CN113992059A - 一种旋转式能量采集装置及胎压监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转式能量采集装置及胎压监测***，涉及能量采集装置技术领域，包括平台、第一悬臂梁、第二悬臂梁和非线性结构，平台用于与轮胎连接，第一悬臂梁和第二悬臂梁设置在平台上，第一悬臂梁的共振频率和第二悬臂梁的共振频率不同，第一悬臂梁上设置有重物，非线性结构包括第一部件和第二部件，第一部件设置在第二悬臂梁上，重物和第一部件通过线性结构连接，第二部件设置在平台上，第一部件和第二部件之间为非线性耦合，第一悬臂梁和/或第二悬臂梁上设置有压电结构，压电结构与外接电路连接，第一悬臂梁或第二悬臂梁振动时，相应的压电结构变形将振动能量转换成电能。本发明拓宽了有效采集频率，提升了输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及能量采集装置技术领域，特别是涉及一种旋转式能量采集装置及胎压监测***。
背景技术
汽车是现代生活中不可缺少的工具，其安全问题受到了社会各界的广泛关注。轮胎压力检测是其中最重要的一个方面。由于轮胎是一个封闭的环境，不能用线路供电，而传统的电池由于需要及时更换，也不适合用于封闭的设备，因此无线供电成为必须克服的难题。最初，国内外研究者设计了许多不同类型的基于线性谐振的压电振动能量采集器，以研究其能量采集性能。然而，当环境偏离共振频率时，线性压电能量采集器的性能会急剧下降，对工作频率范围有很大限制，因此增加能量采集器的运行带宽是一个重要的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转式能量采集装置及胎压监测***，通过调节第一部件和第二部件之间的非线性耦合实现第一悬臂梁和第二悬臂梁间的内部共振，从而达到更宽频带的能量采集，解决了胎压监测***自供电应用问题，拓宽了有效采集频率，提升了输出功率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种旋转式能量采集装置，包括平台、第一悬臂梁、第二悬臂梁和非线性结构，所述平台用于与轮胎连接，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁设置在所述平台上，所述第一悬臂梁的共振频率和所述第二悬臂梁的共振频率不同，所述第一悬臂梁上设置有重物，所述非线性结构包括第一部件和第二部件，所述第一部件设置在所述第二悬臂梁上，所述重物和所述第一部件通过线性结构连接，所述第二部件设置在所述平台上，所述第一部件和所述第二部件之间为非线性耦合，所述第一悬臂梁和/或所述第二悬臂梁上设置有压电结构，所述压电结构与外接电路连接，所述第一悬臂梁或所述第二悬臂梁振动时，相应的所述压电结构变形将振动能量转换成电能。
优选地，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁平行设置，所述第一悬臂梁的一端和所述第二悬臂梁的一端分别与所述平台连接。
优选地，所述压电结构为压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设置在所述第一悬臂梁或所述第二悬臂梁与所述平台连接的一端。
优选地，所述线性结构为弹簧。
优选地，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁平行时，所述弹簧呈自然伸直状态。
优选地，所述第一悬臂梁及所述重物的质量和与所述第二悬臂梁及所述第一部件的质量和的比值为1：4，所述第一悬臂梁的共振频率和所述第二悬臂梁的共振频率的比值为1：2。
优选地，所述第一部件为第一永磁体，所述第二部件为第二永磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间相互排斥。
优选地，所述第二部件位于所述第一部件的下方。
优选地，所述第一部件和所述第二部件位于同一水平面。
本发明还提供了一种胎压监测***，包括所述旋转式能量采集装置。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
