本發明專利技術公開了一種振動能量采集裝置的設計方法，包括：振動能量采集裝置包括：浮動滑塊、第一壓電片、第二壓電片、第一彈簧、第二彈簧和叉指電極組，設計方法包括：構建浮動滑塊的振動模型；根據振動模型得到不同阻尼情形下浮動滑塊的運動位移；構建第一壓電片或第二壓電片的受力變形分析模型；根據受力變形分析模型得到第一壓電片或第二壓電片上任一點位置的變形和所受彎矩；結合輸出的電流和電壓確定浮動滑塊、第一壓電片、第二壓電片、第一彈簧、第二彈簧的相關參數。本發明專利技術根據無線傳感器需要的功率要求，來設計浮動滑塊、第一壓電片、第二壓電片、第一彈簧、第二彈簧的相關參數，確保振動能量采集裝置能夠滿足自供能的使用要求。振動能量采集裝置能夠滿足自供能的使用要求。振動能量采集裝置能夠滿足自供能的使用要求。
【技術實現步驟摘要】
振動能量采集裝置的設計方法、無線傳感器
[0001]本專利技術屬于發電裝置
，具體涉及一種振動能量采集裝置的設計方法、無線傳感器。
技術介紹
[0002]無線傳感器系統是通過將具備感知、存儲、無線通信等功能的傳感器部署在目標監測區域從而完成預定的傳感監測任務。目前，傳統的無線傳感器都是采用電池供電，這會帶來如電池更換難、環境污染等諸多問題。另一方面，現有的一些能量采集裝置所采集的能量轉換為電能后無法滿足無線傳感器的自供能。
技術實現思路
[0003]本專利技術旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。
[0004]為此，本專利技術提出一種振動能量采集裝置的設計方法，該振動能量采集裝置的設計方法具有設計出滿足無線傳感器自供能的優點。
[0005]根據本專利技術實施例的振動能量采集裝置的設計方法，包括：所述振動能量采集裝置包括：浮動滑塊，所述浮動滑塊根據受到的振動能量產生振動；第一壓電片，所述第一壓電片設于所述浮動滑塊的一側；第二壓電片，所述第二壓電片設于所述浮動滑塊遠離所述第一壓電片的一側；第一彈簧，所述第一彈簧將所述浮動滑塊與所述第一壓電片彈性連接在一起；第二彈簧，所述第二彈簧將所述浮動滑塊與所述第二壓電片彈性連接在一起；叉指電極組，所述叉指電極組套設在所述浮動滑塊的外周面，所述浮動滑塊振動時，所述浮動滑塊與所述叉指電極組產生摩擦而發電，所述第一壓電片和所述第二壓電片產生變形而發電；所述設計方法包括：步驟一、構建浮動滑塊的振動模型；步驟二、根據振動模型得到不同阻尼情形下浮動滑塊的運動位移；步驟三、構建第一壓電片或第二壓電片的受力變形分析模型；步驟四、根據受力變形分析模型得到第一壓電片或第二壓電片上任一點位置的變形和所受彎矩；步驟五、結合輸出的電流和電壓確定浮動滑塊、第一壓電片、第二壓電片、第一彈簧、第二彈簧的相關參數。
[0006]根據本專利技術一個實施例，根據步驟一中的振動模型，得到浮動滑塊的運動微分方程為：
[0007][0008]其中，x為浮動滑塊的運動位移，t為時間，m為浮動滑塊的質量，g為浮動滑塊的重力系數，k1和k2分別為第一彈簧和第二彈簧的剛度系數，c1和c2分別為第一彈簧和第二彈簧的阻尼系數，δ
st
＝mg/(k1+k2)。
[0009]根據本專利技術一個實施例，步驟二中，根據浮動滑塊的運動微分方程，得到浮動滑塊的三種阻尼情形的運動位移如下，
[0031][0032][0033]其中，壓電片的壓電常數d
33
，作用在壓電片表面作用力W，壓電片作用力施加的區域面積A2，壓電片厚度h，外接電容的電容量C
p
；
[0034]結合第一壓電片或第二壓電片上任一點位置的變形和所受彎矩，根據壓電片厚度h、壓電片的壓電常數d
33
、壓電片作用力施加的區域面積A2中的兩者確定另一者。
[0035]根據本專利技術一個實施例，所述浮動滑塊的外周面與所述叉指電極組之間具有間隙，所述間隙與所述浮動滑塊半徑的比值為0.2％
?
