一种旋转环境中多稳态能量俘获试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术是关于一种旋转环境中多稳态能量俘获试验装置，其包括：试验装置台架、运动组件、俘能器、信号采集与传输组件、控制组件和辅助组件。整体工作原理图如图1所示。采用伺服电机作为旋转运动的驱动动力源，电机输出端通过联轴器与转动轴连接，转动轴通过中间法兰设计与旋转平面连接，为旋转平面提供动力，实现了试验装置不同转速的运动。同时上部旋转部件通过连接板与振动台连接，振动台提供不同外界激励。该发明专利技术装置可以设定不同转速的旋转运动，以及不同形式的外界激励，模拟旋转环境中不同激励工况，以研究多稳态俘能器在不同工况下能量俘获特性及其动力学性能分析。其试验台结构简单、操作方便，可以精确控制其运动参数，同时试验台架设计加工精度高，保证此试验装置在高速旋转环境中的可靠性与平稳性。

A Multistable Energy Capture Test Device in Rotating Environment

The invention relates to a multi-stable energy capture test device in a rotating environment, which comprises a test device bench, a motion component, a trapper, a signal acquisition and transmission component, a control component and an auxiliary component. The overall working principle diagram is shown in Figure 1. Servo motor is used as the driving power source of rotating motion. The output end of the motor is connected with the rotating shaft through the coupling. The rotating shaft is designed and connected with the rotating plane through the middle flange, which provides power for the rotating plane and realizes the movement of the test device at different rotating speeds. At the same time, the upper rotating parts are connected with the shaking table through the connecting plate, and the shaking table provides different external excitation. The device can set different rotational speeds, as well as different forms of external excitation to simulate different excitation conditions in rotating environment, in order to study the energy capture characteristics and dynamic performance of multi-stable trap under different conditions. The test-bed is simple in structure and easy to operate. It can accurately control its motion parameters. At the same time, the design and processing accuracy of the test-bed is high, which ensures the reliability and stability of the test-bed in high-speed rotating environment.

【技术实现步骤摘要】
一种旋转环境中多稳态能量俘获试验装置
本专利技术关于一种旋转环境中多稳态能量俘获试验装置，主要用于模拟多稳态俘能器在旋转环境中的能量俘获过程，同时对其能量俘获与力学运动特性等进行实时测量，为旋转环境中的多稳态俘能器设计提供技术指导和实验验证。
技术介绍