当汽车运行时，第一悬臂梁和第二悬臂梁的振动可以通过轮胎旋转和道路激励来激发。由于轮胎的旋转使第一悬臂梁的自由端的重物产生周期性运动，由重力提供激振力，使得第一悬臂梁和第二悬臂梁产生位移，带动压电结构产生变形，基于直接压电效应将形变能转化为电能，通过外接线路为胎压监测***供电。第一部件和第二部件为非线性耦合，实现低频时的较好采集性能，同时第一悬臂梁和第二悬臂梁通过线性结构耦合，调节非线性耦合可使其产生内部共振，有效提高能量采集带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的旋转式能量采集装置安装示意图；
图2为本发明的旋转式能量采集装置示意图；
其中：100-旋转式能量采集装置，1-平台；2-第一悬臂梁；3-重物；4-弹簧；5-第二悬臂梁；6-第一永磁体；7-第二永磁体；8-螺栓；9-压电陶瓷片；10-外接电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种旋转式能量采集装置及胎压监测***，通过调节第一部件和第二部件之间的非线性耦合实现第一悬臂梁和第二悬臂梁间的内部共振，从而达到更宽频带的能量采集，解决了胎压监测***自供电应用问题，拓宽了有效采集频率，提升了输出功率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-图2所示：本实施例提供了一种旋转式能量采集装置100，包括平台1、第一悬臂梁2、第二悬臂梁5和非线性结构，平台1用于与轮胎连接，第一悬臂梁2和第二悬臂梁5设置在平台1上，第一悬臂梁2的共振频率和第二悬臂梁5的共振频率不同，第一悬臂梁2上设置有重物3，非线性结构包括第一部件和第二部件，第一部件设置在第二悬臂梁5上，重物3和第一部件通过线性结构连接，第二部件设置在平台1上，第一部件和第二部件之间为非线性耦合，第一悬臂梁2和/或第二悬臂梁5上设置有压电结构，压电结构与外接电路10连接，第一悬臂梁2或第二悬臂梁5振动时，相应的压电结构变形将振动能量转换成电能。
本实施例中，第一悬臂梁2和第二悬臂梁5平行设置且第一悬臂梁2和第二悬臂梁5的长度及质量均相同，第一悬臂梁2的一端和第二悬臂梁5的一端分别与平台1连接。通过调节第一悬臂梁2和第二悬臂梁5在平台1上的安装位置，调节第一悬臂梁2和第二悬臂梁5之间的距离或者调节第二悬臂梁5与平台1的第二连接部之间的距离。
本实施例中，压电结构为压电陶瓷片9，压电陶瓷片9设置在第一悬臂梁2或第二悬臂梁5与平台1连接的一端，即压电陶瓷片9设置在第一悬臂梁2或第二悬臂梁5的固定端，第一悬臂梁2或第二悬臂梁5的固定端在振动时产生的变形量较大，压电陶瓷片9的三分之一覆盖第一悬臂梁2或第二悬臂梁5，当汽车运行时，由于车轮旋转和道路激励作用，可以将第一悬臂梁2或第二悬臂梁5振动能量基于直接压电效应转化为电能。本实施例将压电结构引入旋转车轮，实现胎压健康监测的无线供电应用。
本实施例中，线性结构为弹簧4。
本实施例中，第一悬臂梁2和第二悬臂梁5平行时，弹簧4呈自然伸直状态。第一悬臂梁2和第二悬臂梁5通过弹簧4连接，实现第一悬臂梁2和第二悬臂梁5的耦合振动。
本实施例中，第一悬臂梁2及重物3的质量和与第二悬臂梁5及第一部件的质量和的比值为1：4，第一悬臂梁2的共振频率和第二悬臂梁5的共振频率的比值为1：2。重物3通过螺栓8与第一悬臂梁2连接。
本实施例中，第一部件通过螺栓8与第二悬臂梁5连接，第二部件通过螺栓8与平台1连接，第一部件为第一永磁体6，第二部件为第二永磁体7，第一永磁体6和第二永磁体7之间相互排斥，第一永磁体6和第二永磁体7均包括若干圆柱磁铁，可以通过改变圆柱磁铁的个数改变第一永磁体6的质量，进而改变第二悬臂梁5与第一部件的质量和。本实施例的旋转式能量采集装置100未工作时，重物3、第一部件和第二部件位于同一竖直面。第二永磁体7不仅提供非线性磁力，也在车轮旋转时防止第一悬臂梁2和第二悬臂梁5变形过大造成永久损害。
本实施例通过第一部件和第二部件产生非线性磁力，实现非线性耦合，非线性耦合可以在低频转速下较好的采集能量，通过调节第一永磁体6和第二永磁体7的磁力大小或者第一永磁体6和第二永磁体7之间的距离，进而调节非线性磁力的大小。即第一永磁体6和第二永磁体7的磁力大小越大、第一永磁体6和第二永磁体7之间的距离越小，非线性磁力越强。
本实施例中，引入两个互斥的第一永磁体6和第二永磁体7提供非线性磁力，非线性耦合由于低频可行和更宽的工作频带，可以有效提高汽车运行时的能量采集效率。
本实施例中，第一永磁体6和第二永磁体7的材质为钕铁硼，第一悬臂梁2、第二悬臂梁5和平台1的材质为防磁不锈钢，螺栓8的材质为钛合金。
