CN107968599A - 应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置和方法。包括含缺陷声子晶体梁和压电材料，声子晶体梁为由两种材料单元在长度方向上周期交替排列组成的悬臂梁，所述的含缺陷声子晶体梁靠近固定端的材料单元中至少有一个存在缺陷，压电材料位于存在缺陷的材料单元上。本发明的能量采集装置利用声子晶体梁结构中点缺陷对弯曲波局域化的缺陷态特性和带隙将能量局域在前端(靠近振源)的双重局域效果，利用缺陷态频率下采集输出的最大功率远大于其他通带共振峰对应的最大输出功率的特效，压电材料的压电层受到机械应力输出交变电压，实现能量的采集。
Description
技术领域
本发明属于机械能量采集领域，尤其涉及一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置和方法。
背景技术
声子晶体是一种具有弹性波或声波带隙的周期性结构。声子晶体的带隙特性表明，带隙频率范围内对应的弹性波或声波在周期性结构中传播会受到抑制。当完美型声子晶体的周期性遭到破坏时，原有的带隙内就有可能出现缺陷态。缺陷态是通带，其对应的弹性波或声波会在声子晶体的点缺陷处局域化或沿着线缺陷方向定向传播。
机械振动能量无处不在，这些振动能量都可能被采集起来应用于低功率的电子设备。大部分压电能量采集器采用了悬臂梁结构，采集位置一般紧挨着振动源布置。压电能量采集技术作为一种长期甚至无限生命周期的自主供电***，可以将自然界的能量(比如振动能量)采集起来并转化为电能应用于低功率的电子设备，有利于解决传统电池使用寿命短、频繁更换以及空间占有率等问题。大部分压电能量采集器采用了悬臂梁结构，但其采集的共振频率和采集位置单一以及输出功率较小。目前，大量的学者用到了压电材料的压电效应来采集结构中的能量。当压电材料的压电层受到机械应力时，压电层的动应变可以通过电极直接输出交变电压，压电层产生的电荷量与其产生的应变是成比例的。本发明设计的含缺陷声子晶体梁能量采集器充分利用了缺陷态频率下点缺陷处极大的动应变特点来进行压电能量采集，同时兼顾了声子带隙将能量局域在前端而将采集器靠近振动源布置，从而在双重效应下达到更为高效的能量输出。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置和方法。
一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置，包括含缺陷声子晶体梁和压电材料，所述的含缺陷声子晶体梁是由两种材料单元在长度方向上周期交替排列组成的悬臂梁，其中两种材料单元的尺寸相同，所述的声子晶体梁靠近固定端的一端至少有一个材料单元存在缺陷，所述的压电材料位于存在缺陷的材料单元上。
优选的，所述的缺陷为点缺陷，存在缺陷的材料单元的缺陷是材料的厚度被降低；所述存在缺陷的材料单元位于第一个晶格上(从固定端算起)，但不能直接连接固定端。
优选的，所述的两种材料单元的杨氏模量上相差十倍以上。
优选的，所述的悬臂梁的周期大于8.
材料单元(悬臂梁)的结构形状可以是圆柱形、长方体、三棱柱等，但如果是柱形、棱柱会使得分析变复杂，截面的弯矩和中性轴变复杂；使用规则的长方体能便于计算也便于激励源激发)；材料单元(悬臂梁)长高比越大，带隙及缺陷态的位置越低频。压电薄膜依靠强力胶水附着在材料单元上。
本发明还公开了一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集方法：
1)根据工作环境的振动频率设计能量采集装置，使能量采集装置的缺陷态频率与工作环境的主要振动波的频率相同；
2)将设计好的能量采集装置安装在工作环境中，其中存在缺陷的一端作为固定端；工作环境的振动能量激发声子晶体梁的振动响应，声子晶体梁的带隙特性使得带隙频率范围内对应的弹性波或声波在周期性结构中传播会受到抑制，从而将波的能量局域在靠近振源的前端，而带隙范围中的缺陷态对应的弹性波或声波在声子晶体的点缺陷处局域化；
缺陷态频率下采集输出的最大功率大于其他通带共振峰对应的最大输出功率，位于存在缺陷的材料单元上的压电材料的压电层受到机械应力，压电层的动应变通过电极直接输出交变电压，实现能量的采集。
本发明的能量采集装置利用声子晶体梁结构中点缺陷对弯曲波局域化的缺陷态特性和带隙将能量局域在前端(靠近振源)的双重局域效果，利用缺陷态频率下采集输出的最大功率远大于其他通带共振峰对应的最大输出功率的特效，为含缺陷声子晶体梁在能量采集领域的应用提供了一种新方法。本发明装置结构由材料单元排列组成，可随意调整缺陷单元的位置和缺陷形状，可根据工作环境的频率特效改变悬臂梁缺陷的位置，设计灵活，应用面广。本发明克服了现有悬臂梁能量采集装置采集的共振频率和采集位置单一以及输出功率较小的问题，提供了一种长期稳定可靠的振动能量采集装置。
附图说明
图1为本发明含缺陷的悬臂梁结构的具体实施例。
图2为包含本发明的振动能量采集装置的验证装置。
图3位频率400-1000Hz对应的采集特性：(a)传输曲线；(b)不同频率对应的最优输出电压；(c)不同频率对应的最大输出功率。
