[發明專利]雙穩態旋轉隨機共振能量采集器及離心距離優化匹配方法

在審

• 申請號: 202111500744.6
• 申請日: 2021-12-09
• 公開（公告）號: CN114221575A
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 張云順;趙香帥;王萬樹
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H02N2/04
• 分類號: H02N2/04;H02N2/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了雙穩態旋轉隨機共振能量采集器及離心距離優化匹配方法，采集器包含框架和懸臂梁，懸臂梁的一端固定連接在框架一側豎直內壁上，另一端接有自由端磁鐵；懸臂梁固定端側外貼有壓電片，在框架的另一側豎直內壁上安裝固定端磁鐵，固定端磁鐵與懸臂梁的固定端位于同一水平線上；將懸臂梁固定端側的框架固定在輪胎輪輞位置，故框架及故框架內部的壓電片、懸臂梁、自由端磁鐵和固定端磁鐵均能與車輪同步旋轉。基于采集器結構推導出了最優離心距離的表達式，在此離心距離條件下，能量采集器有效響應頻帶顯著拓寬，能量俘獲水平有效提升。當能量采集器的系統參數發生改變時，能幫助研究者快速找到最優離心距離，縮短能量采集器安裝調試時間。

技術領域

本發明涉及雙穩態能量采集器技術領域，特別是涉及一種雙穩態旋轉隨機共振能量采集器及離心距離優化匹配方法。

背景技術

先進的智能輪胎系統需要多種傳感器，而傳感器電池需要定期更換，此外輪胎旋轉會阻礙輪胎外部的電力供應。因此，近幾年為解決旋轉輪胎供電難問題，對于如何高效的采集汽車旋轉環境中的振動能量，進而實現傳感器自供電的研究越來越豐富。通常利用基于懸臂梁結構的壓電陶瓷式能量采集器來采集振動能量，其理論分析模式基于線性結構，當激勵頻率偏離固有頻率時，不能保證在寬頻帶激勵輸入條件下持續保持共振狀態。

近年來，通過隨機共振采集振動能量開始引起研究者的關注，隨機共振是指在非線性雙穩態系統中出現的一種物理現象，在固有噪聲的幫助下，微弱的周期信號可以被顯著放大。更重要的是，隨機共振特別有利于旋轉輪胎的能量采集，有兩個原因，首先，由于旋轉運動，周期信號在旋轉輪胎中普遍存在。其次，噪聲激勵很容易從不可預知的路面粗糙度中獲得。但是，對于離心效應對基于隨機共振的振動能量采集器性能影響的研究不夠成熟，通常采用估值法或經驗法對離心距離進行設定，來研究采集器的性能。但是，當能量采集器的系統參數(如尺寸、重量、磁力等)發生改變時，研究者無法快速找到最優的離心距離。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本申請提出了一種雙穩態旋轉隨機共振能量采集器及離心距離優化匹配方法，通過考慮離心效應對隨機共振頻率的影響，探究不同離心距離下的能量采集器的性能。在理論上探索更易誘發，并穩定隨機共振的主要激勵機制及其穩定機理，求解出最優離心距離，進一步優化雙穩態能量采集器的有效頻帶帶寬。

本發明所采用的技術方案如下：

一種雙穩態旋轉能量采集器，包含框架和懸臂梁，懸臂梁的一端為固定端且固定連接在框架一側豎直內壁上，懸臂梁的另一端為自由端且自由端連接自由端磁鐵；懸臂梁固定端側外貼有壓電片，在框架的另一側豎直內壁上固定安裝固定端磁鐵，固定端磁鐵與懸臂梁的固定端位于同一水平線上；

將懸臂梁固定端側的框架固定在輪胎輪輞位置，故框架及故框架內部的壓電片、懸臂梁、自由端磁鐵和固定端磁鐵均能與車輪同步旋轉。

進一步，所述自由端磁鐵與固定端磁鐵同極相對。

進一步，利用膠水將壓電片粘貼懸臂梁上。

進一步，利用膠水將自由端磁鐵粘貼在懸臂梁上。

進一步，利用膠水將固定端磁鐵粘貼在框架內側壁面上。

一種雙穩態旋轉隨機共振能量采集器的離心距離優化匹配方法，包括如下步驟：

步驟1：建立雙穩態系統的動力學模型，如下：

其中，m′為振子質量，x為振子位移，分別是x的一階導數和二階導數，a′、b′和c′分別是線性項系數、非線性項系數和阻尼；s(t)為周期信號，N(t)為噪聲信號；

步驟2：根據隨機共振的發生條件得出隨機共振頻率，表示為：

其中，D為噪聲強度；