本实施例中，平台1包括第一连接部和第二连接部，第一悬臂梁2和第二悬臂梁5均与第一连接部连接，第二部件与第二连接部连接。
本实施例通过适当调节圆柱磁铁的个数及质量，使得第一悬臂梁2及重物3的质量和与第二悬臂梁5及第一部件的质量和的比值接近1：4，进而使第一悬臂梁2的共振频率与第二悬臂梁5的共振频率之比达到1：2，这样可以在较低激励频率下不仅能引发此频率下的共振，也能激发高频率时才能引发的振动。这时，幅频响应曲线在共振频率处会有两个相反方向的跳跃现象，拓宽了高输出电压的采集频率，形成双弯曲现象。
本实施例的旋转式能量采集装置100的工作原理和过程如下：
当汽车运行时，第一悬臂梁2和第二悬臂梁5的振动可以通过轮胎旋转和道路激励来激发。由于轮胎的旋转使第一悬臂梁2的自由端的重物3产生周期性运动，由重力提供激振力，使得第一悬臂梁2和第二悬臂梁5产生位移，带动压电陶瓷片9产生变形，基于直接压电效应将形变能转化为电能，通过外接电路10为胎压监测***供电。第一永磁体6和第二永磁体7提供非线性磁力，实现低频时的较好采集性能，同时第一悬臂梁2和第二悬臂梁5通过弹簧4耦合，调节第一悬臂梁2及重物3的质量和与第二悬臂梁5及第一部件的质量和的比值可使第一悬臂梁2和第二悬臂梁5产生内部共振，有效提高能量采集带宽。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于：本实施例的旋转式能量采集装置100未工作时，第一部件和第二部件位于同一水平面，即第二部件位于第二悬臂梁5的延长线上。
实施例三
本实施例提供了一种胎压监测***，包括实施例一或实施例二的旋转式能量采集装置100。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种旋转式能量采集装置，其特征在于：包括平台、第一悬臂梁、第二悬臂梁和非线性结构，所述平台用于与轮胎连接，所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁设置在所述平台上，所述第一悬臂梁的共振频率和所述第二悬臂梁的共振频率不同，所述第一悬臂梁上设置有重物，所述非线性结构包括第一部件和第二部件，所述第一部件设置在所述第二悬臂梁上，所述重物和所述第一部件通过线性结构连接，所述第二部件设置在所述平台上，所述第一部件和所述第二部件之间为非线性耦合，所述第一悬臂梁和/或所述第二悬臂梁上设置有压电结构，所述压电结构与外接电路连接，所述第一悬臂梁或所述第二悬臂梁振动时，相应的所述压电结构变形将振动能量转换成电能。
2.根据权利要求1所述的旋转式能量采集装置，其特征在于：所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁平行设置，所述第一悬臂梁的一端和所述第二悬臂梁的一端分别与所述平台连接。
3.根据权利要求2所述的旋转式能量采集装置，其特征在于：所述压电结构为压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设置在所述第一悬臂梁或所述第二悬臂梁与所述平台连接的一端。
4.根据权利要求2所述的旋转式能量采集装置，其特征在于：所述线性结构为弹簧。
5.根据权利要求4所述的旋转式能量采集装置，其特征在于：所述第一悬臂梁和所述第二悬臂梁平行时，所述弹簧呈自然伸直状态。
6.根据权利要求1所述的旋转式能量采集装置，其特征在于：所述第一悬臂梁及所述重物的质量和与所述第二悬臂梁及所述第一部件的质量和的比值为1：4，所述第一悬臂梁的共振频率和所述第二悬臂梁的共振频率的比值为1：2。
7.根据权利要求1所述的旋转式能量采集装置，其特征在于：所述第一部件为第一永磁体，所述第二部件为第二永磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体之间相互排斥。
8.根据权利要求7所述的旋转式能量采集装置，其特征在于：所述第二部件位于所述第一部件的下方。
9.根据权利要求7所述的旋转式能量采集装置，其特征在于：所述第一部件和所述第二部件位于同一水平面。
10.一种胎压监测***，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的旋转式能量采集装置。
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