【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于换能器，具体涉及振动换能器及其优化方法。
技术介绍
1、随着微机电系统和物联网的迅速发展，无线传感网络以及各类微型传感器等也获得飞跃式发展，并在环境监测、设备监控、野外等恶劣、狭小环境下的监控系统等方面具有广泛的应用前景。在发展的同时也面临着制约发展的最大问题，在于还没有良好的无线电子设备供电方式代替传统电池供电，传统化学电池存在使用寿命有限、体积大、在恶劣环境中难以更换等缺点。
2、但是，仍然存在下列问题：
3、1.现有技术振动能收集效率低，能量转换过程损耗大，只能收集上下振动能，无法收集横向振动能；
4、2.现有技术普适性较差，无法根据不同环境安装和优化不同功率的振动换能器。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术提供了振动换能器，用以解决现有技术振动能收集效率低，能量转换过程损耗大等问题，本专利技术还提供了该装置的优化方法。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术方案：
3、振动换能器，包括振动换能器以及数据采集装置，所述数据采集装置包括终端示波器、信号发生器、功率放大器以及数据收集模块、数据发射器，所述功率放大器与振动换能器电连接，所述信号发生器将振动换能器电信号传输至功率放大器，所述功率放大器将数据传输至数据收集模块，所述数据收集模块通过数据发射器将数据发射至终端示波器；
4、所述换能器包括本体、压板、压力弹簧、压杆、锁紧螺母以及压电感应片，所述压板通
5、所述压电感应片包括保护层、压电板、电感片、电感线圈、输出导线，所述保护层包裹压电板与电感片，所述电感线圈安装于电感片两侧，所述电感线圈磁场方向与电感片长轴方向垂直，所述压杆贯穿保护层与压电板连接。
6、进一步的，振动换能器还包括传动器所述传动器包括轴承座、主轴、轴承、偏心块，所述主轴安装于轴承轴心处，所述轴承座封闭轴承，所述偏心块设有两组，两组所述偏心块分别安装于主轴两端，所述轴承中心设有挡圈且两侧设有轴承端盖，所述主轴两端设有档盖。
7、所述偏心块为扇形，且内部设有弧形槽；
8、位于主轴右端的偏心块连接振动器，所述振动器包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、连轴，所述第一连杆左端与偏心块固定连接，所述第一连杆右端与第二连杆左端活动连接，所述第二连杆右端与第三连杆下端活动连接，所述第三连杆上端与连轴固定连接，所述连轴后部设有水动腔，所述水动腔与连轴之间设有隔离板，所述水动腔内部设有叶板，所述连轴贯穿隔离板与叶板固定连接，所述第二连杆右端与第三连杆上端均设有复位弹簧。
9、进一步的，所述水动腔内液体量为容积的60％-80％。
10、上述振动换能器的优化方法具体步骤如下：
11、s1，建立优化目标和约束条件的数学方程，并根据终端示波器数据建立数学模型；
12、s2，将终端示波器数据的数学模型进行转化，构建振动换能器的简化几何模型；
13、s3，以有限元法将振动换能器的简化几何模型建立为有限元模型，通过振动换能器的结构特征和物理特性定义相应的材料属性以及边界条件，建立电磁场求解器，解析电磁场分布、磁通密度参数，并计算电磁损耗。
14、s4，将s3中构建的有限元模型编写为计算图，包括定义输入变量、中间变量和输出变量，并将其表示为计算图的节点，通过自动微分库中的函数对计算图进行反向传播，自动计算目标函数关于设计变量的梯度信息，并对形态进行优化，结合拓展优化进行求解，并更新设计变量，直到满足要求并迭代收敛。
15、进一步的，s1中基于终端示波器数据建立的数学方程为：
16、
17、其中，q为优化目标，f(x)为各类约束，包括电磁约束，几何约束以及压板表面积及水动腔容积，控制变量为输出的线圈电流。
18、进一步的，s3中有限元模型将振动换能器分解成各个部件，并确定部件之间的几何关系和尺寸参数，并设置边界条件，有限元模型包括压电感应片、桨叶长度、弹簧行程以及连杆长度以及角度。
19、进一步的，s3中电磁求解器根据矢量磁位推导的场方程如下：
20、
21、式中，az(x,y)——为矢量磁位z轴分量；
22、jz(x,y)——为电流流动截面的电流密度；
23、μr——求解域中材料的相对磁导率；
24、μ0——真空磁导率；
25、推导过程如下，麦克斯韦方程可表达为：
26、
27、
28、
29、
30、e、h、d、e、j、ρ分别为电场强度，磁场强度、电通量密度、磁通量密度、电流密度和电荷密度。
31、上述采用数值微分方程解方程：
