一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法，包括能量采集装置以及与所述能量采集装置连接的能量管理电路；所述能量采集装置包括载物台、弹簧、阻尼计、悬块和压电材料；所述弹簧的第一端与所述载物台固定连接；所述弹簧的第二端与所述悬块的底部固定连接，且位于所述悬块底部的中心区域；所述压电材料和所述阻尼计对称设置在所述载物台与所述悬块之间的间隙中，且所述压电材料的厚度与该间隙的高度保持一致。在保证压电材料电压电流输出特性的同时，提高了计算速度和效率。提高了计算速度和效率。提高了计算速度和效率。

【技术实现步骤摘要】
一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法


[0001]本专利技术涉及模数转换器
，具体而言，涉及一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法。

技术介绍

[0002]建立压电材料磁场能量采集装置的模型是对其进行理论分析与计算的基础。对悬梁式压电材料能量采集装置而言，使用有限元的方法能够得到较为精确的压电材料电压电流输出特性，但计算速度和效率较低。在实际的工作过程中，悬梁式压电材料能量采集装置振动幅值一般很小并且属于单自由度振动，此时对于线性压电材料，需要提供一种方案以建立一个能够对能量采集装置进行快速的建模分析，提高计算速度和效率。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种传感器无线能量采集装置模型及计算方法，用以实现对能量采集装置进行快速的建模分析的同时提高计算速度和效率的技术效果。
[0004]第一方面，本专利技术提供了一种传感器无线能量采集装置模型，包括能量采集装置以及与所述能量采集装置连接的能量管理电路；所述能量采集装置包括载物台、弹簧、阻尼计、悬块和压电材料；所述弹簧的第一端与所述载物台固定连接；所述弹簧的第二端与所述悬块的底部固定连接，且位于所述悬块底部的中心区域；所述压电材料和所述阻尼计对称设置在所述载物台与所述悬块之间的间隙中，且所述压电材料的厚度与该间隙的高度保持一致。
[0005]进一步地，所述能量管理电路为串联同步开关电感电路、并联同步开关电感电路或者同步电荷提取电路中的任意一种。
[0006]第二方面，本专利技术提供了一种传感器无线能量采集装置模型的计算方法，应用于上述的传感器无线能量采集装置模型，包括：S1.为能量采集装置预施加一个外力并检测压电材料输出的电压和电流；S2.根据所述电压和电流分析得到所述外力与压电材料的能量平衡关系；S3.根据所述能量平衡关系结合对应的能量管理电路分析得到各个能量管理电路的负载功率、整流电压以及压电材料振动幅值与外力幅值之间的关系。
[0007]进一步地，所述S2中能量转换关系的计算方式为：
[0008][0009][0010]式中，F表示施加的外力；u表示悬块的振动位移；表示悬块的振动速度；M表示悬块的质量；K
E
表示压电材料短路时弹簧对应的刚度；C表示阻尼；α表示压电材料的力电耦合系数；V表示压电材料输出的电压；t表示时间常数；表示外力输入能量；表示悬
块的动能；表示弹簧的弹性势能；表示机械损耗的能量；表示转换的电能；表示压电材料内电容存储的能量；∫VIdt表示压电材料输出的电能。
[0011]进一步地，当所述能量管理电路为串联同步开关电感电路时，所述S3中整流电压和负载功率的计算方式为：
[0012][0013][0014]式中，V
DC
表示电路输出的整流电压；P表示负载功率；α表示压电材料的力电耦合系数；U
M
表示压电材料的振动幅值；R
Load
表示负载；C0表示压电材料的内电容；γ表示常数；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度。
[0015]进一步地，当所述能量管理电路为串联同步开关电感电路时，则所述压电材料振动幅值U
M
与外力幅值F
M
之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
[0016][0017]通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值U
M
与外力幅值F
M
之间的关系：
[0018][0019]式中，A1表示串联同步开关电感电路的机械损耗；A2表示串联同步开关电感电路中转换的电能；A3表示串联同步开关电感电路中压电材料内电容存储的能量；V
M
表示电路中的电荷转移后压电材料电压的幅值；V
m
表示压电材料未发生电荷转移的输出电压。
[0020]进一步地，当所述能量管理电路为并联同步开关电感电路时，则所述S3中整流电压V
DC
和负载功率P的计算方式为：
[0021][0022][0023]式中，V
DC
表示电路输出的整流电压；P表示负载功率；α表示压电材料的力电耦合系数；U
M
表示压电材料的振动幅值；R
Load
表示负载；C0表示压电材料的内电容；γ表示常数；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度。