传感器监测是一种实时可靠的健康监测方式，传感器技术的发展，推动了物联网(IOT)技术的进步。然后传统传感器技术主要是采用有线方式或者电池对传感器进行电力供应，面临问题如下：①有线方式供电受工作环境、布线空间等因素限制；②电池供电方式需要定期更换电池，增加操作成本和带来环境污染等问题。随着电子工业水平的发展，低能耗无线传感器技术得到了十足的发展与进步。目前，无线传感器的组成模块封装在壳体内，由电池或者俘能器提供电源，实现无线传感器节点的数据采集与传输，对于监测部件的健康状况进行实时监测。绿色低碳环保成为了未来社会发展必然趋势，近几年可再生能源技术受到了众多学者研究兴趣和政府政策支持。基于俘能器的能量俘获技术主要是将环境中不能存储的能量，如热能、机械能、光能、声能等，转化为电能的形式存储。随着压电晶体材料的飞速发展，基于正压电效应的俘能器成为了一种环境中振动机械能俘获的有效途径。如何提高俘能器的能量俘获效率成为了重要的研究议题。传统的线性俘能器工作频带有限，即只在其共振频率附近才有较高能量转化效率。环境中的振动能量为宽频带的随机振动，为了让俘能器环境中在较宽频率范围有较高的能量俘获效率，基于磁力多稳态特性和结构多自由度特性的俘能器成为了研究热点。目前多稳态俘能器主要研究集中于平面内振动能量俘获，然而针对在旋转环境中的多稳态俘能器少有人研究，为了研究其能量俘获特性及其动力学特性，有必要搭建旋转环境中多稳态能量俘获试验装置。
技术实现思路
本专利技术是关于一种旋转环境中多稳态能量俘获试验装置，该装置可以设定不同转速的旋转运动，以及不同形式的外界激励，模拟旋转环境中不同激励工况，研究多稳态俘能器在不同工况下的能量俘获特性及其动力学特性。其试验台结构简单、操作方便，可以精确控制其旋转速度和外界激励形式，包括随机激励和正弦激励等形式。本专利技术是一种旋转环境中多稳态能量俘获试验装置，见附图2，所述的试验装置包括：旋转平面，其由铝材设计加工而成。见附图3，旋转平面上安装两个不同的多稳态俘能器和激光传感器。旋转平面通过联轴器与伺服电机相连，用于模拟不同的旋转速度。同时旋转平面设计为对称布局，最后需对其做动平衡校准。多稳态俘能器，见附图4。通过夹具安装在旋转平面上随其一起转动，转动机械能和外加振动源振动能让俘能器的悬臂梁发生振动，安装在悬臂梁末端的压电片在正压电效应作用下将振动能量转化为电能，电能可以用于无线传感器等低能耗电子设备。外部磁铁，其固定在夹具上，外部磁铁(B&C)与俘能器悬臂梁的磁铁A间的非线性磁力相互作用，因此俘能器具有多稳态特性，能够实现在较宽频率范围内有较高能量俘获效率。激光传感器，其安装在旋转平面上随其一起转动，用于测量俘能器的悬臂梁动力学特性。夹具，主要是用于多稳态俘能器系统固定在旋转平面上，采用连接螺栓与旋转平面连接。电滑环，用于旋转平面转动时，传输功率电源和采集信号。见附图5，其机构主要由转子和定子构成，其分别引出导线连接旋转平面和固定结构，转子部分导线随着旋转平面一起转动，定子部分导线静止不动，构成了稳定可靠的旋转连通系统。试验台支撑架，其由铝材设计加工而成，支撑架主要是用于支撑伺服电机和动力输出轴，设计结实可靠且同轴心度较高，保证试验台运转平稳。伺服电机，采用伺服电机作为旋转运动的驱动动力源，电机输出端通过联轴器与转动轴连接，转动轴通过中间法兰设计与旋转平面连接，为旋转平面提供动力，实现了旋转平面不同转速的运动。伺服电机控制器，其为与伺服电机配套的控制器，主要用于伺服电机转速、方向、角度、响应时间等参数控制。见附图1，伺服电机控制器受人工预设指令和伺服电机内置传感器反馈信号协同控制，实现在不同转速及外界激励情况下平稳运行。联轴器，连接伺服电机输出轴与转动轴，目的是为了把伺服电机的动力源输出传送到转动轴，使其带动旋转平面实现旋转转动。轴承，安装在转动轴上，为了对转动轴实现定位，同时安装试验台支撑架，保证旋转平面的旋转运动高速平稳。连接板，主要功能为连接试验台和振动台，振动台的外界激励能够传递到转动试验平台。连接板厚度较厚，避开了与振动台外界激励的共振频率。数据采集系统，其包括激光传感器、数据采集卡、示波器等。激光传感器用于测量多稳态俘能器的悬臂梁振动位移，从而分析其多稳态力学特性。数据采集卡主要采集激光传感器数据和俘能器电压输出数据。相关辅助实验部件，起到实验的辅助和便利作用。本专利技术的试验装置的特点与优点为：可以模拟多稳态俘能器在旋转环境中能量俘获过程，同时可精确控制旋转速度、旋转加速过程和减速过程和外界激励形式(随机激励和正弦激励)，为多稳态俘能器在旋转环境中实验验证提供了实验平台。首先：在旋转平面上安装多稳态俘能器，调节外部磁铁B和C的间距2h，同时调节俘能器悬臂梁上磁铁A的外部磁体B&C的间距d,让俘能器出现多稳态特性。俘能器压电导线与电滑环的转子部分导线连接好。然后：连接伺服电机与伺服电机控制器，确认电机输出轴与转动轴间联轴器连接完好，通过螺栓固定连接板和振动台。最后：设定伺服电机运转参数，让伺服电机带动旋转平面转动。