32、
33、既：
34、
35、采用自动微分方法把函数划分为一些基本段，运用中间变量把每段联系起来，然后运用链式法则求解雅可比矩阵，求解z＝jz(x,y)的基本结构为：
36、
37、
38、
39、具体实现过程如下，引入中间变量：
40、vi,i＝1,2,3,4,…,n；
41、
42、计算每个结点偏导通过链式法则即可得到雅可比矩阵：
43、其中，k为各个单元的刚度矩阵；
44、判断迭代是否已收敛，通过监测每一步优化的目标函数值和设计变量的变化情况来判断优化是否收敛，设置一个收敛容差，当目标函数值变化符合时，认为优化已经收敛。
45、本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
46、当向电感片153施加从上至下的机械脉冲时，电感片153磁导率发生改变，经过线圈截面的磁通量发生变化，线圈两侧将产生交流感应电动势，输出导线155将交流感应电动势输出为电能，压力弹簧12在形变发生后使压板11复位，往复将振动能转化为电能，在环境监测、设备监控、野外等恶劣、狭小环境下的监控系统等方面代替传统电池供电，具有广泛的应用前景；
47、通过该装置的优化方法可以更好的根据环境来调整换能器的部件参数使其适应各场景，避免由于避免了计算可能出现的误差导致换能器与环境不匹配导致能量收集效率低下的问题，使用自动微分可以避免计算梯度的繁琐过程，减少了计算时间和计算量，提高了计算效率，自动微分方法可以准确计算任意复杂函数的梯度，避免了计算可能出现的误差，提高了计算精度，使用自动微分可以很方便地添加、修改和删除目标函数和约束条件，使得优化过程更加灵活。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.振动换能器，其特征在于：包括换能器(1)以及数据采集装置(4)，所述数据采集装置(4)包括终端示波器(41)、信号发生器(42)、功率放大器(43)以及数据收集模块(44)、数据发射器(45)，所述信号发生器(42)将换能器(1)电信号传输至功率放大器(43)，所述功率放大器(43)将数据传输至数据收集模块(44)，所述数据收集模块(44)通过数据发射器(45)将数据发射至终端示波器(41)；
2.根据权利要求1所述的振动换能器，其特征在于：换能器(1)还包括传动器(2)，所述传动器(2)包括轴承座(21)、主轴(22)、轴承(23)、偏心块(24)，所述主轴(22)安装于轴承(23)轴心处，所述轴承座(21)封闭轴承(23)，所述偏心块(24)设有两组，两组所述偏心块(24)分别安装于主轴(22)两端，所述轴承(23)中心设有挡圈(25)且两侧设有轴承端盖(26)，所述主轴(22)两端设有档盖(27)。
3.根据权利要求2所述的振动换能器，其特征在于：所述水动腔(35)内液体量为容积的60％-80％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的振
5.根据权利要求4所述的振动换能器的优化方法，其特征在于：S1中基于终端示波器数据建立的数学方程为：
6.根据权利要求4所述的振动换能器的优化方法，其特征在于：S3中有限元模型将换能器(1)分解成各个部件，并确定部件之间的几何关系和尺寸参数，并设置边界条件，有限元模型包括压电感应片、桨叶长度、弹簧行程以及连杆长度以及角度。
7.根据权利要求4所述的振动换能器的优化方法，其特征在于：S3中电磁求解器根据矢量磁位推导的场方程如下：
...【技术特征摘要】
1.振动换能器，其特征在于：包括换能器(1)以及数据采集装置(4)，所述数据采集装置(4)包括终端示波器(41)、信号发生器(42)、功率放大器(43)以及数据收集模块(44)、数据发射器(45)，所述信号发生器(42)将换能器(1)电信号传输至功率放大器(43)，所述功率放大器(43)将数据传输至数据收集模块(44)，所述数据收集模块(44)通过数据发射器(45)将数据发射至终端示波器(41)；
2.根据权利要求1所述的振动换能器，其特征在于：换能器(1)还包括传动器(2)，所述传动器(2)包括轴承座(21)、主轴(22)、轴承(23)、偏心块(24)，所述主轴(22)安装于轴承(23)轴心处，所述轴承座(21)封闭轴承(23)，所述偏心块(24)设有两组，两组所述偏心块(24)分别安装于主轴(22)两端，所述轴承(23)中心设有...
【专利技术属性】
技术研发人员：王路平，杨静，张庆新，于启水，周世洁，房雨鑫，代玉姣，陈鑫，于莉，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。