【《基于压电俘能技术的传感器供电模块设计案例分析报告》6000字（论文）】

基于压电俘能技术的传感器供电模块设计案例分析报告目录TOC\o"1-3"\h\u27231基于压电俘能技术的传感器供电模块设计案例分析报告 199261.1走行部振动数据采集和特征分析 1216111.1.1振动数据采集试验 281011.1.2振动特征分析 529211.2传感器供电模块设计 7168851.2.1压电振子结构设计及谐振频率分析 7190031.2.2基于参数化建模的压电振子频率匹配 985411.2.3发电性能试验 12125531.3传感器供电模块轴箱安装结构设计 14215011.1.1轴箱安装结构设计 144231.1.2轴箱安装结构有限元分析 14地铁车辆走行部在轮轨作用力下，具有丰富得振动能量，利用蓬勃发展的压电式振动能量收集技术将走行部的机械振动能转化为电能以实现传感器的自驱动工作是一个可行的方案。本章首先通过采集和分析地铁车辆走行部分振动数据以及对压电陶瓷发电原理的研究，设计了一种基于压电陶瓷的双端固支式压电振子结构。其次，利用参数化建模和有限元法确定压电振子结构的尺寸参数，使得压电振子的工作频域与轴箱振动能量集中的频段重合，搭建发电试验平台验证，将所设计的双端固支式压电振子组成14个并联阵列式模块时，可以满足2个加速度传感器的功耗需求；最后，为了保证该模块能够可靠地安装在轴箱上，根据轴箱的振动情况和结构特点设计了一个传感器供电模块安装结构，应用有限元分析软件分析了安装结构的冲击强度、模态和疲劳寿命。1.1走行部振动数据采集和特征分析振动能量采集器谐振时有最大的能量转换效率，但是其固有频率不会随着外界激励频率改变而导致工作频带宽度较窄，对于特定的一些应用环境，一般都会有一些振动能量密度大的主导频率，要最大化压电式振动能量收集装置输出功率，装置的谐振频率必须与运营中地铁车辆走行部的振动主导频率一致[54,55]，进行走行部振动数据采集试验，获取构架和轴箱的振动数据，分析并比较振动二者振动能量的差别，为传感器供电模块和安装结构的设计提供数据基础。1.1.1振动数据采集试验地铁车辆走行部主要包括轮对、轴箱、一系簧、构架和二系簧，轴箱与轮对通过轴承刚性连接，直接承受来自轮轨作用力的剧烈冲击，构架由一系簧固定在轴箱上，经过一系簧减震，振动的强度会低于轴箱振动。为了定量分析轴箱和构架的振动特征，对上海地铁5号线阿尔斯通地铁车辆运行时轴箱和构架的振动加速度进行实车采集，主要测试设备有DFT1301型加速度传感器和有线的Wavebook516E数据采集仪。表3-1为轴箱振动加速度采集主要参数，图3-1给出了振动轴箱和转向架振动数据测试走线方案，传感器线从地铁车辆车门拉入，测试现场如图3-2所示。车辆运行状态为0−10s车辆加速，10−35s车辆匀速40km/h，35−45s车辆减速。表3-1轴箱振动加速度采集主要参数Tab.3Mainparametersofaxleboxvibrationaccelerationcollectiontest序号参数数值1采样频率/kHz102总时长/s453总里程/m3854速度/(km/h)40图3-1车下振动数据采集试验总体方案Fig.3-1Theoverallplanofunder-vehiclevibrationdatacollectiontest (a)构架振动采集传感器安装位置 (b)轴箱振动采集传感器安装位置 (c)加速度传感器走线方案 (d)数据采集仪和上位机 (e)数据采集上位机 (f)数据采集编程界面图3-2走行部振动数据采集试验Fig.3-2Runningdepartmentvibrationdatacollectiontest图3-3为构架振动加速度随时间变化曲线，由构架振动时域历程可以看出构架的振动加速度峰值在±2g以内，根据表2-4无线数据采集仪的关键技术指标，所选用的DH5928W无线数据采集仪抗冲击为100g，所以把无线数据采集仪布置在构架上是可行的。图3-3构架垂向振动时域历程Fig.3-3Timedomainhistoryoftheverticalvibrationofthebogie由图3-4可知，时域上，轴箱三个方向的振动加速度峰值出现的时间基本一致，各向最大冲击加速度分别为垂向76g，横向25g，纵向32g；(a)轴箱垂向振动加速度(b)轴箱横向振动加速度(c)轴箱纵向振动加速度图3-4轴箱振动时域历程Fig.3-4Timedomainhistoryofaxleboxvibration1.1.2振动特征分析为了进一步描述轴箱和构架的振动特征，基于Welch方法，采用功率谱密度表征振动特征，得到振动信号在不同频段上的能量分布。