[发明专利]一种多稳态调谐质量压电俘能器

说明书

本发明提供了一种多稳态调谐质量压电俘能器，包括：俘能件、弹簧件、阻尼件、质量块、固定件和封装箱；俘能件包括若干个多稳态压电悬臂梁，多稳态压电悬臂梁位于质量块的四周，并通过多稳态压电悬臂梁的钢梁与质量块连接；多稳态压电悬臂梁末端的第二磁铁固定于封装箱四边的内侧，并与多稳态压电悬臂梁的第一磁铁保持一定距离；阻尼件的上边固定于质量块的下底边，且阻尼件的下边与封装箱的底部固定连接；固定件贯穿于质量块，并且上下底边分别固定于封装箱的上下底边；弹簧件的上边固定于所述质量块的下底边，且弹簧件的下边与封装箱的底部固定连接。本发明装置可以将对桥梁有害的振动能量转换为对无线传感器提供电源的电能。

技术领域

本发明涉及工程结构减振控制技术和压电俘能技术领域，尤其涉及一种多稳态调谐质量压电俘能器。

背景技术

监测桥梁健康状态对交通技术的发展具有至关重要的意义，无线传感监测技术因具有成本低、可靠性高且无须布线等优点，受到广泛青睐，但仍缺乏稳定、持续且价格便宜的电源给无线传感节点供电。实际上，车致桥梁振动能量以热能形式耗散掉，不仅浪费，长期振动也会带来舒适性差、结构安全性低以及噪声污染等问题。因此，可将桥梁的振动能进行控制、集中并转换为电能。

工程结构减振控制是通过在结构上安装耗能减振装置来减轻或抑制结构由于外荷载作用引起的反应。土木工程结构振动控制技术的发展经历了如下几个阶段：被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制、智能控制。作为被动控制技术之一，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)发展较为成熟，减震效果明显，施工操作简单，因而被广泛应用于国内外结构工程中。TMD是一种附加在结构上的减震子结构，由弹簧、阻尼器和质量块组成，质量块一般通过弹簧和阻尼器支撑或者悬挂在主结构上。当结构受到外部荷载作用产生振动时，子结构通过连接装置与结构一起振动，由此产生的能量会通过惯性力反作用于主结构，以及部分被阻尼器所消耗，实现减震的目的。

现阶段将振动能转换为电能的方式主要有以下三种：电磁式，静电式，和压电式。电磁式即利用电磁感应原理将机械能转化为电能，缺点在于所需要的线圈体积大，输出功率低，俘能效率不佳；静电式则是能够外力荷载改变电容器的极板之间间距或者通过改变极板的相对面积，进而改变电容的方式来将机械能转化为电能，缺点在于需要外界提供一个稳定的电压源，因此其应用有很大限制；压电式则是利用压电材料的正压电效应将机械能转化为电能，这种方式相较于前两种的优点在于内部机电耦合系数高，具有优异的力电转化性能、低能耗、高能量密度，且结构简单易于加工制作，因此在实际应用中具有更加广阔的发展前景。压电式能量收集中，传统的线性能量采集系统虽然结构简单，但是只能在固有频率附近有效工作。然而当激励频率与固有频率不一致时，能量采集效果就会急剧下降。由于环境激励是以多频的宽谱形式存在，因此这种能量采集系统无法在实际环境中有效地工作。在过去的十年中，非线性技术已被引入到压电能量收集中，以通过增加收集器的响应带宽来提高线性系统的能量收集性能，而采用多稳态系统则是非线性方法中的重要技术之一。多稳态系统一般是通过在压电悬臂梁能量收集器中加入一个尖端磁铁和若干个固定的外部磁铁来实现，与类似的线性系统相比，悬臂梁围绕稳定位置的非线性振荡会导致更宽的频率带宽和更高的功率输出。