[0024]进一步地，当所述能量管理电路为并联同步开关电感电路时，则所述压电材料振动幅值U
M
与外力幅值F
M
之间的关系对应的计算方式包括，调整能量平衡关系：
[0025][0026]通过调整后的能量平衡关系得到压电材料的振动幅值U
M
与外力幅值F
M
之间的关系：
[0027][0028]式中，T表示压电材料输出电压的周期；V
m
表示压电材料未发生电荷转移的输出电压。
[0029]进一步地，当所述能量管理电路为同步电荷提取电路时，所述S3中整流电压和负载功率的计算方式为：
[0030]V
DC
＝0
[0031][0032]式中，C0表示压电材料的内电容；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度；F
M
表示外力幅值；α表示压电材料的力电耦合系数；C表示阻尼。
[0033]本专利技术能够实现的有益效果是：本专利技术提供的传感器无线能量采集装置模型及计算方法在保证压电材料电压电流输出特性的同时，提高了计算速度和效率。
附图说明
[0034]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0035]图1为本专利技术实施例提供的一种传感器无线能量采集装置模型的拓扑结构图；
[0036]图2为本专利技术实施例提供的一种传感器无线能量采集装置模型的计算方法总体流程示意图。
[0037]图标：10
‑
传感器无线能量采集模型；100
‑
能量采集装置；110
‑
载物台；120
‑
弹簧；
130
‑
阻尼计；140
‑
悬块；150
‑
压电材料；200
‑
能量管理电路。
具体实施方式
[0038]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行描述。
[0039]应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本专利技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0040]请参看图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种传感器无线能量采集装置模型，其特征在于，包括:能量采集装置以及与所述能量采集装置连接的能量管理电路；所述能量采集装置包括载物台、弹簧、阻尼计、悬块和压电材料；所述弹簧的第一端与所述载物台固定连接；所述弹簧的第二端与所述悬块的底部固定连接，且位于所述悬块底部的中心区域；所述压电材料和所述阻尼计对称设置在所述载物台与所述悬块之间的间隙中，且所述压电材料的厚度与该间隙的高度保持一致。2.根据权利要求1所述的传感器无线能量采集装置模型，其特征在于，所述能量管理电路为串联同步开关电感电路、并联同步开关电感电路或者同步电荷提取电路中的任意一种。3.一种传感器无线能量采集装置模型的计算方法，应用于权利要求1
‑
2任一项所述的传感器无线能量采集装置模型，特征在于，包括：S1.为能量采集装置预施加一个外力并检测压电材料输出的电压和电流；S2.根据所述电压和电流分析得到所述外力与压电材料的能量平衡关系；S3.根据所述能量平衡关系结合对应的能量管理电路分析得到各个能量管理电路的负载功率、整流电压以及压电材料振动幅值与外力幅值之间的关系。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S2中能量转换关系的计算方式为：征在于，所述S2中能量转换关系的计算方式为：式中，F表示施加的外力；u表示悬块的振动位移；表示悬块的振动速度；M表示悬块的质量；K
E
表示压电材料短路时弹簧对应的刚度；C表示阻尼；α表示压电材料的力电耦合系数；V表示压电材料输出的电压；t表示时间常数；表示外力输入能量；表示悬块的动能；表示弹簧的弹性势能；表示机械损耗的能量；表示转换的电能；表示压电材料内电容存储的能量；∫VIdt表示压电材料输出的电能。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述能量管理电路为串联同步开关电感电路时，所述S3中整流电压和负载功率的计算方式为：电路时，所述S3中整流电压和负载功率的计算方式为：式中，V
DC
表示电路输出的整流电压；P表示负载功率；α表示压电材料的力电耦合系数；U
M
表示压电材料的振动幅值；R
Load
表示负载；C0表示压电材料的内电容；γ表示常数；ω表示压电材料产生的交流电压变化的角速度。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述能量管理电路为串联同步开关电感
电路时，则所述压电材料振动幅值U
M
与外力幅值F
M
...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛明勇，徐长宝，王宇，祝健杨，张历，骆柏锋，田兵，刘仲，吕前程，王志明，陈仁泽，孙宏棣，张佳明，尹旭，
申请(专利权)人：南方电网数字电网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：