将采样序列x(n)分为K段，每段长度M，对每一个子段加上长度为N的汉宁窗w(n)： (3-11)x(n)的Welch功率谱估计Pw： (3-12)式中，Si(ω)为加窗的第i段信号，U为归一化因子。 (3-13) (3-14)根据式3-12利用Matlab数据处理软件对所采的轴箱与转向架振动数据进行处理得到构架和轴箱对应的功率谱密度如图3-5至3-6所示，表4给出了振动能量频域分布。对功率谱密度进行积分得到表征信号强度的均方值，轴箱分别为垂向2.22g2、横向0.36g2、纵向0.42g2，构架垂向0.01g2。轴箱垂向的振动功率分别是横向和纵向的6.17倍、5.29倍，是构架垂向的222倍，轴箱振动能量的绝大部分都被一系簧衰减，因此除了轮对，地铁车辆走行部振动最为剧烈的部位为轴箱，轴箱振动最剧烈的方向为垂向。图3-5构架振动加速度功率谱密度Fig.3-5Framevibrationaccelerationpowerspectraldensity(a)轴箱垂向功率谱密度(b)轴箱横向功率谱密度(c)轴箱纵向功率谱密度图3-6轴箱振动加速度功率谱密度Fig.3-6Axleboxvibrationaccelerationpowerspectraldensity表3-2振动能量频域分布Tab.3-2Frequencydomaindistributionofvibrationenergy位置方向主频/Hz频宽/Hz轴箱垂向638899995横向6475534100纵向6410053590997100构架垂向104802179056960969601.2传感器供电模块设计传感器供电模块的核心部件为压电振子，合理地设计压电振子的结构尺寸使其谐振频率与环境振动的主导频率一致是保证振动能量收集效率的关键。另外，压电振子产生的交流电需要整流控制电路转换为直流以供传感器使用，本文采用常用的LTC3588-1为芯片的整流电路，原理设计成熟，不再对其进行详细叙述。1.2.1压电振子结构设计及谐振频率分析悬臂梁式压电振子结构简单，实现方便，且能够有效地采集自然低频环境中的能量，因而得到了广泛的研究。但由于悬臂梁压电振子长宽比较大，其承载能力比较低，在地铁车辆轮轨冲击高载荷情况下，容易产生疲劳而折断导致无法正常工作，大面积的压电陶瓷更容易断裂，采用小面积、阵列式压电振子结构设计以达到加速度传感器的功耗需求，又可以满足轨道车辆严苛的耐久性使用要求。为了提高压电梁的抗冲击能力，设计了一种双端固支的矩形压电振子如图3-7所示，设压电振子的对称中心点为O，l、b、h分别为压电振子基底的长、宽、高，m为质量块质量。该结构由金属基底、压电陶瓷和质量块构成，金属基底两端固定，压电陶瓷贴附在金属基底表面，质量块调节压电振子的谐振频率。当压电陶瓷受外力作用时，会发生机械形变产生正压电效应，从而将机械振动能转换为电能。图3-7双端固支式压电振子结构图Fig.3-8Structurediagramofadouble-endedfixed-supportedpiezoelectricvibrator双端固支式压电振子为左右对称结构，压电振子的挠度也左右对称分布[56]，则与中心O点距离x的挠度为： （3-15） （3-16）式中，为压电振子基底的泊松比，E为压电振子基底的杨氏模量，a为振动加速度，为压电振子基底中心点的挠度。压电振子基底表面横向应变为： （3-17）将式3-15和3-15代入3-17式求得： （3-18）由式3-18可以得到压电陶瓷粘贴在压电振子固定端的时候能够获得最大应变，在保证压电陶瓷长期使用且不产生裂纹的前提下，压电陶瓷越靠近固定端所产生的电能输出也将越大。压电振子的等效刚度K计算公式为： （3-19）可以求出压电振子的主频为： （3-20）从式3-20可以看出压电振子的主频与其几何尺寸、材料和质量块的质量有关。1.2.2基于参数化建模的压电振子频率匹配本文基于ANSYSWorkBench软件参数化建模功能模块，对压电振子进行参数化建模以确定其谐振频率与轴箱振动主频匹配。参数化建模是将对几何图形启约束作用的尺寸定义为设计参数，在结构整体的尺寸变化不大的前提下，不断迭代微调某一个或者几个设计参数后进行有限元仿真，在仿真结果达到目标值时停止迭代而实现结构的最优设计[57]。