風(fēng)致振動(dòng)能量采集器驅(qū)動(dòng)的無(wú)線(xiàn)風(fēng)速傳感器
【圖文】：
風(fēng)速的功能。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)線(xiàn)風(fēng)速傳感器主要包括兩個(gè)壓電式風(fēng)能采集器，其中一個(gè)用于采集環(huán)境中的風(fēng)能，另一個(gè)用于測(cè)量風(fēng)速。１風(fēng)能采集及風(fēng)速測(cè)量的結(jié)構(gòu)與工作原理為了提高風(fēng)能采集效率，受口琴結(jié)構(gòu)啟發(fā)，設(shè)計(jì)了圖１所示的帶諧振腔的壓電式風(fēng)能采集器［２０－２１］。采集器主要由長(zhǎng)方體諧振腔和懸臂梁構(gòu)成，其中諧振腔相當(dāng)于口琴的琴格，上有入風(fēng)口和出風(fēng)口各一個(gè)，懸臂梁相當(dāng)于口琴的簧片，懸臂梁由壓電復(fù)合梁和柔性梁兩段組成，諧振腔的前面開(kāi)口作為入風(fēng)口，側(cè)壁開(kāi)口作為出風(fēng)口，懸臂梁安裝于諧振腔側(cè)壁出風(fēng)口處，其自由端朝入風(fēng)口方向，并與風(fēng)向形成一個(gè)攻角α，懸臂梁的長(zhǎng)度和寬度略小于出風(fēng)口的長(zhǎng)度和寬度，以便其在振動(dòng)過(guò)程中不會(huì)與諧振腔碰撞，，攻角α可通過(guò)懸臂梁的迎風(fēng)垂直高度來(lái)控制。圖１帶諧振腔的壓電式風(fēng)能采集器結(jié)構(gòu)示意圖Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆａｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｅｒｗｉｔｈａｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｙ風(fēng)吹入諧振腔后減速，使腔內(nèi)氣壓升高，當(dāng)攻角α不大時(shí)，懸臂梁將向出風(fēng)口處彎曲，機(jī)械回復(fù)力使其回到原位。當(dāng)風(fēng)速在上臨界風(fēng)速和下臨界風(fēng)速之間時(shí)，懸臂梁產(chǎn)生穩(wěn)定的自激振蕩，帶動(dòng)壓電復(fù)合梁產(chǎn)生周期性形變，導(dǎo)致壓電復(fù)合梁壓電層上、下表面的電極之間產(chǎn)生一個(gè)交變的電壓，利用該電壓即可為儲(chǔ)能器或負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的獲取與轉(zhuǎn)換。另外，風(fēng)對(duì)懸臂梁的作用可等效為靜態(tài)風(fēng)載荷和動(dòng)態(tài)風(fēng)載荷，靜態(tài)風(fēng)載荷將導(dǎo)致懸臂梁形狀和內(nèi)力的變化，由于幾何非線(xiàn)性和應(yīng)力剛化效應(yīng)，這種變化將引起懸臂梁固有頻率的變化［２２］，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，作用于懸臂梁的靜態(tài)風(fēng)載荷和動(dòng)態(tài)風(fēng)載荷均要變化，因此通過(guò)測(cè)量
率即約為懸臂梁結(jié)構(gòu)的一階固有頻率［２３－２４］，因此只要計(jì)算出采集器交變電壓的頻率就可以得到采集器的一階固有頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量。不同環(huán)境的風(fēng)速范圍往往不同，因此需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境確定工作風(fēng)速范圍，并進(jìn)一步確定采集器的尺寸。研究表明，柔性梁和壓電梁的尺寸、諧振腔尺寸、攻角等均會(huì)導(dǎo)致采集器臨界風(fēng)速和輸出性能的變化［２０，２５］。為了在不需外加電源條件下實(shí)現(xiàn)風(fēng)速測(cè)量，制作了兩個(gè)帶諧振腔的壓電式風(fēng)能采集器樣機(jī)，其中一個(gè)用于風(fēng)能采集，另一個(gè)用于風(fēng)速測(cè)量，樣機(jī)如圖２所示。諧振腔的材料為鐵，通過(guò)線(xiàn)切割工藝加工制作，諧振腔的內(nèi)部尺寸為６２ｍｍ×１９．６ｍｍ×１０ｍｍ。壓電梁采用ＰｉｅｚｏＳｙｓｔｅｍｓ公司的Ｔ２１５－Ｈ４－２０３Ｙ壓電片，尺寸為２５．８ｍｍ×６．４ｍｍ×０．３８ｍｍ。壓電復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的上、下層采用壓電ＰＺＴ－５Ｈ材料，兩個(gè)壓電層的極化方向相同，在電學(xué)上是并聯(lián)的，中間金屬層（銅）作為上下兩壓電層的公共電極，在上壓電層上表面和下壓電層下表面也覆有金屬層并作為引出電極，壓電層厚度為１３９μｍ，中間金屬銅層厚度為１０２μｍ。柔性梁采用ＰＥＴ材料，尺寸為２８ｍｍ×６．４ｍｍ×０．２５ｍｍ，通過(guò)ＡＢ膠將柔性梁和壓電復(fù)合梁粘接固定，粘接重疊部分長(zhǎng)度為８ｍｍ。除了固定部分外，懸臂梁總長(zhǎng)為３８ｍｍ，略小于諧振腔頂部的開(kāi)口長(zhǎng)度，懸臂梁的寬度略小于諧振器出風(fēng)口的寬度。實(shí)驗(yàn)表明，懸臂梁攻角對(duì)其輸出性能有重要影響，當(dāng)懸臂梁迎風(fēng)垂直高度在２～４ｍｍ時(shí)，采集器電學(xué)輸出較大，并且下臨界風(fēng)速較低［２５］，因此組裝的兩個(gè)風(fēng)能采集器樣機(jī)的懸臂梁迎風(fēng)垂直
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