將直接決定小球的運(yùn)動(dòng)情況。小球在A點(diǎn)的速度v1可以通過(guò)基點(diǎn)法求得。小球的運(yùn)動(dòng)情況有以下如圖1.3所示的幾種情況：圖1.4小球的幾種滾動(dòng)情況當(dāng)v>Rω時(shí)，小球上A點(diǎn)相對(duì)于有機(jī)玻璃平面的滑動(dòng)速度v1向右，因此，有機(jī)玻璃平面對(duì)小球的動(dòng)滑動(dòng)摩擦力Fs向左，這時(shí)小鐵球的瞬心B在接觸點(diǎn)A以下，小球的運(yùn)動(dòng)形式為有滑滾動(dòng)。當(dāng)v<Rω時(shí)，小鐵球上A點(diǎn)相對(duì)于有機(jī)玻璃平面的滑動(dòng)速度v1向左，因此，有機(jī)玻璃平面對(duì)小鐵球的動(dòng)滑動(dòng)摩擦力Fs向右，這時(shí)小球的瞬心B在接觸點(diǎn)A以上，這時(shí)小球的運(yùn)動(dòng)形式也為有滑滾動(dòng)，只不過(guò)是在接觸點(diǎn)A向左滑。當(dāng)v=Rω時(shí)，小球上A點(diǎn)相對(duì)于有機(jī)玻璃平面的滑動(dòng)速度v1為零，這時(shí)小鐵球的瞬心B就在接觸點(diǎn)A處，這時(shí)候小球的運(yùn)動(dòng)形式為純滾動(dòng)，這時(shí)的滑動(dòng)摩擦力要根據(jù)其它的條件才能確定。對(duì)于平面上的小球的運(yùn)動(dòng)情況分析有了一個(gè)清楚的了解，接下來(lái)分析小球在斜面上的運(yùn)動(dòng)情況。假設(shè)小球的初始位置在套管后端，套管與水平方向的夾角為θ，小球即將與套管后端擋板即將分離時(shí)的受力情況如圖1.4所示。圖1.5小球在套管內(nèi)的受力分析小球受到三個(gè)方向上的力的共同作用，套管對(duì)小球沿z軸方向的支撐力F1，套管端口擋板對(duì)小鐵球沿x軸方向的推力F2以及小球與套管之間的摩擦力Fs，小鐵球自身豎直向下的重力M0g，圖中C點(diǎn)為小球與套管內(nèi)壁的接觸點(diǎn)。通過(guò)對(duì)小球的受力分析有以下幾個(gè)等式成立：(1.1)(1.2)(1.3)其中F1為套管內(nèi)壁對(duì)小球的支撐力，F(xiàn)2為套管后端對(duì)小球的推力，F(xiàn)x,1、Fz,1分別為x、z軸方向A1梁端磁鐵與小球間的磁力，F(xiàn)x,2、Fz,2分別為x、z軸方向A2梁端磁鐵與小球間的磁力，μ為摩擦系數(shù)。由質(zhì)心的平動(dòng)定理和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量定理可得到以下方程：(1.4)(1.5)球體在斜面上做純滾動(dòng)時(shí)需要滿足以下條件：(1.6)假設(shè)小球在套管中的運(yùn)動(dòng)為純滾動(dòng)，則其純滾動(dòng)臨界摩擦系數(shù)可以從公式中推導(dǎo)出。由上面（3-1）至（3-5）五個(gè)式子可以得到：(1.7)從下一小節(jié)對(duì)磁力的測(cè)量與擬合可得到，此時(shí)小球所處位置（球心與A1壓電懸臂梁末端磁鐵沿x軸方向上的距離為5mm）的磁力Fz,2<Fz,1，x軸方向上的磁力Fx,1約為15mN，F(xiàn)x,2非常小，可以忽略不計(jì)，M0=2.09g。因?yàn)?1.8)當(dāng)ax>7.17m/s2時(shí)所以