为使得分析简化，快速找到固有频率与轴箱振动频段重合的压电振子结构尺寸，根据地铁车辆轴箱的实际尺寸和安装条件，建模参数如表3-3，选定质量块的厚度为迭代对象，通过改变质量块的质量从而调整压电振子的谐振频率。运用ANSYSWorkbench内置的几何建模软件DesignModeler，建立如图3-8所示的压电振子几何模型。若需要将模型的某一个尺寸设置为设计参数，点击图3-8（b）“V1”尺寸前面的空白方框，在出现的参数命名弹窗对设计参数进行命名（支持中文命名），就完成了尺寸的参数化。为了方便地管理设计参数，回到ANSYSWorkbench主界面，双击ParameterSet图标，所有地设计参数都会在表格中显示，支持使用表达式建立参数之间的相互约束关系，图3-8（c）表达式计算的是质量块长边到基底短边的距离等于基底的长度与质量块宽度差的一半，通过这个表达式约束了质量的对称面与基底的对称面重合。 (a)压电振子模型 (b)设置尺寸为参数(c)参数间的表达式计算图3-8压电振子参数化建模Fig.3-8Parameterizedmodelingofpiezoelectricvibrator表3-3主要设计参数Tab.3-3Maindesignparameters序号设计参数尺寸/mm序号设计参数尺寸/mm1基底长l1806质量块厚h2待优化2基底宽b1307压电陶瓷长l3253基底厚h10.28压电陶瓷宽b3154质量块长l2259压电陶瓷厚h30.25质量块宽b21010压电陶瓷与质量块距离d5对压电振子进行模态分析，质量块的厚度从4mm至1mm递减迭代，步长0.5mm，表3-4给出了所用的材料属性参数。设置约束条件：基底端部固定约束，压电陶瓷与基底接触设为绑定，质量块与基底接触设为绑定。采用六面体有限元网格划分如图3-9所示，单元尺寸为2mm。表3-4压电振子材料参数Tab.3-4Materialparametersofpiezoelectricvibrator序号材料密度/（g/cm3）杨氏模量/GPa泊松比1PZT-5A7.5400.322黄铜8.31100.34图3-9压电振子网格划分Fig.3-9Meshdivisionofpiezoelectricvibrator对于不同厚度质量块的压电振子，一阶模态振型如图3-10所示，图3-11给出了质量块厚度与压电振子一阶模态频率的图形曲线关系，从图中可以看出随着质量块厚度不断减小，压电振子一阶模态频率随之升高，在1.5mm时，压电振子一阶模态频率为61.01Hz，与轴箱振动特征基本吻合，因此确定质量块厚度为1.5mm，在基底上下各固定一块，可以将压电振子的一阶固有频率调整到轴箱振动能量集中的频段。 (a)4mm一阶模态振型 (b)1.5mm一阶模态振型 (c)1.0mm一阶模态振型 (d)2.5mm一阶模态振型 (e)2.0mm一阶模态振型 (f)1.5mm一阶模态振型图3-10质量块不同厚度下的压电振子一阶模态振型Fig.3-10Thefirst-ordermodeshapeofthepiezoelectricvibratorunderdifferentthicknessesofthemassblock图3-11质量块厚度与压电振子一阶模态频率关系Fig.3-11Therelationshipbetweenthethicknessofthemassandthefirst-ordermodalfrequencyofthepiezoelectricvibrator1.2.3发电性能试验图3-12给出了压电振子制备的工艺流程，在粘贴前先使用丙酮溶液清洗基底和压电陶瓷表面的灰尘等杂质[58]，使用环氧树脂将压电陶瓷粘贴固定在基底表面，通过焊接的方式引出电极。制备的压电振子实物如图3-13，长80mm、宽30mm，基底材料为铍铜，压电陶瓷型号为PZT-5A。图3-12压电振子制备工艺流程Fig.3-12Themanufacturingprocessofpiezoelectricvibrator图1.13压电振子试验样件Fig.1.13Piezoelectricvibratortestsample图3-14给出验证压电振子发电特性的试验平台，该平台主要由压电振子、激振器、功率放大器、振动控制器、10kΩ负载、示波器和控制电脑组成的，表3-5给出了主要设备的型号。设置激振器产生幅值为1.5g，频率为63Hz的正弦振动，激励压电梁产生的交流电压波形如图3-15所示，峰值电压为10.5V，功率为5.5mW。