同时设定振动台的外界激励参数，让振动台为试验台提供外部振动源。通过电机控制器设定不同旋转速度，模拟俘能器在不同转速下能量俘获特性。同时也可以设定外界激励参数，模拟不同激励源作用下俘能器特性。同时也可以通过调节俘能器结构参数，俘能器能呈现不同的多稳态特性。本专利技术通过伺服电机控制器对旋转平面的旋转速度、旋转加速度进行控制，伺服电机为动力源驱动，使安装在旋转平面上多稳态俘能器做旋转运动，模拟其在旋转环境中的旋转机械能回收过程。同时还可以提供外界激励振动源，可以模拟有外界激励源旋转环境中多稳态俘能器能量俘获过程。本专利技术试验装置，移动拆装方便，且试验工况可以精确控制，同时采集实验数据，为旋转环境中俘能器的设计提供了参考和基础。附图说明为了更加清楚说明本专利技术专利中的技术方案，同时让相关人员更好了解本试验装置，下面对本专利技术中关键部件及其组合附图做简单介绍。以下附图仅旨在对本专利技术做示意性说明与解释。图1为本专利技术旋转环境中多稳态能量俘获试验装置工作原理示意图及布局图。图2为本专利技术旋转环境中多稳态能量俘获试验装置三维模型图。图3为本专利技术的旋转平面结构示意图。图4为本专利技术多稳态俘能器结构示意图。图5为本专利技术用于旋转平面与固定平面导线连接的电滑环结构示意图。组件符号说明：1……试验装置台架2……运动组件3……俘能器4……信号采集与传输组件5……控制组件6……辅助组件21……伺服电机22……联轴器23……转动轴24……轴承25……旋转平面26……振动台31……悬臂梁32……压电片33……永磁铁41……激光传感器42……电滑环43……电滑环定子44……电滑环转子45……导线46……信号采集系统51……伺服电机控制器52……电机参数设置软件53……振动台控制器54……振动台参数设置软件55……小型断路器56……加速度传感器61……夹具62本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转环境中多稳态能量俘获试验装置，其特征在于，所述的试验装置包括：(1)试验装置台架。(2)试验运动组件，其安装在所述的试验装置台架上，所述试验运动组件主要包括：伺服电机、联轴器、转动轴、轴承、旋转平面和振动台，上部旋转部件由伺服电机驱动，并通过连接板与振动台连接。(3)能量俘获器，其为实验对象，安装在旋转平面上，所述俘能系统组件主要包括：悬臂梁、压电片和永磁铁。(4)信号采集与传输组件，其包括激光传感器、电滑环、电滑环定子、电滑环转子、导线和信号采集系统。激光传感器通过螺栓固定在旋转平面上，用于测量能量俘获器的悬臂梁在旋转运动和外界激励下振动位移信号，采集到位移信号输出到信号采集系统。(5)控制组件，为整个实验装置的控制中心。所述控制组件主要包括：伺服电机控制器、电机参数设置软件、振动台控制器、振动台参数设置软件、小型断路器和加速度传感器。(6)试验辅助组件，其包括：夹具、连接板、导线固定匝带和连接螺栓等。用于辅助安装及连接装置，旋转部件上的所有导线需要用导线固定匝带固定好，保证所有部件连接可靠且周围无障碍物阻挡旋转运动。

【技术特征摘要】
1.一种旋转环境中多稳态能量俘获试验装置，其特征在于，所述的试验装置包括：(1)试验装置台架。(2)试验运动组件，其安装在所述的试验装置台架上，所述试验运动组件主要包括：伺服电机、联轴器、转动轴、轴承、旋转平面和振动台，上部旋转部件由伺服电机驱动，并通过连接板与振动台连接。(3)能量俘获器，其为实验对象，安装在旋转平面上，所述俘能系统组件主要包括：悬臂梁、压电片和永磁铁。(4)信号采集与传输组件，其包括激光传感器、电滑环、电滑环定子、电滑环转子、导线和信号采集系统。激光传感器通过螺栓固定在旋转平面上，用于测量能量俘获器的悬臂梁在旋转运动和外界激励下振动位移信号，采集到位移信号输出到信号采集系统。(5)控制组件，为整个实验装置的控制中心。所述控制组件主要包括：伺服电机控制器、电机参数设置软件、振动台控制器、振动台参数设置软件、小型断路器和加速度传感器。(6)试验辅助组件，其包括：夹具、连接板、导线固定匝带和连接螺栓等。用于辅助安装及连接装置，旋转部件上的所有导线需要用导线固定匝带固定好，保证所有部件连接可靠且周围无障碍物阻挡旋转运动。2.如权利要求1所述的旋转环境中多稳态能量俘获试验装置，其特征在于，所述伺服电机通过法兰连接板固定在试验台架上，通过连轴器连接转动轴带动旋转平面部件做旋转运动。同时，上部旋转部件通过连接板与振动台螺栓固定连接，振动台给能量俘获器提供外界激励。3.如权利要求2所述的旋转环境中多稳态能量俘获试验装置，其特征在于，通过电机参数设置软件设...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅旭涛，周生喜，杨智春，中野公彦，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61