具体实施方式
本发明的应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置，包括含缺陷声子晶体梁和压电材料，所述的声子晶体梁是由两种材料单元在长度方向上周期交替排列组成的悬臂梁，其中两种材料单元的尺寸相同，所述的声子晶体梁靠近固定端的一端至少有一个材料单元存在缺陷，所述的压电材料位于存在缺陷的材料单元上。
如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，本发明的悬臂梁是10个周期铝/有机玻璃组成的声子晶体梁，其中材料1和材料2分别代表铝和有机玻璃且对应的尺寸参数均为0.08m*0.015m*0.015m，而缺陷材料3是有机玻璃且对应的尺寸参数为0.08m*0.015m*0.008m。铝6061的密度为2735kg/m3，杨氏模量为 7.47*1010Pa，有机玻璃的密度为1142kg/m3，杨氏模量为4.5*109Pa，两种材料的泊松比都是0.33。压电材料采用PVDF压电薄膜，位于缺陷材料3上。
悬臂梁结构的缺陷态表现为传输曲线中带隙内出现一个共振峰。本发明利用光纤光栅测量技术试验测量得到图1中梁结构的缺陷态。本发明采用dSPACE实时控制***连接电压放大器输入激振信号给压电叠堆陶瓷作动器，作动器位于悬臂梁固定端底端，激发声子晶体梁的振动响应。与梁结构自由端相连的光纤光栅位移传感器感受到振动导致位移变化，产生变化的位移信号通过光纤光栅传感***输入到dSPACE实时控制***进行数据采集与处理。通过光纤光栅测量技术找到含点缺陷声子晶体梁的缺陷态频率位置后，将压电薄膜PVDF(LDT0-028K/L， Measurement Specialties，USA)沿x轴线方向(长度方向)粘贴在缺陷材料3上表面处(如图1)，PVDF的输出电极与一个外界阻抗(电阻箱)连接，通过测量外界阻抗两端的电压来计算采集的输出功率。实验当中使用信号发生器输入幅值为1V的某一频率的正弦电压，经过功率放大器输送给压电叠堆陶瓷作动器，放大器倍率为15倍，在靠近缺陷材料3的梁结构端部由压电叠堆陶瓷作动器激发振动响应。振动能量采集的整体架设图详见图2。
在结构表面利用PVDF采集的输出功率可以由下式表示：
上式ω是圆频率，bt是压电材料的宽度，lt是压电材料沿x轴方向上的长度，d31是“31”方向即横轴方向的压电常数，Y是压电材料的杨氏模量，是压电覆盖面积上的平均应变，Cp是压电材料的电容，R是外接阻抗。
若某一振动频率下要得到最大的输出功率值，此时最优外接阻抗大小应为
R*＝1/ωCp (2)
利用光纤光栅测量技术实验测量的得到的传输曲线如图3(a)所示，可以清楚地看到第一带隙内出现的缺陷态频率约为615Hz。根据公式(2)可知，缺陷态615Hz对应的最优外接电阻为517.6kΩ，测量得到对应的最优输出电压和最大输出功率分别为169.4mV和55.4nW。最后实验测量了400Hz-1000Hz之间的各个频率对应的最大采集功率值，结果见图3(b)和图3(c)。在采集结构确定的情况下，公式(1)告诉我们最大的输出功率会随着频率的增大而增大。而图 3表明，缺陷态615Hz下的输出电压和功率远大于附近频率范围(特别是一般通带共振频率)的输出电压和功率，因为缺陷态下PVDF粘贴的梁表面应变响应大，这体现了声子晶体缺陷态能量局域化的特性。
Claims (6)
1.一种应用含缺陷声子晶体梁双局域化特性的能量采集装置，其特征在于包括含缺陷声子晶体梁和压电材料，所述的含缺陷声子晶体梁为由两种材料单元在长度方向上周期交替排列组成的悬臂梁，其中两种材料单元的尺寸相同，所述的含缺陷声子晶体梁靠近固定端的材料单元中至少有一个存在缺陷，且所述的缺陷不位于作为固定端的材料单元上，所述的压电材料位于存在缺陷的材料单元上。
2.根据权利要求1所述的能量采集装置，其特征在于所述的缺陷的引入方式为降低材料单元的厚度。
3.根据权利要求1所述的能量采集装置，其特征在于所述的两种材料单元的杨氏模量相差十倍以上。
4.根据权利要求1所述的能量采集装置，其特征在于所述的悬臂梁的周期大于8。
5.根据权利要求1所述的能量采集装置，其特征在于所述的两种材料单元的形状均为矩形。
6.一种权利要求1所述装置的能量采集方法，其特征在于包括如下步骤：
1)根据工作环境的振动频率设计能量采集装置，使能量采集装置的缺陷态频率与工作环境的主要振动波的频率相同；
2)将设计好的能量采集装置安装在工作环境中，其中存在缺陷的一端作为固定端；工作环境的振动能量激发声子晶体梁的振动响应，声子晶体梁的带隙特性使得带隙频率范围内对应的弹性波或声波在周期性结构中传播会受到抑制，从而将波的能量局域在靠近振源的前端，而带隙范围中的缺陷态对应的弹性波或声波在声子晶体的点缺陷处局域化；
缺陷态频率下采集输出的最大功率大于其他通带共振峰对应的最大输出功率，位于存在缺陷的材料单元上的压电材料的压电层受到机械应力，压电层的动应变通过电极直接输出交变电压，实现能量的采集。
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