对于单个牵引电机，共需要两个加速度传感器分别采集主动端和从动端的轴承振动数据，则总共的功耗为72mW，需要14片压电振子组成阵列为传感器供电模块以驱动传感器的正常工作。图3-14压电振子发电特性试验平台Fig.3-14Testplatformforpowergenerationcharacteristicsofpiezoelectricvibrator表3-5试验平台主要设备型号Table3-5Mainequipmentmodelsofthetestplatform序号设备型号1振动控制器ECONVT-90022功率放大器DFT-27153激振器DFT-90504示波器KEYSIGHTDSOX-4054A图3-15压电振子输出电压波形Fig.3-15Outputvoltagewaveformofpiezoelectricvibrator1.3传感器供电模块轴箱安装结构设计受轮轨作用力的影响，轨道车辆轴箱处振动剧烈，如何实现轴箱处振动能量收集装置的可靠安装实现振动能量收集装置可靠工作的基本前提。因此，通过设计合理的轴箱安装结构不仅是解决振动能量收集装置可靠安装的关键，也是保障轴箱振动能量有效收集的物理基础。机械结构设计和分析通常进行力学分析获取结构的载荷及约束，使用有限元法得到结构固有频率和内部应力及变形，从而实现结构优化设计及分析。1.1.1轴箱安装结构设计图3-16(a)为车辆轴箱的实物图，考虑到轴箱的总布置及后续装配的便利性，根据车辆运行时轴箱的振动特征分析，安装支架下部为弧形，设两个螺栓孔，利用端盖的上部两个螺栓将支架固定在轴箱上，支架上表面为能量收集装置的安装面，所设计出的安装结构如图3-16(b)所示，从轻便和强度角度考虑，安装结构选用6061-T6铝合金材料。 （a）安装位置 （b）轴箱安装结构图3-16传感器供电模块轴箱安装结构设计Fig.3-16Axleboxinstallationstructuredesignofthesensorpowersupplymodule1.1.2轴箱安装结构有限元分析将轴箱安装结构的几何模型导入有限元分析软件ANSYSWorkbench中，表3-6给出了所用的材料属性参数。根据实际安装情况设置约束条件：螺栓与安装结构接触部分为有摩擦接触，摩擦系数取0.15，螺栓拧紧在轴箱螺栓孔的便面设为绑定接触。由安装结构和螺栓的形状较为规则，采用六面体为主的有限元网格划分如图3-17所示，安装结构的单元尺寸为5mm，螺栓的单元尺寸为3mm，共创建1.1万个单元，2.9万个节点。表3-6材料属性参数Tab.3-5Materialpropertyparameters结构材料屈服强度/MPa弹性模量/GPa密度/(g/cm³)螺栓45#钢6402107.80传感安装结构6061-T6铝合金280692.85图3-17网格划分Fig.3-17Meshdivision考虑到螺栓的预紧作用，端盖承受螺栓预紧力FPT，其大小与螺栓的标准扭矩T的关系如下[59]： (3-24)式中，T为螺栓标准扭矩110N·m，k为螺栓扭矩系数0.2，d为螺栓公称直径16mm，代入计算得到螺栓预紧力为34.38kN。对螺栓施加预紧力FPT，上端面施加200N的传感器供电模块的垂直载荷，施加三个方向的最大冲击加速度垂向为76g，横向为25g，纵向为32g。依据第四强度理论[60]，采用Von-Mises等效应力作为安装结构和螺栓的静强度评价指标。为获取传感安装结构对螺栓的剪切作用，采用最大剪切应力作为螺栓的静强度评价指标。有限元计算结果如图3-18至3-20所示。对于塑性材料许用剪切应力与屈服应力关系为[61]，取极限系数0.6，得螺栓的许用剪切应力。轨道车辆走行部件的许用安全系数[n]=1.5[62]，由图3-19至3-20可看出，安装结构的最大Von-Mises等效应力为21.26MPa，安全系数为12.04。螺栓的最大剪切应力为162.56MPa，安全系数为2.36，以上均大于许用安全系数。图3-18安装结构Von-Mises等效应力云图Fig.3-18Von-Misesequivalentstressclouddiagramofinstallationstructure图3-20螺栓最大剪切应力云图Fig.3-20Maximumshearstressclouddiagramofbolts对安装结构进行约束模态分析，以获得其固有频率和振型。根据轴箱振动特征，选取装配体的前6阶模态为分析对象，其仿真分析结果如图3-21和表3-7所示。 （a）1阶 （b）2阶 （c）3阶 （d）