本发明专利技术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。本发明专利技术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。振动能量采集装置能够满足自供能的使用要求。振动能量采集装置能够满足自供能的使用要求。
【技术实现步骤摘要】
振动能量采集装置的设计方法、无线传感器
[0001]本专利技术属于发电装置
，具体涉及一种振动能量采集装置的设计方法、无线传感器。
技术介绍
[0002]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。
技术实现思路
[0003]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0004]为此，本专利技术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。
[0005]根据本专利技术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。
[0006]根据本专利技术一个实施例，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：
[0007][0008]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)。
[0009]根据本专利技术一个实施例，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，
[0031][0032][0033]其中，压电片的压电常数d
33
，作用在压电片表面作用力W，压电片作用力施加的区域面积A2，压电片厚度h，外接电容的电容量C
p
；
[0034]结合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，根据压电片厚度h、压电片的压电常数d
33
、压电片作用力施加的区域面积A2中的两者确定另一者。
[0035]根据本专利技术一个实施例，所述浮动滑块的外周面与所述叉指电极组之间具有间隙，所述间隙与所述浮动滑块半径的比值为0.2％
‑
0.4％。
[0036]根据本专利技术一个实施例，所述叉指电极组包括：第一叉指电极和第二叉指电极，所述第二叉指电极的叉指与所述第一叉指电极的叉指交错布置；所述浮动滑块的外周面上开设有多个环形凹槽，多个所述环形凹槽沿所述浮动滑块的轴线方向均匀布置，所述环形凹槽的宽度等于相邻两个叉指之间的距离与一个叉指的宽度之和，相邻两个所述环形凹槽之间的距离等于所述环形凹槽的宽度。
[0037]根据本专利技术一个实施例，一种无线传感器，采用上述的振动能量采集装置对振动能量进行采集以实现自供能。
[0038]本专利技术的有益效果是，本专利技术将摩擦发电效应和压电效应相结合，通过振动能量采集装置将接收到的振动能量转换为电能，从而实现无线传感器的自供能，无需更换电池，更加环保可靠，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。
[0039]本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0040]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
[0041]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0042]图1是根据本专利技术的振动能量采集装置的立体结构示意图；
[0043]图2是根据本专利技术的振动能量采集装置的半剖结构示意图；
[0044]图3是根据本专利技术的振动能量采集装置的工作原理示意图；
[0045]图4是根据本专利技术的振动能量采集装置中浮动滑块的振动模型；
[0046]图5是根据本专利技术的振动能量采集装置中第一压电片或第二压电片的受力变形分析模型；
[0047]附图标记：
[0048]第一封盖10、第一压电片20、壳体30、第一弹簧40、第一叉指电极50、浮动滑块60、第二叉指电极70、第二弹簧80、第二压电片90、第二封盖100。
具体实施方式
[0049]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0050]在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0051]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0052]下面参考附图具体描述本专利技术实施例的振动能量采集装置的设计方法。
[0053]如图1至图3所示，根据本专利技术实施例的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60，第一压电片20，第二压电片本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，所述振动能量采集装置包括：浮动滑块(60)，所述浮动滑块(60)根据受到的振动能量产生振动；第一压电片(20)，所述第一压电片(20)设于所述浮动滑块(60)的一侧；第二压电片(90)，所述第二压电片(90)设于所述浮动滑块(60)远离所述第一压电片(20)的一侧；第一弹簧(40)，所述第一弹簧(40)将所述浮动滑块(60)与所述第一压电片(20)弹性连接在一起；第二弹簧(80)，所述第二弹簧(80)将所述浮动滑块(60)与所述第二压电片(90)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(60)的外周面，所述浮动滑块振动时，所述浮动滑块(60)与所述叉指电极组产生摩擦而发电，所述第一压电片(20)和所述第二压电片(90)产生变形而发电；所述设计方法包括：步骤一、构建浮动滑块(60)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(60)的运动位移；步骤三、构建第一压电片(20)或第二压电片(90)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(20)或第二压电片(90)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(60)、第一压电片(20)、第二压电片(90)、第一弹簧(40)、第二弹簧(80)的相关参数。2.根据权利要求1所述的振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，根据步骤一中的振动模型，得到浮动滑块(60)的运动微分方程为：其中，x为浮动滑块(60)的运动位移，t为时间，m为浮动滑块(60)的质量，g为浮动滑块(60)的重力系数，k1和k2分别为第一弹簧(40)和第二弹簧(80)的刚度系数，c1和c2分别为第一弹簧(40)和第二弹簧(80)的阻尼系数，δ
st
＝mg/(k1+k2)。3.根据权利要求2所述的振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，步骤二中，根据浮动滑块(60)的运动微分方程，得到浮动滑块(60)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(60)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(60)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(60)的运动初始位置和速度确定。4.根据权利要求3所述的振动能量采集装置的设计方法，其特征在于，浮动滑块(60)与叉指电极组摩擦发电所输出的电流...
【专利技术属性】
技术研发人员：高帅，孟力，王飞彪，刘志，
申请(专利权)人：频率探索智能科技江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：
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