0.4％。
[0036]根據本專利技術一個實施例，所述叉指電極組包括：第一叉指電極和第二叉指電極，所述第二叉指電極的叉指與所述第一叉指電極的叉指交錯布置；所述浮動滑塊的外周面上開設有多個環形凹槽，多個所述環形凹槽沿所述浮動滑塊的軸線方向均勻布置，所述環形凹槽的寬度等于相鄰兩個叉指之間的距離與一個叉指的寬度之和，相鄰兩個所述環形凹槽之間的距離等于所述環形凹槽的寬度。
[0037]根據本專利技術一個實施例，一種無線傳感器，采用上述的振動能量采集裝置對振動能量進行采集以實現自供能。
[0038]本專利技術的有益效果是，本專利技術將摩擦發電效應和壓電效應相結合，通過振動能量采集裝置將接收到的振動能量轉換為電能，從而實現無線傳感器的自供能，無需更換電池，更加環保可靠，根據無線傳感器需要的功率要求，來設計浮動滑塊、第一壓電片、第二壓電片、第一彈簧、第二彈簧的相關參數，確保振動能量采集裝置能夠滿足自供能的使用要求。
[0039]本專利技術的其他特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本專利技術而了解。本專利技術的目的和其他優點在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
[0040]為使本專利技術的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
[0041]本專利技術的上述和/或附加的方面和優點從下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
[0042]圖1是根據本專利技術的振動能量采集裝置的立體結構示意圖；
[0043]圖2是根據本專利技術的振動能量采集裝置的半剖結構示意圖；
[0044]圖3是根據本專利技術的振動能量采集裝置的工作原理示意圖；
[0045]圖4是根據本專利技術的振動能量采集裝置中浮動滑塊的振動模型；
[0046]圖5是根據本專利技術的振動能量采集裝置中第一壓電片或第二壓電片的受力變形分析模型；
[0047]附圖標記：
[0048]第一封蓋10、第一壓電片20、殼體30、第一彈簧40、第一叉指電極50、浮動滑塊60、第二叉指電極70、第二彈簧80、第二壓電片90、第二封蓋100。
具體實施方式
[0049]下面詳細描述本專利技術的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本專利技術，而不能理解為對本專利技術的限制。
[0050]在本專利技術的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本專利技術和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本專利技術的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本專利技術的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
[0051]在本專利技術的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本專利技術中的具體含義。
[0052]下面參考附圖具體描述本專利技術實施例的振動能量采集裝置的設計方法。
[0053]如圖1至圖3所示，根據本專利技術實施例的振動能量采集裝置的設計方法，包括：振動能量采集裝置包括：浮動滑塊60，第一壓電片20，第二壓電片本文檔來自技高網...
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種振動能量采集裝置的設計方法，其特征在于，所述振動能量采集裝置包括：浮動滑塊(60)，所述浮動滑塊(60)根據受到的振動能量產生振動；第一壓電片(20)，所述第一壓電片(20)設于所述浮動滑塊(60)的一側；第二壓電片(90)，所述第二壓電片(90)設于所述浮動滑塊(60)遠離所述第一壓電片(20)的一側；第一彈簧(40)，所述第一彈簧(40)將所述浮動滑塊(60)與所述第一壓電片(20)彈性連接在一起；第二彈簧(80)，所述第二彈簧(80)將所述浮動滑塊(60)與所述第二壓電片(90)彈性連接在一起；叉指電極組，所述叉指電極組套設在所述浮動滑塊(60)的外周面，所述浮動滑塊振動時，所述浮動滑塊(60)與所述叉指電極組產生摩擦而發電，所述第一壓電片(20)和所述第二壓電片(90)產生變形而發電；所述設計方法包括：步驟一、構建浮動滑塊(60)的振動模型；步驟二、根據振動模型得到不同阻尼情形下浮動滑塊(60)的運動位移；步驟三、構建第一壓電片(20)或第二壓電片(90)的受力變形分析模型；步驟四、根據受力變形分析模型得到第一壓電片(20)或第二壓電片(90)上任一點位置的變形和所受彎矩；步驟五、結合輸出的電流和電壓確定浮動滑塊(60)、第一壓電片(20)、第二壓電片(90)、第一彈簧(40)、第二彈簧(80)的相關參數。2.根據權利要求1所述的振動能量采集裝置的設計方法，其特征在于，根據步驟一中的振動模型，得到浮動滑塊(60)的運動微分方程為：其中，x為浮動滑塊(60)的運動位移，t為時間，m為浮動滑塊(60)的質量，g為浮動滑塊(60)的重力系數，k1和k2分別為第一彈簧(40)和第二彈簧(80)的剛度系數，c1和c2分別為第一彈簧(40)和第二彈簧(80)的阻尼系數，δ
st
＝mg/(k1+k2)。3.根據權利要求2所述的振動能量采集裝置的設計方法，其特征在于，步驟二中，根據浮動滑塊(60)的運動微分方程，得到浮動滑塊(60)的三種阻尼情形的運動位移如下，對于小阻尼情形，當時，有：其中A和θ為積分常數，由浮動滑塊(60)的運動初始位置和速度確定；對于臨界阻尼情形，當時，有：其中C1和C2為積分常數，由浮動滑塊(60)的運動初始位置和速度確定；
對于大阻尼情形，當時，有：其中C1和C2為積分常數，由浮動滑塊(60)的運動初始位置和速度確定。4.根據權利要求3所述的振動能量采集裝置的設計方法，其特征在于，浮動滑塊(60)與叉指電極組摩擦發電所輸出的電流...
【專利技術屬性】
技術研發人員：高帥，孟力，王飛彪，劉志，
申請(專利權)人：頻率探索智能科技江蘇有限公司，
類型：發明
國別省市：
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